Am europäischen Zentrum für Radionukleidforschung untersucht man die Welt der kleinsten Teilchen und zugleich den Beginn des gesamten Universums, den Ablauf des Urknalls und seine Expansion, bis heute.
Nachdem es sich offensichtlich um eine sehr umfangreiche Aufgabenstellung handelt, fangen wir im Hier und Jetzt in Regensburg, ganz langsam bei einer Tasse Kaffee an, die wir mit Blick auf die Steinerne Brücke trinken. Eine Tasse Kaffee entspricht im Übrigen den Kosten pro Kopf für den Betrieb des CERN. Vor unserem geistigen Auge lassen wir etwas Zucker in den Kaffee rieseln und beobachten, wie die kleinen Zuckerkristalle langsam in den Kaffee fallen, ein bisschen wie der Sand durch eine Sanduhr rieselt. Der Zucker stellt mit die kleinsten Teilchen dar, die wir im Alltag bewusst wahrnehmen können. Trinken wir jetzt den Kaffee. Die Sanduhr läuft aber seit 13,8 Milliarden Jahren, seit dem Beginn des Universum mit dem Urknall. Schauen wir auf die Steinerne Brücke, schauen wir 900 Jahre zurück, auf das Jahr 1146, in dem sie fertig gestellt wurde. Baustein für Baustein wurde sie als Meisterleistung der Ingenieurskunst in 10 Jahren Bauzeit errichtet. Die einzelnen Bausteine sind auch für uns klar erkennbar.
Nach dem Kaffee an der Steinernen Brücke beginnen wir die Reise zum CERN und machen einen Zwischenstopp im Technorama in Winterthur, einer wahren Spielwiese der Physik. Mehrere hundert Experimente laden dort zum Mitmachen ein und ziehen die Besucher in ihren Bann. Ganz unscheinbar ist dort auch die direkte Beobachtung von drei einzelnen Bariumatomen möglich. Unter dem Mikroskop erkennt man drei einzelne Bausteine unserer Welt. Die Betrachtung dieser drei Stecknadelköpfe zieht die Besucher nicht wirklich in ihrem Bann. Ein Atom von außen erscheint schlicht als kleiner Punkt. Die Teilchenphysik steht inmitten dieser großen Spielwiese der Physik dem Technorama, das ein großes Panorama der Physik abbilden möchte, nicht im Mittelpunkt.
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Die ersten Atome, Wasserstoff, wurden 380.000 Jahre nach dem Urknall gebildet. Erst dann hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass sich Atome überhaupt bilden konnten, sich die Kernbausteine zu einem Kern zusammen finden konnten. Wir sind mit der Betrachtung von Atomen bereits den größten, aber nicht spannendsten Teil der 13,8 Milliarden Jahre in die Vergangenheit gereist.
Das Atom als Ganzes beschäftige lange Zeit die alten Griechen, die ihm seinen Namen gaben; für die modernen Physiker, wird das Atom aber erst interessant, wenn man es zerstört und in seine Bestandteile zerlegt. Und damit sind wir am CERN, dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt angekommen. Die Atome geben ihre Information über den Aufbau des Universums nicht freiwillig Preis. Sie werden dazu fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, zur Kollision gebracht und die Bruchstücke der Kollision untersucht. Analog zu den beschleunigten Kernbausteinen im CERN, würden die Zuckerkristalle unseres Kaffees die Energie eines 150 km/h schnellen ICE-Zugs besitzen. Kracht der ICE unvermittelt gegen ein Hindernis, würden tausende Bruchstücke kilometerweit fliegen. Die Flugbahn jedes einzelnen Bruchstücks genau zu verfolgen wäre eine Aufgabe, der kein Beobachter gewachsen wäre, besonders dann nicht, wenn es sich um mehrere Millionen Kollisionen pro Sekunde handelt. Ein etwas angenehmeres Bild wäre zum Beispiel der Polterabend vor einer Hochzeit, bei dem jeder Gast um Mitternacht seinen Teller mit voller Wucht zu Boden schleudert und man die Flugbahn jedes einzelnen Bruchstücks aufzeichnen möchte. Eine echte Sisyphos-Arbeit. Dagegen erscheint das gemeinsame Aufkehren der Scherben harmlos.
Bei den Bruchstücken, egal ob Porzellan oder Proton, sind wir bei den Kernbausteinen angelangt und haben uns dem Urknall auf etwa 100 Sekunden genähert und sind beim spannenden Teil der 13,8 Milliarden Jahre angelangt.
Aber wie genau schaut man in der Physik bis zum Urknall zurück? Wie und warum beobachtet man Teilchen, kleiner als ein Atom? Wie funktioniert Teilchenphysik?
Jeder kennt das Elektron, die kleinen, negativ geladenen Partikel, die uns elektrische Energie ins Haus bringen. Vor 100 Jahren fragten sich die Physiker der damaligen Zeit, ob es auch positiv geladene Elektronen, also Positronen, geben müsste. Sie stellten damit die Hypothese auf, dass es Antimaterie gibt. Um ihre Hypothese nachzuweisen, um Klarheit zu schaffen, entwickelten sie die Nebelkammer. Kleine Alkoholtröpfchen kondensieren in ihr bevorzugt dort, wo energiereiche Strahlung Atome in Elektronen und Hülle zerlegt, also ionisiert. Die Ionisierung selbst verursachen radioaktive, zerfallende Atomkerne (Radionukleide). Und wo Elektronen sind, da sollten eben auch Positronen zu finden sein. Zur Unterscheidung von negativen, neutralen und positiven Ladungen erzeugte man ein Magnetfeld, das die Nebelkammer durchdringt. Im Magnetfeld zwingt die Lorentzkraft die Elektronen nach links und die Positronen nach rechts. Man musste also nur die Teilchenspuren im Nebel mit dem Auge beobachten und auf ein Geisterfahrerteilchen warten. Die Nebelspuren sind für das Auge sichtbar, die Partikel nicht. Ähnlich wie beim Beobachten von Kondensstreifen am Himmel. Die Flugzeuge sieht man in der Regel nicht, ihre Kondensstreifen dagegen sehr deutlich.
Nun reicht in der Physik natürlich nicht der Nachweis eines einzigen Positrons aus. Wenn bei 101 radioaktiven Zerfällen ein Positron nachgewiesen werden kann, so müssten es bei 10.000 Zerfällen 100 Geisterfahrerteilchen sein. Dann hat man einen ausreichenden experimentellen Nachweis des Positrons. Der experimentelle Nachweis alleine ist in der Physik per se nie ausreichend, man braucht eine Theorie, die das genaue Verhältnis von Elektronen zu Protonen, also 100:1 exakt vorhersagt. Erst, wenn die Theorie 99:1 vorhersagt und man 10.000 : 100 Elektronen und Positronen findet, nicht 10.000 : 50 oder 10.000 : 200, dann ist sind Hypothese und Theorie ausreichend erhärtet und damit gültig. Dann ist die Forschungsgemeinschaft der Physik zufrieden und verleiht einen Nobelpreis. So geschehen 1936 für Carl David Anderson, für die Entdeckung des Positrons.
Damit stellten sich natürlich die Fragen, ob es neben dem Positron noch weitere Antimaterieteilchen gibt oder gar ein Atom mit negativem Kern und positiver Hülle. Die Fragen gehen in der Physik nie aus. In den 1960er Jahren war die Teilchenphysik so weit, dass man eine komplette Theorie zu den Bausteinen der Materie entwickelt hatte. 12 Bausteine sollten es insgesamt sein. 11 davon hatte man gefunden. Mittlerweile war das Atom nicht mehr nur in Protonen und Neutronen, sondern diese selbst weiter in Quarks verschiedener Sorten erfolgreich zerlegt. Diese Quarks hatten sich bereits 0,1 Millisekunden nach dem Urknall zu Protonen und Neutronen kombiniert. Seitdem kommen sie nicht mehr einzeln, also frei, in der Natur vor. Im Teilchenbeschleuniger des CERN, dem LHC (Large Hadron Collider), werden heute Protonen mit so hoher Energie zur Kollision gebracht, dass lokal so eine so hohe Energie konzentriert wird, dass es den Bedingungen 0,0001 Sekunden nach dem Urknall gleicht. Bei gleichen Bedingungen entstehen dann eben auch dieselben Materiebausteine wie nach dem Urknall. E = mc² par Excellence. So lernt man über die Entstehung des Universums und die Teilchenphysik zusammen. Beide Themen sind miteinander verschränkt. Wir sind mittlerweile vom Zucker, die in unseren Kaffee rieselt, 13,8 Milliarden in die Vergangenheit gereist und in subatomare Größenordnungen vorgedrungen. Der Größenvergleich von Quark zu Atom entspricht etwa dem Größenverhältnis eines Zuckerkristalls zu einem ganzen Planeten! Das Quark selbst ist damit schon ein wirklich kleines Bruchstück.
Der LHC konzentriert mit Hilfe der Beschleunigung von Protonen mittlerweile so viel Energie, dass noch kleinere Teilchen beobachtet werden können, die Higgs-Bosonen. Diese Konzentration von Energie entspricht dem Zustand des Universums 1 Millionstel-Sekunde nach dem Urknall. Damit ist man dem Urknall 1000mal so nah, wie noch bei der Entstehung des Protons. In der Theorie von Higgs und Englert wurde dieses Teilchen in den 1960er Jahren vorhergesagt. Seitdem steht das gesamte Standardmodell der Teilchenphysik und wartet auf den vollständigen experimentellen Nachweis. Der gelang erstmalig am 4. Juli 2012. Ein Jahr später wurde, wie schon 1936 für das Positron, der Nobelpreis für die Entdeckung des Higgs-Bosons an Peter Higgs und François Englert vergeben. Wie damals, genügte den Forschenden nicht ein einziges Higgs-Boson. Es wurden 1 Billion Kollisionsexperimente durchgeführt und dabei eine Million Kollisionen mit Beteiligung des Higgs-Bosons nachgewiesen und zwar genau im theoretisch vorhergesagten Verhältnis von 1.000.000 : 1.
Um auf diese hohe Zahl von Kollisionen zu kommen, trimmt man den LHC auf eine so hohe Perfektion, dass man Millionen von Kollisionen pro Sekunde erhält. Zur Beobachtung der Bruchstücke genügt längst nicht mehr das Auge-Gehirn-System. Vier Detektoren, groß wie Hochhäuser und schwerer als der Eiffelturm, bestehend aus hunderttausenden Einzeldetektoren, verfolgen die Bahn der Bruchstücke. Gespeichert wird die Information im Rechenzentrum des CERN. Das Datenvolumen entspricht 25% des weltweiten Datenverkehrs des Internets, jeweils pro Sekunde. Das Internet selbst (WWW-Protokoll) wurde am CERN von Tim Berners-Lee erfunden, um große Datenmengen an die, über die ganze Welt verstreuten, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu verteilen.
Da die Herausforderungen beim Bau und Betrieb des LHC so gewaltig sind, werden ständig technische Grenzen verschoben. In den 1980er Jahren stellte die Kommunikation zwischen den Wissenschaftlern eine große Herausforderung dar und wurde mit der Erfindung des Internets beantwortet. Damals verschickten einige hundert Wissenschaftler Daten von Kollisionsexperimenten und E-mails. Heute kommunizieren Milliarden Menschen auf vielfältigste Art und Weise über das Netz. Die Notwendigkeit zur Herstellung eines Detektors für Kernbausteine führte als abgespeckte Version, zur Erfindung der Computer-Tomographie. Heute wird KI verwendet, um die enormen Datenmengen zu filtern und verarbeiten. Auch hier wird es wegweisende Neuerungen geben, von denen die europäische Wirtschaft in Zukunft stark profitieren wird. Und wie schon beim Nachweis des Positrons, wurden auch beim Nachweis des Higgs-Bosons neue Fragen aufgeworfen, zum Beispiel zum Verständnis von Dunkler Materie und dunkler Energie. Die Herausforderungen zur Beantwortung werden wieder enorm sein, entsprechend auch die Errungenschaften, die in diesem Prozess zu erwarten sind. Die Forschenden am CERN treiben mit ihrer Arbeit nicht nur die Teilchenphysik voran, sondern leisten immateriell und materiell sehr wertvolle Grundlagenforschung. Die Untersuchung der Umwandlung von Energie in Materie durch das Higgs-Boson, Millisekunden nach dem Urknall, verwandelt 13,8 Milliarden Jahre später, Grundlagenforschung in milliardenschwere Umsätze der Weltwirtschaft. Oft sieht man nur das Budget von einer Milliarde Euro, die der Betrieb des CERN kostet. Die Gewinne, die außerhalb des Forschungszentrums mit seinem Know-How generiert werden, sind oft erst Jahrzehnte später anderenorts sichtbar. Für Physiker ist ein Jahrzehnt natürlich kein hinderlicher Zeitraum, eher ein erfülltes Arbeitspensum über viele Jahre. Für Politiker und Steuerzahler hingegen, die Forschung finanzieren, stellt ein Jahrzehnt oft eine große Geduldsprobe dar. Da hilft es nur, auf die richtige Seite der Kosten-Nutzen-Rechnung zu schauen, also wie in der Physik üblich die richtige Perspektive einzunehmen, oder abzuwarten und Tee zu trinken, oder Kaffee, am besten an einem schönen Ort wie Genf oder Regensburg, mit guter Aussicht und guten Aussichten. Denn nur wenn man die Bausteine der Welt und die Physik dahinter versteht, dann kann man auch gut bauen, zum Beispiel eine Brücke, die 900 Jahre lang hält.
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Florian Maier