Handout zum CERN-Besuch vom 10. Oktober 2013

Handout zum CERN-Besuch
vom 10. Oktober 2013
Schweizerische Studienstiftung
Ein Einblick in die Geschichte und Entwicklung des CERN, sowie einige Grundlagen zur
Teilchenphysik und zu Teilchenbeschleunigern
Verfasst von:
Nadine Grädel – [email protected]
Hélène Seiler – [email protected]
Überarbeitet von:
Christian Elsasser – [email protected]
20. August 2013
1 Einleitung
1
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Überblick zur Teilchenphysik
2.1 Grundbegriffe und geschichtlicher Überblick . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Elementarkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Der Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Hadronen und Leptonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Materie und Antimaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Das Standardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 Das Higgs-Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9.1 Versuch einer anschaulichen Erklärung: „Cocktailparty à la Higgs“
2.10 Probleme des Standardmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.11 Vereinheitlichende Theorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
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2
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4
5
5
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7
8
9
9
11
11
3 Teilchenbeschleuniger
12
3.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Einige Anwendungsbeispiele von Teilchenbeschleunigern . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 Über den CERN
17
4.1 Facts zum CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.2 Geschichte und Highlights des CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1
Einleitung
Wir möchten hier eine kurze Übersicht zu den verschiedenen (Elementar-)Teilchen geben, die bisher
entdeckt worden sind, und daraufhin auf das so genannte Standardmodell eingehen, welches das aktuelle theoretische Modell der Teilchenphysik ist. Des Weiteren werden wir einige Informationen zu
Teilchenbeschleunigern und, mit einem geschichtlichen Überblick und einigen Highlights, die wichtigsten Fakten zum CERN liefern.
einigen Highlights, die wichtigsten Fakten zum CERN liefern.
2 Überblick zur Teilchenphysik
2Das
Überblick
Teilchenphysik
folgendezur
Kapitel
soll einen kurzen Überblick zu einigen fundamentalen Konzepten der 2
Teilchenphysik geben, sowie einige wichtige Begriffe einführen.
Führung amzur
CERN
wird wenig Vorwissen in Teilchenphysik vorausgesetzt werden. Man
2Für die
Überblick
Teilchenphysik
kann jedoch noch mehr profitieren, wenn man gewisse Begriffe schon einmal gehört hat und
Das
Kapitel
solldarunter
einen kurzen
Überblick
sichfolgende
ein bisschen
etwas
vorstellen
kann. zu einigen fundamentalen Konzepten der Teilchenphysik geben, sowie einige wichtige Begriffe einführen. Für die Führung am CERN wird wenig
Vorwissen in Teilchenphysik vorausgesetzt werden. Man kann jedoch noch mehr profitieren, wenn
man
Begriffe schon
einmal
gehört hat und Überblick
sich ein bisschen etwas darunter vorstellen kann.
2.1 gewisse
Grundbegriffe
und
geschichtlicher
2.1
Grundbegriffe
geschichtlicher
Überblick
Was ist
Teilchenphysik und
überhaupt?
Teilchenphysik
ist dasjenige Teilgebiet der Physik, welches
sich ist
derTeilchenphysik
Erforschung von
Teilchen Teilchenphysik
widmet. Unter ist
„Teilchen“
man Moleküle,
oder
Was
überhaupt?
dasjenigekann
Teilgebiet
der Physik,Atome
welches
sich
Nukleonen
(Protonen
und
Neutronen)
verstehen.
man
unter
der
Erforschung
von Teilchen
widmet.
Unter „Teilchen“
kann Heutzutage
man Moleküle,versteht
Atome oder
Nukleonen
Teilchenphysik
jedoch meist
die Erforschung
von soman
genannten
Elementarteilchen.
Ein
(Protonen
und Neutronen)
verstehen.
Heutzutage versteht
unter Teilchenphysik
jedoch meist
Elementarteilchen
in keineElementarteilchen.
kleineren Einheiten
unterteilt werden kann
und in
kann
somit
als
die
Erforschung von kann
so genannten
Ein Elementarteilchen
keine
kleineren
Grundbaustein
der
Materie
verstanden
werden.
Einheiten unterteilt werden und kann somit als Grundbaustein der Materie verstanden werden.
Zeitachse, welche die Entdeckung einiger Elementarteilchen aufzeigt
Abbildung 1: Zeitachse, welche die Entdeckung einiger Elementarteilchen aufzeigt
Bis Ende des 19. Jahrhunderts waren Forscher überzeugt, dass sie mit dem Atom den Grundbaustein der Materie entdeckt hatten. Als der britische Physiker Thomson jedoch im Jahr 1897
Bis Ende des 19. Jahrhunderts waren Forscher überzeugt, dass sie mit dem Atom den Grundbaustein der Materie entdeckt hatten. Als der britische Physiker Thomson jedoch im Jahr 1897
2
das Elektron entdeckte, wurde klar, dass das Atom nicht „atomos“ (griech. unteilbar) ist, sondern
aus negativ geladenen Teilchen, den Elektronen, und positiver Materie besteht. Letztere sollte nach
Thomsons Vermutung homogen verteilt sein.
Die Entdeckung der Gesetze der Quantenmechanik gab der Teilchenphysik einen entscheidenden
Schub vorwärts. Die Teilchennatur des Lichtes wurde unter anderem am Photoeffekt deutlich, der
anfangs des 20. Jahrhunderts durch Albert Einstein erklärt wurde. Durch eine Reihe von Experimenten gab es zudem mehr und mehr experimentelle Hinweise darauf, dass das Atom ein extrem
2 Überblick zur Teilchenphysik
3
kleines, dichtes positiv geladenes Zentrum hat. Der Brite Lord Ernest Rutherford, der mit Streuexperimenten Evidenz hierfür geliefert hatte, nannte den Kern des Wasserstoffatoms Proton und
prophezeite die Existenz des Neutrons, welches jedoch erst zwölf Jahre später (1931) von seinem
Landsmann Sir James Chadwick entdeckt wurde. Chadwick schloss mit dieser Entdeckung auch auf
die Existenz der „starken Kraft“, welche den Atomkern zusammenhält. Diese Kraft ist eine der vier
Elementarkräfte, auf welche wir später eingehen werden.
Um 1930 entdeckte Paul Dirac, dass die in seiner Gleichung (Dirac-Gleichung) auftretenden positiven Teilchen eine neue Spezies von Elementarteilchen darstellen, welche er Positronen nannte. Das
Positron, welches einige Jahre später experimentell nachgewiesen wurde, ist das Antiteilchen zum
Elektron. Auch auf Antiteilchen wird später noch eingegangen werden.
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Abbildung
2: Illustration, welche den Aufbau! des Atoms erkärt: Vom Atom zum Quark
!
Um den Beta-Zerfall1 energetisch erklären zu können, musste dem Modell ein weiteres Teilchen
hinzugefügt werden, das Neutrino. Bereits 1930 von Wolfgang Pauli vorhergesagt, wurde das Neutrino erst 16 Jahre später entdeckt.
Mit dessen Entdeckung schloss man auf die Existenz der so genannten schwachen Kraft, ebenfalls
eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen.
Um 1933 stellte Hideki Yukawa die Theorie auf, dass man nukleare Wechselwirkungen phänomenologisch durch Austausch von sogenannte Pionen2 beschreiben kann. In den 50er Jahren begann eine
explosionsartige Erweiterung des Teilchenmodells.
Den Grundstein für unser heutiges „Standardmodell“ legten C. N. Yang und Robert Mills im Jahre
1954 mit ihren so genannten „Eich-Theorien“.
1
Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines Atomkerns. In Folge des Zerfallvorgangs verlässt ein energiereiches Betateilchen – Elektron oder Positron – den Kern.
2
Die Pionen, auch π-Mesonen genannt, gehören zu den Hadronen. Sie sind aus zwei Quarks aufgebaut.
2 Überblick zur Teilchenphysik
2.2
4
Elementarkräfte
In der Natur wirken vier fundamentale Kräfte (siehe Tabelle 1 für eine Übersicht). In der Grössenordung unseres täglichen Lebens sind jedoch nur die elektromagnetische Kraft und die Gravitation
für uns spürbar, da diese beiden Kräfte eine weitaus grössere Reichweite haben als die schwache
und die starke Wechselwirkung. Letztere wirken nur auf mikroskopischen Skalen.
Die schwache Wechselwirkung: Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen (linkshändigen) Quarks und Leptonen und ihren (rechtshändigen) Antiteilchen3 . Dabei kann sie wie andere
Kräfte für Energie- und Impuls-Austausch sorgen, wirkt aber vor allem bei Zerfällen oder Umwandlungen der beteiligten Teilchen, etwa dem Betazerfall bestimmter radioaktiverAtomkerne.
Die starke Wechselwirkung: Die starke Wechselwirkung, welche die stärkste der vier Grundkräfte ist, wird auch starke Kernkraft genannt, da sie für den Zusammenhalt der Atomkerne4 und
der Hadronen selbst (das heisst auch der Nukleonen) verantwortlich ist. Sie wirkt zwischen Quarks
und bindet diese zu Hadronen. Die starke Kraft ist nur über sehr kurze Distanzen aktiv.
In Tabelle 1 ist eine Übersicht zu den Wechselwirkungen und ihren Trägerteilchen gegeben. Die
Trägerteilchen transportieren die Wirkung der Kraft. Bei diesen Teilchen handelt es sich um so
genannte virtuelle Teilchen. Diese virtuellen Teilchen sind im Gegensatz zu reellen Teilchen nicht
direkt beobachtbar, sondern man kann nur deren Wirkung messen (zum Beispiel die Anziehung der
Gravitation).
Starke WW
Elektromagnetische WW
Schwache WW
Gravitation
Trägerteilchen
8 Gluonen
Photon
+
W - und W− - und Z-Teilchen
Graviton (hypothetisch)
Relative Stärke
1
10−2
10−13
10−38
Reichweite
2.5·10−15
∞
10−18
∞
Tabelle 1: Übersicht zu den Elementarkräften
2.3
Erhaltungssätze
Wenn eine denkbare Reaktion nicht stattfindet, muss es dafür einen Grund geben. Dieser Grund
lässt sich meist darin finden, dass bei der Reaktion ein Erhaltungssatz verletzt würde.
Der Satz zur Energieerhaltung zum Beispiel schliesst aus, dass ein Teilchen in zwei insgesamt schwerere Teilchen zerfällt. Ein weiterer wichtiger Satz ist derjenige der Impulserhaltung. Aus diesem folgt
zum Beispiel, dass bei Auslöschung eines Teilchens mit seinem Antiteilchen (Annihilation) zwei Photonen emittiert werden müssen, welche in jeweils entgegengesetzte Richtungen davonfliegen.
Ausserdem muss die Drehimpulserhaltung gelten und als vierter Erhaltungssatz muss die elektrische
Ladung erhalten bleiben. Letzteres heisst, dass die Summen der elektrischen Ladungen vor und nach
der Reaktion übereinstimmen müssen. In der Elementarteilchenphysik schränken ausserdem die Erhaltung der Baryonen- und der Leptonenzahl die Anzahl möglicher Zerfälle ein. Das heisst konkret,
3
Links- und Rechtshändigkeit bezeichnet die Ausrichtung des Spins eines Teilchens (siehe untenstehender Abschnitt) zu dessen Impuls.
4
Gäbe es die starke Kraft nicht, so müssten sich die positiv geladenen Protonen im Atomkern abstossen.
2 Überblick zur Teilchenphysik
5
dass mit jeder Erzeugung eines Baryons oder Leptons in einem Zerfall ein Antiteilchen desselben
Typs entstehen muss.
Erhaltungssätze und Symmetrien spielen eine sehr wichtige Rolle in der Physik. Von deren Erforschung erhofft man sich weitere Erkenntnisse zu fundamentalen Fragen. So könnte die so genannte
CP-Verletzung eine mögliche Erklärung für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie sein, welche im
Kapitel Antimaterie erwähnt wird.
BEISPIEL: Welcher Erhaltungssatz ist verletzt?
Um das Ganze ein bisschen anschaulicher zu machen, kann man als einfaches Beispiel untersuchen, ob der Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Antipion ein erlaubter Zerfall ist.
n → p + |{z}
π−
|{z}
|{z}
Baryon
Baryon
M eson
Überprüfe die verschiedenen Erhaltungsgrössen:
• Energieerhaltung: 939 MeV(Ruheenergie Neutron) < 938 MeV + 139 MeV (Ruheenergien
Proton und Pion) → der Zerfall ist also verboten wegen Verletzung der Energieerhaltung
• Impuls- und Drehimpulserhaltung: erhalten
• Ladungserhaltung: Erhalten, denn Gesamtladung vor und nach dem Zerfall ist jeweils null.
• Baryonenzahl: 1 = 1 + 0 → erhalten
• Leptonenzahl: Bei diesem Prozess treten keine Leptonen auf, die Leptonzahl ist somit
erhalten.
2.4
Der Spin
Der Spin ist eine Grösse aus der Quantenmechanik, welche in der Teilchenphysik von grosser Wichtigkeit ist. Man kann sich den Spin als eine Art nicht-klassischer Drehimpuls vorstellen, der eine
intrinsische Eigenschaft eines Teilchens ist. (Oft wird der Spin eines Elementarteilchens mit der
Rotation der Erde um ihre eigene Achse verglichen, obwohl der Spin wenig mit einer Drehung im
klassischen Sinn zu tun hat.)
2.5
Hadronen und Leptonen
Die vier fundamentalen Wechselwirkungen stellen eine geeignete Grundlage zur Klassifizierung der
(Elementar-)Teilchen dar. Einige Teilchen spüren alle vier Kräfte, andere dagegen nur einige von
ihnen.
Hadronen: Teilchen, die über die starke Kraft wechselwirken, heissen Hadronen. Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Hadronen, den Baryonen mit halbzahligem Spin und den Mesonen
2 Überblick zur Teilchenphysik
6
mit ganzzahligem Spin.
Baryonen (von griech. βαρύς = schwer) sind wie der Name schon sagt, massereiche Teilchen. Zu
den Baryonen gehören die Nukleonen (Protonen und Neutronen), aber auch „exotischere“ Teilchen
wie die Lambda-, Sigma-, Xi- und Omega-Teilchen.
Hadronen sind streng genommen keine Elementarteilchen, da sie, wie wir später sehen werden, aus
anderen Teilchen, den Quarks, aufgebaut sind.
Leptonen: Leptonen (von griech. λπτ oς = leicht) sind Elementarteilchen, die der schwachen,
aber nicht der starken Wechselwirkung unterliegen. Sie sind mit der Ausnahme des Tauons alle
leichter als die Hadronen, daher auch der Name. Zu den Leptonen gehören auch die Neutrinos,
welche nach dem Standardmodell der Teilchenphysik als masselos angesehen wurden. Mittlerweile
gibt es jedoch experimentelle Resultate dafür, dass das Neutrino eine zwar sehr kleine, aber von
null verschiedene Masse hat5 .
Soweit wir wissen, können Leptonen wirklich als elementar aufgefasst werden in dem Sinne, dass
sie nicht aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind. In der untenstehenden Tabelle ist eine kurze
Übersicht zu den Hadronen und Leptonen gegeben.
Hadronen
Baryonen (Halbzahliger Spin)
Mesonen (Ganzzahliger Spin)
Elektron
e-Neutrino
Leptonen
Myon
µ-Neutrino
Tauon
τ -Neutrino
Tabelle 2: Übersicht über die Hadronen und Leptonen
2.6
Materie und Antimaterie
Wie im geschichtlichen Überblick erwähnt, wurde in den 1930er Jahren mit dem Positron das erste
Antiteilchen postuliert und später auch experimentell nachgewiesen.
Aus Symmetriegründen muss zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen existieren, welches in
Grössen wie Ladung (elektrische Ladung, Farbladung), magnetisches Moment, Baryonenzahl, Leptonenzahl usw. dem Teilchen entgegengesetzt ist. Andere Grössen hingegen, wie z.B. der Spin, die
Masse und die Lebensdauer, sind identisch.
Wirtschaftliche Nutzbarkeit der Antimaterie? Wenn ein Teilchen mit seinem Antiteilchen
in Berührung kommt, so löschen sie sich gegenseitig aus. Die Energie wird von zwei in entgegen gesetzter Richtung wegfliegenden Photonen weggetragen. Dieser Prozess wird Annihilation genannt.
Die Mengen an Energie, welche bei Annihilation freigesetzt werden, sind gigantisch. Könnte man
damit nicht vielleicht unser Energieproblem lösen? Dies ist aber aus verschiedenen Gründen nicht
möglich:
Zum einen kommt Antimaterie in dem uns bekannten Teil des Universums nicht natürlich vor, sondern muss in einem extrem energieaufwändigen Prozess hergestellt werden. Die Energie, welche für
die Produktion von Antimaterie in Beschleunigern aufgewendet werden muss, geht weit über das
5
Dies wird zum Beispiel beim „Opera“ Experiment in Italien untersucht. Dabei misst ein grosser unterirdischer
Detektor im Gran Sasso Massiv die vom CERN ausgesandten und durch die Erde „geflogenen“ Neutrinos. Damit soll
untersucht werden, ob sich die verschiedenen Neutrinoarten ineinander umwandeln können. Eine solche Umwandlung
ist ein Beweiss, dass Neutrinos tatsächlich eine von null verschiedene Masse haben.
2 Überblick zur Teilchenphysik
7
hinaus, was man durch die Annihilation dieser Teilchen nachher gewinnen könnte.
Des Weiteren ist es sehr schwierig, Antimaterie zu lagern und zu transportieren, da sie, sobald sie
mit der Umgebung in Berührung kommt, annihiliert. Zur Lagerung muss das Teilchen mit mehreren überlappenden Magnetfeldern in der Schwebe gehalten werden. Dies funktioniert nur bei
Antiteilchen, welche eine Ladung haben, wie dem Antiproton oder dem Positron, nicht aber beim
Antineutron.
Ferner ist es bis heute nicht möglich, eine größere Menge Antiprotonen zusammen einzufangen,
da diese sich durch ihre Wechselwirkung stark voneinander abstossen. Deshalb ist die Lösung des
globalen Energieproblems wohl nicht in der Antimaterie zu finden. Aus denselben Gründen wird es
in nächster Zeit auch keine „Antimateriebomben“ geben.
Forschern am CERN ist es 2011 gelungen, rund 300 Anti-Wasserstoffatome während knapp 20 Minuten in einer sogenannten magnetischen Falle zu fangen, was bis heute die grösste nachgewiesene
Menge an Antimaterie-Atomen gewesen ist, welche gleichzeitig eingefangen werden konnten.
Universen aus Antimaterie? Der für uns beobachtbare Teil des Universums besteht aus Materie. Es ist aber nicht undenkbar, dass andere Teile des Universums (oder andere Universen) aus
Antimaterie bestehen. Gäbe es ein Antimateriegebiet, so würde sich dieses in den Strukturen und
Eigenschaften nicht von dem unseren unterscheiden. An den Randgebieten müsste jedoch die enorme
Energiefreisetzung durch die Annihilation zu beobachten sein, was in Reichweite unserer Teleskope
jedoch nicht der Fall ist.
Antimaterie im frühen Universum: Eine interessante Frage ist, wie es überhaupt zur Entstehung von Materie im frühen Universum kam. Das Big-Bang-Modell der Kosmologie besagt, dass
das Universum in einem Punkt unendlich hoher Dichte und Temperatur begann. Die Energiedichte
in den ersten Sekunden und Minuten des Universums war derart hoch, dass Teilchen-Antiteilchen
Paare nach E = mc2 spontan entstehen konnten. Eigentlich würde man daher erwarten, dass Materie und Antimaterie in genau gleichen Mengen entstehen, welche dann später wieder annihilieren
würden. Dann wäre aber keine Materie mehr da, aus welcher Sterne und Galaxien entstehen könnten.
Weshalb gibt es trotzdem Materie? Die Erklärung dafür ist wahrscheinlich, dass es einen winzig
kleinen Überschuss an Materie gegenüber der Antimaterie gab. Auf eine Milliarde Antiteilchen kam
eine Milliarde und ein Teilchen. Und sämtliche Materie in unserem Universum kommt von diesem
Überschuss, von dem man noch nicht genau weiss, wie er entstanden ist. Eine Möglichkeit zur Erklärung ist die so genannte CP-Verletzung, welche im Kapitel über Erhaltungsgrössen erwähnt wurde.
2.7
Quarks
Quarks sind die elementaren Bestandteile, aus denen Hadronen aufgebaut sind. Sie tragen einen
Spin von 1/2 und sind damit Fermionen6 .
Baryonen bestehen aus drei Quarks, Mesonen jeweils aus einem Quark und einem Antiquark.
Es existieren 6 verschiedene Sorten (genannt „Flavours“) von Quarks: Up, Charm, Top und Down,
Strange und Bottom. Diese können, wie auch die Leptonen, in drei Familien eingeteilt werden.
6
Fermionen sind Teilchen, welche einen halbzahligen Spin besitzen. Sie gehorchen dem Pauli’schen Ausschlussprinzip, welches besagt, dass zwei Fermionen nicht gleichzeitig am gleichen Ort einen identischen Quantenzustand
annehmen können. Neben den Quarks gehören auch die Leptonen zu den Fermionen.
2 Überblick zur Teilchenphysik
8
Einem Quark wird zudem jeweils eine so genannte Farbladung zugewiesen. Die Farbladung gehört
zur starken Wechselwirkung, so wie die elektrische Ladung zur elektromagnetischen Wechselwirkung
gehört. Ein Quark kann die Farben rot, blau oder grün tragen. Die Antiquarks haben dann jeweils
die Farbladungen antirot, antiblau und antigrün. Die drei Farben zusammen addieren sich zu weiss
(farblos, null), ebenso die Gegenfarben zusammen.
Die Theorie der Quantenchromodynamik (quantenfeldtheoretische Beschreibung der starken Wechselwirkung) besagt, dass nur Teilchen, welche Farbladung null (weiss) haben, isoliert existieren
können. Diese Einschränkung wird „Quark confinement“ genannt. In der Tat hat man Quarks bis
jetzt nur in gebundenen (weissen) Zuständen, also in Hadronen, beobachtet.
2.8
Das Standardmodell
Das Standardmodell ist ein Modell aus der theoretischen Physik, welches die Teilchenphysik fast
vollständig beschreibt.
Wie man dem geschichtlichen Überblick entnehmen kann, spielen theoretische und experimentelle
Teilchenphysik oft auf die folgende Weise zusammen: Die theoretischen Physiker stellen ein neues
Modell auf. Dabei müssen eventuell neue Teilchen eingeführt werden, um fundamentale physikalische Gesetze (Erhaltungssätze etc.) nicht zu verletzen. Die Experimentalphysiker versuchen dann,
diese Teilchen nachzuweisen und damit die Theorie experimentell zu bestätigen.
1.Familie
2.Familie
3.Familie
Wechselwirkung
EICHBOSONEN
QUARKS
Ladung +2/3 Ladung -1/3
Up (u)
Down (d)
Charm (c)
Strange (s)
Top (t)
Bottom (b)
EM WW
Photon (γ)
Starke WW
Gluonen (g)
LEPTONEN
Ladung -1
Ladung 0
Elektron (e) e-Neutrino (νe )
Myon (µ)
µ-Neutrino (νµ )
Tauon (τ )
τ -Neutrino (ντ )
Schwache WW
Z-Boson (Z0 ) W-Bosonen (W+ , W− )
Higgs-Boson
Tabelle 3: Das Standardmodell: Alle Teilchen sind bereits experimentell nachgewiesen worden.
Sehr viele Voraussagen des Standardmodells sind experimentell bestätigt worden und es gilt als
eine gefestigte und allgemein anerkannte Theorie.
In der Tabelle sind sämtliche Elementarteilchen des Standardmodells aufgelistet. Sie lassen sich in
drei grosse Gruppen einteilen: Die Quarks, die Leptonen und die Trägerteilchen der vier Wechselwirkungen (Eichbosonen). Wie schon erwähnt enthält das Modell neben den Teilchen für jedes auch
noch ein Antiteilchen.
Sämtliche Teilchen des Standardmodells sind nachgewiesen worden. (Wir nehmen dabei an, dass
das 2012 am CERN entdeckte Boson tatsächlich das Higgs-Boson des Standardmodells ist. Bis jetzt
haben die Messungen seiner Eigenschaften nichts gegenteiliges gezeigt.)
2 Überblick zur Teilchenphysik
2.9
9
Das Higgs-Boson
Das Standardmodell ohne das Higgs-Boson verlangt, dass alle Teilchen masselos sind. Aus der experimentellen Physik (und aus Erfahrung) wissen wir jedoch, dass nicht alle Teilchen masselos sein
können. Zu diesem Problem gibt es eine sehr elegante Lösung, welche erstmals von Peter Higgs vorgeschlagen wurde. Er postulierte, dass ein Feld (das Higgs-Feld) existiert, welches alles durchdringt
und überall präsent ist. Die Teilchen erhalten nun ihre Masse durch die Wechselwirkung mit diesem
Higgs-Feld.
In der Quantenfeldtheorie gehören zu jedem Feld eines oder mehrere Trägerteilchen (zum Beispiel
ist das Photon das zum elektromagnetischen Feld gehörende Teilchen). Das Higgs-Boson ist das zum
Higgs-Feld gehörende Teilchen. Dessen Nachweis durch das CMS- und das ATLAS-Experiment am
CERN bedeutet eine weitere wichtige Bestätigung des Standardmodells und somit einen riesigen
Schritt in der Teilchenphysik.
2.9.1
Versuch einer anschaulichen Erklärung: „Cocktailparty à la Higgs“ 7
Folgende kleine Geschichte versucht, den Prozess, mit welchem die Teilchen ihre Masse gewinnen,
sowie das Higgs-Boson selbst, anschaulich zu erklären: Man stelle sich eine Cocktailparty der "Con-
(a) Die Gäste sind homogen im Raum verteilt.
(b) Die Ex-Premierministerin erreicht den Saal. Sie gewinnt an Masse, weil sie ständig einen Cluster an Partygästen um sich geschart hat, während sie sich durch den
Raum bewegt.
Abbildung 3: Cocktailparty-Analogie zur Erklärung des Higgs Feldes
servative Party"8 vor, wobei die einzelnen Personen regelmässig im Raum verteilt sind. Jeder unterhält sich jeweils mit seinen nächsten Nachbarn. Dann plötzlich betritt die Ex-Premierministerin
7
Der englische Forschungsminister William Waldegrave schrieb 1993 einen Wettbewerb aus: Er versprach demjenigen einen Preis, der es verstehe, auf einem einzigen DIN-A4-Blatt verständlich zu erklären, was das Higgs-Boson
sei. Der Minister erhielt 125 Einsendungen, den ersten Preis (eine Flasche Champagner) vergab er an den Londoner
Professor David Miller, welcher die Cocktail-Party Erklärung verfasst hatte. Die Originalfassung der Erklärung kann
zum Beispiel auf http://hep.physics.utoronto.ca/BerndStelzer/higgs/higgs3.html nachgelesen werden. ftnt
8
Im Folgenden wird klar werden weshalb es sich bei diesem Gedankenexperiment nicht um die "LabourParty"handeln kann...
2 Überblick zur Teilchenphysik
10
Thatcher den Raum.
Alle um sie herumstehenden Personen fühlen sich zu ihr hingezogen und bilden eine Ansammlung
um sie. Während sie sich durch den Raum bewegt, kommen neue Leute zu der Gruppe hinzu, wobei
andere wieder zu ihren Plätzen zurückkehren. Weil ständig ein Cluster von Leuten um sie herum
ist, hat Thatcher eine grössere Masse (siehe Abbildung 8 für eine Veranschaulichung).
Diese Überlegung lässt sich auf ein Feld übertragen, wobei der Cluster von Personen dann einer
Verdichtung der Feldlinien entspricht.
Das Higgs-Boson selbst kann man sich auf ähnliche Weise vorstellen (siehe Abbildung 4):
Man stelle sich wieder die gleiche Cocktailparty vor. Nun kommt jemand durch die Tür und stellt
ein Gerücht in den Raum. Diejenigen, welche am nächsten bei der Türe sind, erfahren es als Erste.
(a) Ein Gerücht erreicht den Saal.
(b) Die Neuigkeit breitet sich aus.
Abbildung 4: Cocktailparty-Analogie zur Erklärung des Higgs-Bosons
Sie drehen sich zu ihren Nachbarn, rücken näher zusammen und tauschen die Neuigkeit aus.
Dann beginnt sich ein kompakter Cluster oder Anregung durch den Raum zu bewegen um das
Gerücht zu verbreiten.
Wie oben erwähnt gehört in der Quantenfeldtheorie zu jedem Feld mindestens ein Teilchen. Das
Higgs-Boson entspricht dem Teilchen, welches zum Higgs-Feld gehört und kann als Anregung dieses
Feldes vorgestellt werden.
2 Überblick zur Teilchenphysik
2.10
11
Probleme des Standardmodells
Trotz der erfolgreichen Beschreibung von zahlreichen Phänomenen in der Teilchenphysik kann das
Standardmodell keine umfassende Theorie sein. Zahlreiche Phänomene können durch das Standardmodell nicht erklärt werden. So deckt es die Gravitation als vierte Grundkraft nicht ab und kann
auch kein Teilchen als Kandidaten für die Dunkle Materie9 liefern.
Deshalb muss das Standardmodells Teil einer
sein,sich
welche
Dasumfassenderer
Higgs-Boson Theorie
kann man
alsoAntworten
als einen auf
im Higgs-Feld
vorstellen.
solche Fragen liefert. Ein möglicher Kandidatsolchen
ist dieCluster
Supersymmetrie.
Diese
Theorie erweitert das
Spektrum an Elementarteilchen, indem es für jedes Boson im Standardmodell ein Fermion respektive für jedes Fermion ein Boson postuliert. Zudem würde auch nicht nur ein Higgs-Boson sondern
mindestens deren fünf existieren. Die Experimente am CERN versuchen – wie auch frühere Experimente – die von dieser Theorie postulierten Teilchen oder Effekte nachzuweisen. Zudem gibt
es zahlreiche Experimente ausserhalb des CERN, welche Effekte in der Teilchenphysik jenseits des
Standardmodells nachweisen wollen (z.B. der direkte Nachweis von Dunkler Materie mit Detektoren
im Gran Sasso Massiv).
VereinheitlichendeTheorien
Theorien
2.112.10
Vereinheitlichende
Allgemein
ist ein
Ziel der theoretischen
Physik
das Zusammenfügen
verschiedener
physikaEin grosses
Zielgrosses
der theoretischen
Physik ist das
Zusammenfügen
verschiedener
physikalischer
lischer
Theorien
einereinheitlichen
einheitlichenTheorie.
Theorie. Bis
Bis auf
auf die
allealle
WechTheorien
zu zu
einer
die Gravitation
Gravitation ist
istesesgelungen,
gelungen,
selwirkungen
als Quantenfeldtheorien
zu formulieren
(siehe Tabelle
in Abbildung 5).
Wechselwirkungen
als Quantenfeldtheorien
zu formulieren
(siehe Tabelle).
möglicher
Kandidat
Theory
Everythingwäre
wärediedie
Superstring-Theorie. Auch
Auch hinsichthinEin Ein
möglicher
Kandidat
fürfür
diedie
Theory
of of
Everything
Superstring-Theorie.
sichtlich
dieser
Theorie
erhofft
man
sich
Hinweise
von
den
Experimenten
im
neuen
LHC
am
lich dieser Theorie erhofft man sich Hinweise von den Experimenten im neuen LHC am CERN.
CERN.
Elektrostatik
Magnetostatik
Elektromagnetische WW
Quantenelektrodynamik
Elektroschwache WW
Starke WW
Schwache
WW
Quantenchromodynamik
Grosse Vereinheitlichte Theorie (GUT)
Gravitation
Allgemeine Relativitätstheorie
Quantengravitation / „Weltformel“ / Theory of Everything (TOE)
Abbildung 5: Tabelle mit einer Übersicht zu den verschiedenen Theorien. Es gelang bisher noch nicht, alle
Kräfte in einer Theory of Everthing (TOE) zu vereinigen.
9
Zahlreiche astrophysikalische Beobachtungen haben gezeigt, dass nur 4 % der Materie und Energie im Universum
in einer uns bekannten Form (z.B. Atome, elektromagnetische Strahlung) vorliegt. Rund 23 % liegen in Form von
Dunkler Materie und die restlichen 73 % in Form von Dunkler Energie vor, von welchen beiden wir die genauen
Eigenschaften nicht kennen.
3 Teilchenbeschleuniger
3
3.1
12
Teilchenbeschleuniger
Funktionsweise
In einem Teilchenbeschleuniger werden geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen. . . ) mit elektrischen Feldern sehr stark beschleunigt. Sie erreichen dadurch Geschwindigkeiten, die sehr nahe an
der Lichtgeschwindigkeit, der theoretisch maximal möglichen Geschwindigkeit, liegen. Die Teilchen
haben also eine sehr hohe Bewegungsenergie, die weit über ihrer Ruheenergie liegt. Magnetfelder
halten die Teilchen genau auf ihren Bahnen. Die relevante Kraft für diese Prozesse ist die Lorentzkraft (elektromagnetische Kraft).
Mit diesen hochenergetischen Teilchen kann man die fundamentalen Wechselwirkungen der Materie,
die sich zum Teil erst bei sehr grossen Energien offenbaren, untersuchen und winzige Strukturen
auflösen. Einen Teilchenbeschleuniger könnte man also vereinfacht als riesiges Mikroskop ansehen.
Grob gesehen gibt es zwei Arten von Collidern. Die einen schiessen die beschleunigten Teilchen
auf ein stationäres Ziel (das Target), die anderen lassen zwei gegenläufig beschleunigte Teilchen
kollidieren. Der Nachteil der ersten Methode ist, dass ein Teil der Energie als Bewegungsenergie
erhalten bleibt, da die Teilchen nach dem Stoss gemäss Impulserhaltung einen Gesamtimpuls haben
und „weiterfliegen“.
Bei solchen Zusammenstössen werden aufgrund der hohen Energien oft andere neue Teilchen erzeugt.
Mit verschiedenen Teilchendetektoren kann man dann die Kollisionsprodukte nachweisen und den
ganzen Prozess rekonstruieren.
Weiter gibt es verschiedene Arten von Teilchenbeschleunigern. Beispiele sind der normale Linearbeschleuniger, der Van-de-Graaff-Beschleuniger, oder Zyklo- oder Synchrotron.
Sie unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise und im Aufbau (z.B. Linearbeschleuniger oder Ringbeschleuniger). Beim Synchrotron wird ein synchronisiertes hochfrequentes elektrisches Feld zur
Beschleunigung verwendet. Die Magnetfelder werden abhängig von der erreichten Energie des Teilchens nachgeregelt.
3.2
Einige Anwendungsbeispiele von Teilchenbeschleunigern
Teilchen- oder Hochenergiephysik: Die ersten Teilchenbeschleuniger wurden für die physikalische Erforschung der Materie konstruiert und gebaut. Sie bildet auch heute noch ein Hauptanwendungsgebiet. Die grössten existierenden Beschleuniger dienen noch immer diesem Zweck. Erst
später kamen dann weitere Anwendungen, wie zum Beispiel in der Medizin, hinzu.
Beschleuniger-Massenspektrometrie: Auch in der Massenspektrometrie kommen Teilchenbeschleuniger zur Anwendung. Bei der Massenspektrometrie geht es darum, das Verhältnis von
Ladung zu Masse (q/m) eines Teilchens zu bestimmen. Es können auch Aussagen über Vorhandensein und Menge von Teilchen mit gegebenem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis gemacht werden.
Die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) wird zur Datierung von Proben verwendet. Dabei
wird das Verhältnis eines (Radio-)Isotops (meistens 14 C) zu einem anderen (stabilen) Isotop und
dadurch das ungefähre Alter bestimmt.
Anwendungen in der Medizin: Die Teilchenphysik hat viele Anwendungen in der Medizin.
Ein in der Krebsdiagnostik wichtiges bildgebendes Verfahren ist die Positron-Emissions-Tomographie
3 Teilchenbeschleuniger
13
(PET). Dabei wird ein Positronemitter (meist Fluor-18) an eine Substanz gebunden, welche sich
bevorzugt in malignem Gewebe anreichert. Dieser Tracer emittiert Positronen, welche, sobald sie auf
ein Elektron treffen, annihilieren und zwei Photonen erzeugen. Die beiden ausgesandten Photonen
werden mit einem Detektorring gemessen. Damit kann man die Verteilung des Tracers im Körper
graphisch darstellen.
Die in der PET verwendeten Tracer müssen mit Teilchenbeschleunigern hergestellt werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der Teilchenphysik in der Medizin ist die Strahlentherapie. Dabei
werden Krebszellen duch Deposition von Energie durch Strahlung sterilisiert (getötet). Verwendet
werden dabei verschiedene Arten von Strahlung, von Gamma- und Röntgenstrahlung über Elektronenstrahlung bis zu Ionenstrahlung. Die Strahlungen unterscheiden sich z.B. in ihren Eindringtiefen
in Materie. Je nach Anwendungsbereich werden also andere Strahlen eingesetzt.
Weit verbreitet ist die „klassische Strahlentherapie“, in welcher der Tumor mit hochenergetischen
Photonen bestrahlt wird. Diese werden in einem Linearbeschleuniger (Beschleunigung von Elektronen) hergestellt. Aber auch weitere Teilchen haben zur Bestrahlung geeignete Eigenschaften (z.B.
Protonen, Neutronen und schwere Ionen). Diese Methoden sind sehr viel versprechend, sind aber
noch nicht weit verbreitet, unter anderem da man zur Beschleunigung dieser relativ schweren Teilchen Zyklotrone oder Synchrotrone benötigt, welche deutlich grösser und aufwändiger zu betreiben
sind.
3.3
Beispiele
Teilchenbeschleuniger gibt es an vielen Orten auf der Welt. Sie sind natürlich Kernstücke der grossen
Kernforschungszentren wie dem CERN, dem Fermilab (USA) oder dem DESY (Deutschland). Weiter besitzen viele grössere naturwissenschaftliche Universitäten eigene kleine Teilchenbeschleuniger.
LHC und LEP: Der LEP (Large Electron-Positron Collider) mit einem Speicherringumfang
von 27 km untersuchte Kollisionen zwischen Elektronen und Positronen mit Strahlungsenergien
zwischen 45 GeV10 und 104.5 GeV. Die Experimente begannen in Jahre 1989 und dauerten bis
November 2000. Danach wurde der Beschleuniger abgebaut, da für seinen Nachfolger, den LHC, der
gleiche Tunnel verwendet wird. Der LEP ermöglichte präzise Messungen verschiedener Grössen im
Standardmodell.
Da der LHC (Large Hadron Collider) im Moment sowohl in der Fachwelt als auch in der breiten
Öffentlichkeit grosses Aufsehen erregt, wird er hier etwas genauer beschrieben.
Der LHC ist der momentan grösste Teilchenbeschleuniger am CERN. Die budgetierten Kosten belaufen sich auf knapp fünf Milliarden Franken. Er liegt etwa 100 m unter der Erde im 27 km langen
Tunnel, der für den LEP gebaut wurde.
Der LHC wird vor allem Proton-Proton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergien von 14 TeV (14
Billionen Elektronvolt) oder Strahlenenergien von 7 TeV möglich machen. In seinen ersten drei
Betriebsjahren betrug die maximale Schwerpunktsenergie 8 TeV. Zum Vergleich: Der bisher grösste Beschleuniger am amerikanischen Fermilab brachte es „nur“ auf eine Schwerpunktsenergie von
1.96 TeV. Jeder der beiden kollidierenden Strahlen enthält etwa 3000 Pakete mit hundert Milliarden
Teilchen. Um diese Teilchen nicht zu stören, herrscht in der Kreisröhre das wahrscheinlich grösste
10
1 eV = 1 Elektronvolt = 1.602 · 10−19 J. 1MeV = 106 eV. 1 GeV = 109 eV. 1 TeV = 1012 eV.
3 Teilchenbeschleuniger
14
Abbildung Vue
6: Schematische
und Experimente am CERN
schématique des Zeichnung
accélérateurs der
et desBeschleuniger
expériences du CERN.
künstliche Vakuum. Einige dieser Teilchen kommen so zur Kollision, dass sie gemäss Einsteins berühmter Formel E = mc2 in Energie umgewandelt werden, aus der dann andere Teilchen entstehen,
welche aber meist sehr schnell wieder in bekannte Teilchen zerfallen.
Der LHC beinhaltet unter anderem die Grossexperimente ATLAS (AToroidal LHC ApparatuS)
und CMS (Compact Muon Solenoid). Dies sind zwei Mehrzweckexperimente, die unter Verwendung
anderer physikalischer Ansätze ähnliche Fragestellungen untersuchen. An beiden Experimenten sind
je gut 2000 Forscher beteiligt. Man hofft, damit neue Elementarteilchen, insbesondere supersymmetrische Teilchen, nachzuweisen. Supersymmetrische Teilchen wären wie oben erwähnt ein Anzeichen
für die Richtigkeit grosser Vereinheitlichter Theorien und Superstringtheorien. Mit der Entdeckung
eines neuen Bosons, welche bisher alle Eigenschaften des Higgs-Bosons erfüllt, haben die beiden
Experimente schon ein erstes grosses Ziel erreicht.
Weiter möchte man Leptonen und Quarks auf eine mögliche Substruktur hin untersuchen. Dies
würde dann auch Hinweise auf mögliche weitere unentdeckte Teilchen geben.
Am LHC sind auch Schwerionenkollisionen mit Strahlenergien bis zu 1.38 TeV geplant (ALICE (A
Large Ion Collider Experiment) Experiment, aber auch CMS und ATLAS). Mit 1000 Mitarbeitern
alleine für dieses Experiment ist ALICE eines der grossen Einzelexperimente. Ziel von ALICE ist
3 Teilchenbeschleuniger
15
die Erzeugung eines Quark-Gluon-Plasmas und damit die experimentelle Erzeugung eines Zustandes der Materie, wie er unmittelbar nach dem Urknall herrschte.
Das vierte grössere Experiment am LHC ist das LHCb-Experiment mit rund 800 Mitarbeitern. Das
Ziel dieses Experiments ist primäre die Untersuchung von Hadronen, welche bottom oder charm
Quarks enthalten. Physikalische Grössen im Zusammenhang mit diesen Teilchen (z.B. die Häufigkeit von Zerfällen) könnten Hinweise auf Elementarteilchen ausserhalb des Standardmodells liefern.
Weitere Experimente am LHC sind TOTEM, MoEDAL und LHCf.
Der Bau eines solchen Grossbeschleunigers ist mit sehr grossen Herausforderungen verbunden. Aus
technischer Sicht bereiteten vor allem die sehr grossen Magnetfelder Probleme. Um diese Magnetfelder zu erzeugen, werden supraleitende Strukturen11 verwendet. Dazu ist eine Betriebstemperatur
von -271 ◦ C (etwa ein Grad kälter als im Weltall) notwendig. Dies ist eine grosse technische Herausforderung. Zum Beispiel schrumpfte das drei Kilometer lange Teststück beim Abkühlungstest um
ganze 10 m!
Abbildung 7: Foto vom Innern des LHC Tunnels am CERN
Tevatron: Das Tevatron ist ein Ringbeschleuniger am Fermilab in der Nähe von Chicago (USA).
Er war zwischen 1983 und 2011 in Betrieb und war vor der Fertigstellung des LHC der grösste Teilchenbeschleuniger der Welt gemessen an der erreichten Schwerpunktsenergie. Der Speicherring hat
einen Umfang von 6.3 km und untersuchte Proton-Antiproton-Kollisionen. Die Strahlenenergie betrug knapp 1 TeV.
HERA: HERA (Hadron-Elektron-Ringanlage) ist ein weiterer Ringbeschleuniger am DESY
(Deutsches Elektronen Synchrotron) in Hamburg mit einem Umfang von 6.3 km. Er untersuchte
11
Strukturen, die keinen elektrischen Widerstand haben.
3 Teilchenbeschleuniger
16
Abbildung 8: Auf- und Einbau eines Teilstücks des CMS am CERN
zwischen 1992 und Sommer 2007 Kollisionen von Protonen mit Elektronen oder Positronen. Die
Strahlenenergien waren 28 GeV der Elektronen und 820-920 GeV für die schwereren Protonen.
Abbildung 9: Fermilab in der Nähe von Chicago (mit Tevatron)
4 Über den CERN
4
4.1
17
Über den CERN
Facts zum CERN
Der CERN (früher: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, heute: Organisation Européenne
pour la Recherche Nucléaire), die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eines der grössten
Zentren für physikalische Grundlagenforschung der Welt. Der CERN wurde 1954 gegründet und hat
seinen Sitz an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich bei Genf. Seine Mission wurde im
Zuge der Gründung in einer Konvention festgehalten:
“The Organization shall provide for collaboration among European States in nuclear research of a pure scientific and fundamental character. The Organization shall have no
concern with work for military requirements and the results of its experimental and theoretical work shall be published or otherwise made generally available”.
Derzeit zählt der CERN rund 20 Mitgliedsländer (Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland,
Finnland, Frankreich, Griechenland, Grossbritannien, Italien, Niederlande, Norwegen, Österreich,
Polen, Portugal, Slowakei, Spanien, Schweden, Schweiz, Tschechische Republik und Ungarn). Daneben existieren Länder mit Beobachterstatus und Nichtmitglieder, die aber ebenfalls an den CERNProgrammen beteiligt sein können. Der CERN selbst beschäftigt rund 2500 Mitarbeiter und sein
Budget belief sich 2007 auf etwa 1,3 Milliarden CHF.
Es arbeiten jedoch viele Wissenschafter und Ingenieure an Projekten des CERN, welche nicht vom
CERN selbst, sondern von Universitäten beschäftigt werden. Auch werden viele Investitionen für
den Bau der Experimente von Drittinstituten getätigt. Diese beiden Beiträge sind in obigen Zahlen
also nicht enthalten.
Bekannt ist der CERN vor allem für seine Experimente mit Hilfe der Teilchenbeschleuniger. Mit
ihnen wird die Zusammensetzung der Materie erforscht, indem Teilchen sehr stark beschleunigt und
dann zur Kollision gebracht werden. Mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Teilchendetektoren
werden dann die Flugbahnen der in den Kollisionen entstehenden Teilchen rekonstruiert. Daraus
lassen sich dann die Eigenschaften der kollidierten und neu entstandenen Teilchen bestimmen.
4.2
Geschichte und Highlights des CERN
Nach Ende des Zweiten Weltkrieges verfolgten einige Wissenschaftler die Idee, ein europäisches
Teilchenphysiklabor ins Leben zu rufen, um in Europa wiederum Wissenschaft von Weltklasse zu
ermöglichen. 1951 wurde an einem UNESCO-Treffen in Paris diesbezüglich die erste Resolution
verabschiedet, 1952 Genf als künftiger Standort des Labors bestimmt und bis 1954 nach und nach
die CERN-Konvention von seinen zwölf Gründerstaaten ratifiziert: Belgien, die BRD, Dänemark,
Frankreich, Griechenland, Grossbritannien, Holland, Italien, das ehemalige Jugoslawien, Norwegen,
Schweden und die Schweiz.
Der CERN hat seither immer wieder für Schlagzeilen gesorgt:
1957 wurde sein erster Beschleuniger (der „600 MeV Synchrocyclotron“, kurz SC) in Betrieb genommen, welcher „Beams“ für die ersten Teilchen- und Nuklearphysikexperimente des CERN lieferte.
1959 besass der CERN mit seinem neuen „Proton Synchrotron“ (PS), welcher – wie sein Name
verlauten lässt – Protonen beschleunigt, für kurze Zeit den Teilchenbeschleuniger mit der weltweit
höchsten Teilchenenergie. Der Betriebsbeginn der „Intersecting Storage Rings“ (ISR) im Jahre 1971
4 Über den CERN
18
bedeutete gleichzeitig die Ermöglichung der (wiederum weltweit) erstmaligen Protonenkollision, bei
welcher zwei grosse Protonenstrahlen erzeugt und dann zur Kollision gebracht werden.
1988 wurde nach drei Jahren Bauzeit der 27 km lange Tunnel des „Large Electron-Positron Collider
(LEP) fertiggestellt – Europas grösstes Bauingenieurprojekt vor dem Tunnel unter dem Ärmelkanal.
Der LEP war von 1989 bis zum Jahre 2000 in Betrieb, als man entschied, Platz für die Konstruktion des LHC im selben Tunnel zu schaffen. Der LEP war und ist der grösste je gebaute ElektronPositron-Beschleuniger. Er wurde für die genaue Untersuchung der Trägerteilchen der schwachen
Wechselwirkung genutzt, welche Mitte der 1980er-Jahren am „Super Proton Synchrotron“ (SPS)
des CERN entdeckt worden waren.
Abbildung 10: Computersimulation einer Teilchenkollision, wie sie am LHC untersucht werden wird. Alle
Linien sind Bahnen von Teilchen.
Nach anfänglicher Panne hat der „Large Hadron Collider“ (LHC) seinen regulären Betrieb Ende
2009 aufgenommen und am 30. März 2010 fanden erste Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie
von 7 TeV statt. Im Jahr 2012 wurde die Schwerpunktsenergie auf 8 TeV erhöht und am 4. Juli
2012 gaben die Forschungsgruppen des ATLAS- und des CMS-Experiments die Entdeckung eines
neuen Elementarteilchens, welches mit grösster Wahrscheinlichkeit das Higgs-Boson sei, bekannt.
Seit Frühjahr 2013 befindet sich der LHC und seine Experimente in ihrer ersten grösseren Revision. Dabei will man einerseits den Beschleuniger für eine höhere Schwerpunktsenergie von bis zu
maximalen 14 TeV vorbereiten. Daneben werden jedoch auch Arbeiten an den Experimenten vorgenommen, um deren Präzision in der Vermessung der Teilchenkollisionen zu erhöhen. Gleichzeitig
geht jedoch die Auswertung der bisher gesammelten Daten unvermindert weiter.
Weitere Fragen neben der Existenz des Higgs-Bosons, auf welche man mit Daten vom LHC eine
Antwort zu finden hofft sind u.a.: Woraus bestehen die 96% des Universums, die unsichtbar sind?
Warum „bevorzugt“ die Natur Materie vor Antimaterie? Oder gibt es tatsächlich nur drei Familien
von Quarks und Leptonen?
4 Über den CERN
19
In der nunmehr etwas über 50-jährigen Geschichte des CERN wurden fünf Nobelpreise an seine wissenschaftlichen Mitarbeiter vergeben, unter anderen an Carlo Rubbia und Simon Van der
Meer (1984) für ihre Beiträge, die zur Entdeckung der W- und Z-Teilchen führten, welche die elektroschwache Theorie des Standardmodells bestätigten, und an Georges Charpak (1992) für seine
Erfindungen und Entwicklungen von Teilchendetektoren, insbesondere der „multiwire proportional
chamber“.
Aus unserem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken ist zudem die Verwirklichung der Idee von
Tim Berners-Lee, welcher durch die Verbindung von „hypertext“, Internet und PCs ein einziges Informationsnetzwerk für die CERN-Physiker schaffen wollte, um die computergespeicherten Daten
für alle im Labor zugänglich zu machen. Zu diesem Zweck erfand er das WorldWideWeb (1990).
Forschungshighlights des CERN umfassen unter anderem die Forschung auf dem Gebiet der
Antimaterie, Innovationen in der Beschleunigerphysik und der Nachweis vieler der vom Standardmodell vorhergesagten Teilchen:
Antimaterie: Ein Atom Antiwasserstoff besteht aus einem Antiproton und einem Positron. Die
ersten Antiwasserstoffatome konnten 1995 am PS210 am CERN künstlich hergestellt werden. Die
Antimaterie konnte jedoch damals noch nicht für Experimente genutzt werden, da sie nur etwa ein
40 Milliardstel einer Sekunde existierte. Neuere Experimente führten dann zur ersten kontrollierten
Produktion grösserer Mengen von niederenergetischem Antiwasserstoff im Jahr 2002.
Proton-Proton-Kollisionen: Am Anfang wurde in Experimenten oft ein Teilchenstrahl auf ein
stationäres Ziel geschossen. Im Jahre 1971 wurde dann die erste erfolgreiche Proton-Proton-Kollision
mit zwei beschleunigten Strahlen durchgeführt, im Jahre 1981 folgten die ersten Proton-AntiprotonKollisionen. Diese Experimente ebneten den Weg für einige Nobelpreise.
Nachweis der Z- und W-Bosonen: Ein wichtiger Moment für die Teilchenphysik war die Entdeckung der W- und Z-Bosonen, welche die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung weiter
stärken konnte. Um diese schweren Teilchen messen zu können, musste eine neue Beschleunigergeneration entwickelt werden. Simon van der Meer und Carlo Rubbia wurden für ihre Leistungen mit
dem Nobelpreis geehrt.
Dies sind nur einige wenige Beispiele der vielen wissenschaftlichen und technischen Errungenschaften, die aus dem CERN hervorgegangen sind.