Der Kosmos im Crashtest E-Book

Jon Butterworth

• Herausgeber: Franckh-Kosmos Verlags-Gmbh & Co. KG
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2015

Seitenzahl: 473

Beschreibung

Die Entdeckung des Higgs-Bosons hat rund um die Welt für Schlagzeilen gesorgt. Doch um was genau handelt es sich bei diesem "Gottesteilchen", und wie hat man nach ihm gefahndet? Jon Butterworth kann diese Fragen aus erster Hand beantworten. Er ist einer der führenden Physiker am CERN und berichtet hautnah über die beeindruckende Technik des Beschleunigers und die Suche nach einer Ordnung im Chaos der Teilchentrümmer. Für den Autor war die Jagd nach dem Higgs das größte Abenteuer seines Lebens. Sein Insiderbericht ist eine rasante Fahrt in die Welt der Naturgesetze bis zur Grenze unseres Wissens.

Leseprobe

Dieses E-Book ist die digitale Umsetzung der Printausgabe, die unter demselben Titel bei KOSMOS erschienen ist. Da es bei E-Books aufgrund der variablen Leseeinstellungen keine Seitenzahlen gibt, können Seitenverweise der Printausgabe hier nicht verwendet werden. Stattdessen können Sie über die integrierte Volltextsuche alle Querverweise und inhaltlichen Bezüge schnell komfortabel herstellen.

Für Susanna, Leon, Felix und Edie

»Eine Wissenschaft ist jede Disziplin, in der ein Narr dieser Generation den Punkt überschreiten kann, den ein Genie der letzten Generation erreichte.« Max Gluckman

Vorwort

Vorwort

Im Genfer Vorort Meyrin gibt es ein Kebab-Bistro mit sechs Billardtischen. Anfang Juli 2012 spielte ich dort Billard mit Tom Clarke, dem Wissenschaftskorrespondenten der Channel 4 News. So versuchte ich, ihm und seinen Zuschauern die Bedeutung der Entdeckung zu erklären, die wir gerade am Large Hadron Collider gemacht hatten.

Ich finde diesen letzten Satz immer noch erstaunlich – sowohl die Entdeckung als auch das gewaltige öffentliche Interesse, das durch die Tatsache unterstrichen wurde, dass Tom, neben vielen anderen Journalisten, für einen Tag hierher gekommen war, um mit zig Physikern zu sprechen. Sein Bericht war der Aufmacher der Nachrichtensendung am 4. Juli.

Die von uns an diesem Tag verkündete Entdeckung war ein gewaltiger Schritt für die Physik. Das öffentliche Interesse war ein wesentlicher Meilenstein in der zunehmenden Beschäftigung der Menschen mit der Wissenschaft, die Teil unserer Zivilisation ist. Ich meine tatsächlich die Wissenschaft, nicht nur die Technik, sondern den wissenschaftlichen Prozess – und damit auch die Frage, bis zu welchem Grade er selbstkorrigierend ist und was wissenschaftliche Gewissheit begründet (sehr wenig!) sowie wissenschaftliche Erkenntnis (sehr viel!).

Meyrin ist in diesem Zusammenhang wichtig, weil das CERN, das europäische Teilchenphysiklabor, nur fünf Minuten von hier entfernt ist. Das alte Meyrin ist ziemlich hübsch, aber in dem Viertel, in dem Tom und ich uns befanden, gibt es nur eine Reihe von Wohnblöcken, die überall sonst auf der Welt ein nach Urin stinkender, graffitiverschmierter Betondschungel wären. Aber da wir in der Schweiz sind (gerade noch – um ungefähr hundert Meter), ist es ein sauberer, ordentlicher Betondschungel. Hier wohnen auch viele der Wissenschaftler, die am CERN arbeiten.

Ich arbeite am University College in London (UCL); wie viele andere Teilchenphysiker in der Welt, forsche ich jedoch größtenteils am CERN. Das UCL-Gästehaus steht in Meyrin, und meine Kollegen und ich verbringen hier eine Menge Zeit. Von Oktober 2010 bis Oktober 2012, zwei Jahre lang also, leitete ich eine Arbeitsgruppe am ATLAS-Experiment des CERN. In dieser Phase erhielten wir die erste Flut an Hochenergiedaten, und ich war mehr oder weniger jede Woche vor Ort.

Dieses Buch ist kein Physiklehrbuch, kein Bericht von der Entdeckung des Higgs-Bosons, kein Tagebuch und kein Versuch eines intensiveren Austauschs zwischen Wissenschaftlern und der Öffentlichkeit. Trotzdem enthält es Elemente von all diesen Dingen. Sie werden bei der Lektüre viel über Teilchenphysik erfahren und darüber, was es heißt, Teilchenphysiker zu sein. Sie werden erfahren, wie Wissenschaft funktioniert (und gelegentlich auch nicht) und wie Forschung manchmal kämpfen muss, um erfolgreich zu sein und zu bestehen. Und Sie erfahren etwas über die Menschen, die dies alles tun, inklusive einiger meiner Sichtweisen. Ich hoffe, das Buch erklärt auch, warum Tom Clarke und ein Großteil der weltweiten Presse im Juli 2012 nach Meyrin kamen.

Um dies zu erreichen, muss ich Ihnen jedoch einige Informationen vermitteln, die miteinander zusammenhängen, Ihnen aber womöglich nicht vertraut sind. Einige werden bei ihrem ersten Auftauchen wenig relevant wirken, so wie einzelne Puzzleteile, aber wenn Sie sie beim Lesen aufsammeln, werden sie sich hoffentlich zunehmend ergänzen, so dass am Ende das vollständige Bild erscheint. Und wenn es mir gelingt, werden Sie Spaß haben, während Sie der Geschichte folgen und die Stücke aufsammeln – und eine gewisse Aufregung verspüren. Denn Spaß und Aufregung sind die beiden Eindrücke, die meine Erinnerung an die erste Messkampagne der größten wissenschaftlichen Maschine prägen, die bisher jemals gebaut wurde: des Large Hadron Colliders.

KAPITEL 1: Vor den Messungen

KAPITEL 1Vor den Messungen

Warum so groß?

Der Large Hadron Collider (LHC) befindet sich etwa hundert Meter unter der Erde in einem 27 Kilometer langen Tunnel. Falls Sie London kennen: 27 Kilometer sind etwa so lang wie die Circle Line der U-Bahn, und der Tunnel selbst hat eine ähnliche Größe wie die Northern Line. Wenn Ihnen das nicht weiterhilft, stellen Sie sich Folgendes vor:

Sie fahren in Meyrin, nahe der schweizerisch-französischen Grenze, am dort gelegenen Genfer Flughafen Richtung Frankreich los. Das Juragebirge liegt vor Ihnen, der Flughafen hinter Ihnen. Wenn Sie die Landesgrenze überqueren, fahren Sie links am Hauptgelände des CERN vorbei, und wenn Sie nach rechts schauen, sehen Sie eine große Holzkugel, die wie ein Öko-Kernkraftwerk aussieht (was sie aber nicht ist, sie ist ein Ausstellungsraum, offenbar wenigstens ein umweltfreundlicher). Dann könnten Sie einen Blick auf das Kontrollgebäude des ATLAS-Experiments werfen. Wenn Sie es sehen, werden Sie es sofort erkennen, weil es ein Bild des ATLAS-Detektors an der Außenwand trägt.

Das Wandbild ist sehr groß, es wurde aber tatsächlich um einen Faktor drei verkleinert gemalt. ATLAS ist riesig, liegt jedoch unter der Oberfläche versteckt. Der Detektor befindet sich an einem der Kreuzungspunkte des LHC. An solchen Stellen stoßen die weltweit hochenergetischsten Teilchenstrahlen frontal zusammen. ATLAS ist einer der zwei großen Allzweckteilchendetektoren, die diese Kollisionen messen.

Fahren Sie weiter. Vielleicht stellen Sie sich einfach einen kleinen, weißen Van vor, der seitlich das CERN-Logo trägt. Sie kommen jetzt durch das Dorf Saint-Genis-Pouilly und erreichen das Pays de Gex, am Fuße des Jura. Jetzt umgibt Sie der LHC vollständig. Im Winter wären die Lifte von Crozet in Betrieb, einem kleinen Skiressort im Jura. (Der Mont Blanc liegt hinter Ihnen am Horizont, aber achten Sie lieber auf die Straße.) Fahren Sie weiter und halten Sie sich nun nach rechts Richtung Gex. Vielleicht kommen Sie durch die Dörfer Pregnin, Véraz und Brétigny. Nach etwa 25 Minuten Fahrt durch diese französische Landschaft – oder länger, wenn Sie den Traktor vor Ihnen nicht überholen können – werden Sie das Dorf Cessy bei Gex erreichen. Hier werden Sie auf den Schachteingang stoßen, der hinunter zu CMS führt, dem anderen großen Allzweckdetektor am LHC-Ring.

Die Experimente ATLAS und CMS sind Konkurrenten, von verschiedenen Kollaborationen aus Physikern unterschiedlich konzipiert. Aber beide haben dasselbe Ziel: Sie wollen so gut wie möglich die Teilchen messen, die beim Zusammenstoß von Protonen im LHC entstehen. Die beiden Detektoren wurden absichtlich unterschiedlich entworfen, damit sie die Beobachtungen des jeweils anderen unabhängig voneinander überprüfen und miteinander wetteifern können, möglichst schnell die besten Ergebnisse zu erzielen.

Während Ihrer ganzen Fahrt von ATLAS zu CMS haben Sie sich innerhalb des Ringumfangs des weltweit größten physikalischen Experiments befunden. Sie haben den Ring an der Landesgrenze beim Vorbeifahren an ATLAS »betreten« und nun den gegenüberliegenden Rand erreicht.

Der LHC ist so gebaut worden, dass in seinem Inneren subatomare Partikel mit den höchsten Energien aufeinanderprallen, die jemals in einem Teilchenbeschleuniger erzielt wurden. Man beabsichtigt, auf diese Weise die Struktur des Universums auf den kleinstmöglichen Skalen zu untersuchen, was aus später zu erläuternden Gründen die höchsten möglichen Energien erfordert. Angesichts der sehr kleinen Dinge, die das Experiment erforschen soll, mag es überraschen, dass es so groß ist. Der Bau eines langen Tunnels ist sehr teuer, warum tut es also kein kürzerer?

In der Tat ist es die Länge des Tunnels, die die Energie der zusammenstoßenden Teilchenstrahlen beschränkt. Will man kleine Dinge untersuchen, braucht man zwingend hohe Energien. Warum der LHC so groß sein muss, kann man mit Alltagsphysik verstehen.

Teilchen bewegen sich entlang einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit, solange keine Kraft auf sie einwirkt. Das ist eines von Newtons Gesetzen zur Bewegung. Im Alltag ist das nicht völlig offensichtlich (dass Newton es herausfand, war daher recht schlau), aber wenn man sich dieses Gesetzes bewusst ist, erkennt man leicht seine Wirkung. Es wird normalerweise nicht sofort deutlich, weil auf der Erde praktisch alles, was sich bewegt, Kräften durch Reibung und durch den Luftwiderstand ausgesetzt ist und alles der Schwerkraft unterliegt. Deshalb kommt eine rollende Kugel irgendwann zur Ruhe. Reibung und Luftwiderstand bremsen sie ab. Und wenn Sie einen Ball in die Luft werfen, wird die Schwerkraft ihn abbremsen und schließlich zurückholen.

Aber wenn die Reibung oder die Schwerkraft vernachlässigbar sind, werden die Verhältnisse klarer. Wenn Sie ein schnelles Auto fahren, oder selbst einen CERN-Van, müssen Sie zweifellos eine Kraft aufwenden, um ihn abzubremsen. Wollen Sie, um im Bild des LHC zu bleiben, die Richtung ändern, klappt das mit hoher Geschwindigkeit nur, wenn es genügend Reibung zwischen den Reifen des Vans und der Straße gibt. Ansonsten kommen Sie ins Schleudern.

Fahrer und Mitfahrer nehmen die Fahrt durch eine Kurve als eine Art »Pseudokraft« wahr. Der Van durchfährt die Kurve, Ihr Körper will sich jedoch auf einer geraden Linie weiterbewegen. Für Sie fühlt es sich so an, als ob Sie an die Seite des Vans gedrückt würden. In unserem physikalischen Verständnis ist es aber passender zu sagen, dass die Van-Seite gegen Ihren Körper drückt, um ihn zur Richtungsänderung zu zwingen und gemeinsam mit dem Fahrzeug durch die Kurve zu fahren.

Die Kombination aus Tempo und Richtung heißt Geschwindigkeit. Und wenn Sie die Geschwindigkeit mit der Masse des Objekts (des Vans zum Beispiel oder des Passagiers) vereinen, erhalten Sie den Impuls. Je größer die Masse oder die Geschwindigkeit, desto größer ist der Impuls. Und wenn Sie den Impuls von etwas ändern wollen, müssen Sie eine Kraft aufwenden.

Ich lasse es absichtlich etwas im Ungenauen, wie sich Geschwindigkeit und Masse zum Impuls vereinen. Bei Geschwindigkeiten weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit reicht es, zu multiplizieren – Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit. Wenn Sie eine Physikstunde in der Schule besuchen, ist das vermutlich die richtige Antwort. Aber der exakte Zusammenhang ist komplizierter, und der Unterschied wird mit zunehmender Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit immer wichtiger. Dann brauchen Sie Einstein und die Relativität (mehr davon später) und keine Newton’sche Mechanik. Aber das sollten Sie in keinem Van ausprobieren.

Abgesehen davon – je größer die gewünschte Impulsänderung ist, desto größer muss die Kraft sein. Daher müssen die Bremsen eines Lastwagens mehr Kraft ausüben als die Bremsen eines Vans, denn selbst wenn die Geschwindigkeit dieselbe ist, ist die Masse des Lastwagens höher und daher die erforderliche Impulsänderung größer, um ihn anzuhalten.

Das entspricht der Situation der Protonen im LHC-Tunnel. Sie sind die subatomaren Teilchen mit der höchsten Energie und dem höchsten Impuls, die jemals in einem Labor beschleunigt wurden. Die Masse der Protonen ist zwar winzig, aber ihre Geschwindigkeit ist extrem hoch. Sie sind wild entschlossen, sich entlang einer geraden Linie zu bewegen. Um also die beiden Protonenstrahlen im LHC umzulenken und zur Kollision zu bringen, ist eine gewaltige Kraft erforderlich. Diese Kraft liefern die leistungsfähigsten Ablenkungsmagnete, die wir je gebaut haben.

Bei dieser maximalen Kraft wird dann im Fall eines Beschleunigers ein Kompromiss erzielt zwischen der Stärke der Bahnkrümmung und der Größe des Protonenimpulses. Zurück zum Van: Das entspricht genau der Tatsache, dass es eine maximale Geschwindigkeit gibt, mit der man eine bestimmte Kurve, ohne zu schleudern, durchfahren kann. Ist die Kurve scharf, muss die Geschwindigkeit niedrig sein, während Sie in einer sanften Kurve schneller fahren können. Deswegen ist der LHC so groß. Ein großer Ring hat eine sanftere Krümmung als ein kleiner, so dass die Protonen höhere Impulse erreichen können, ohne ins »Schleudern« zu geraten. Oder in diesem Fall katastrophal dem LHC zu entkommen und Teile eines Magneten oder Detektors verdampfen zu lassen. Das muss unbedingt vermieden werden.

Für Protonenbeschleuniger ist also die begrenzte, maximale Krümmungskraft der Magneten der Grund dafür, dass sie so groß sein müssen, wenn sie hohe Energien erreichen sollen. Für das andere gängige Teilchen in Beschleunigern, das Elektron, gibt es einen weiteren Grund, der eine nähere Betrachtung lohnt.

Bevor der LHC gebaut wurde, belegte eine andere Maschine den 27-Kilometer-Tunnel unter der schweizerisch-französischen Grenze. Es war der LEP, der Large Electron-Positron Collider. Positronen sind die Antiteilchen von Elektronen. Sie haben eine positive Ladung, Elektronen dagegen eine negative. Im LEP stießen also Elektronen und Positronen zusammen. (Übrigens: Manchmal bekommen Teilchenphysiker vorgeworfen, ihren »Werkzeugkasten« verbal unnötig aufzubauschen, aber das hier sind sehr beschreibende, ja fast langweilige Namen.) Der LEP wurde im Jahr 2000 abgeschaltet, weil man zu diesem Zeitpunkt die meisten physikalischen Phänomene erforscht hatte, die mit ihm erreichbar waren, und sich seine Energie nicht weiter steigern ließ. Der Grund für diese Limitierung hängt, wie bei den Protonen, mit der Tunnelgröße zusammen, wenn auch auf andere Weise.

Elektronen haben eine 1800-mal kleinere Masse als Protonen. Aber bei diesen höchsten Energien macht das keinen wesentlichen Unterschied für die Kräfte, die erforderlich sind, um die Elektronen auf einer gekrümmten Bahn zu halten. Denn egal ob Elektronen oder Protonen, die Teilchen bewegen sich sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Daher benötigt man zur Bestimmung ihres Impulses die vollständige Formulierung gemäß der Speziellen Relativitätstheorie – und im Endeffekt erweist sich die Masse der Protonen und Elektronen, die sie im Ruhezustand haben, als irrelevant für die Berechnung der erforderlichen Kraft. Hierin liegt also nicht der Unterschied zwischen den beiden Teilchensorten.

Vielmehr ist das Problem die Synchrotronstrahlung. Diese Form der Energie wird von geladenen Teilchen abgegeben, wenn sie beschleunigt werden – ein universelles Phänomen, in etwa vergleichbar mit einer Welle, die ein Schnellboot erzeugt, wenn es im Wasser wendet. Wenn ein geladenes Teilchen auf einer gekrümmten Bahn beschleunigt wird, sendet es Photonen aus, die ihm Energie entführen.

Dieser Effekt ist für massearme Teilchen viel schlimmer. Die von einem beschleunigten Partikel abgegebene Menge an Synchrotronstrahlung hängt nämlich stark von der Masse ab: Sie sinkt mit der vierten Potenz der Masse. Und da die Protonenmasse 1800-mal größer ist, verlieren Elektronen auf gekrümmten Bahnen daher 1800 × 1800 × 1800 × 1800 oder etwa elf Billionen Mal mehr Energie als Protonen.

Als die Elektronen und Positronen durch den Ring des LEP sausten, strahlten sie also auf diese Weise Photonen ab, und mit jedem Umlauf des Strahls im Ring musste zum Ausgleich des Energieverlusts wieder Energie hineingepumpt werden. Dies geschah mittels Radiostrahlung. Elektrische und magnetische Wellen schwangen in großen Metallstrukturen, die in regelmäßigen Intervallen entlang des Rings angeordnet waren. Die Schwingung erfolgte präzise im Takt der vorbeifliegenden Trauben aus Teilchen, so dass diese jedes Mal einen Schubs vom elektromagnetischen Feld bekamen. Dieses Problem wird bei allen Maschinen dieser Art so gehandhabt. An einem bestimmten Punkt jedoch erreicht man eine Strahlenergie, bei der der Verlust durch Synchrotronstrahlung so groß wird, dass die zugeführten elektromagnetischen Wellen ihn nicht mehr ausgleichen können. Das ist die maximale Kollisionsenergie. Der LEP hatte diese Grenze erreicht.

Natürlich kommt hier wieder die Größe des Tunnels ins Spiel. Ein Tunnel mit 27 Kilometern Länge hat eine ziemlich sanfte Krümmung. Wäre er kleiner, wäre die Krümmung stärker, die Beschleunigung müsste dann höher sein, der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung wäre entsprechend größer und die maximale Kollisionsenergie geringer.

Am Rande bemerkt, ist diese Synchrotronstrahlung in anderen Zusammenhängen sehr nützlich. Zum Beispiel wurde in Harwell in der Grafschaft Oxfordshire extra die Diamond Light Source gebaut, um absichtlich Synchrotronstrahlung zu erzeugen. Mit den abgestrahlten Photonen lassen sich Atome, Kristalle, Moleküle, Materialien und Oberflächen untersuchen. Viele Maschinen und Labors, die ursprünglich für die Teilchenphysik gebaut wurden, sind letztlich in Strahlungsquellen umgewandelt worden, nachdem sie im Streben nach immer höheren Energien nicht mehr mithalten konnten.

Tatsächlich muss ich dafür auch persönlich dankbar sein. Damals arbeitete ich an meiner Doktorarbeit am DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg. Die Teilchenphysik spielte sich damals am Elektronen-Protonen-Beschleuniger HERA ab, wo ich in der ZEUS-Kollaboration arbeitete. Aber meine damalige Freundin war Kristallografin, die mit Synchrotronstrahlung die Struktur von Dingen, etwa Proteinen, untersuchte. Wegen der symbiotischen Beziehung zwischen Teilchenbeschleunigern und Synchrotronstrahlungsquellen gibt es eine Abteilung des European Molecular Biology Lab am DESY, und nach einer Diskussion auf höchster Ebene in der Zuschauermenge bei einem Fußballspiel des FC St. Pauli konnte Susanna ihren Doktorvater davon überzeugen, dass er sie für den Großteil ihrer Forschung nach Hamburg schickte. Wir sind nun zwanzig Jahre verheiratet, und alles ist schön und romantisch. Aber Synchrotronstrahlung ist noch immer ein Ärgernis, wenn man hochenergetische Elektronenstrahlen haben will.

Der LEP wurde also im Jahr 2000 abgeschaltet und abgebaut, so dass die Installation des LHC beginnen konnte. Er kann höhere Energien erreichen, weil das Problem mit der Synchrotronstrahlung bei Protonen elf Billionen Mal kleiner ist, aber der LHC erfordert die leistungsfähigsten Krümmungsmagnete, die man herstellen kann, wenn man die höchsten Impulse erreichen möchte.

Der formale Beschluss für den Bau von ATLAS und CMS erfolgte am 1. Juli 1997 durch den damaligen Generaldirektor des CERN, Chris Llewellyn Smith1› Hinweis. Der LEP war gut, aber Protonen waren noch vielversprechender.

Exkurs: Teilchen und Kräfte im Standardmodell

Wenn Sie meine Geschichte einfach nur gemütlich lesen wollen und sich von eigenartigen, unbekannten Begriffen nicht gestört fühlen, können Sie die Exkursabschnitte überspringen. Allerdings könnte es sein – wenn Sie gar nichts über das Standardmodell der Teilchenphysik wissen –, dass manches in Ihren Augen keinen Sinn ergibt. Ich versuche daher hier, es verständlich zu erklären.

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist unsere derzeit beste Antwort auf die Frage »Woraus besteht Materie, wenn man sie in ihre kleinsten Teile zerlegt?«. Beginnen wir mit irgendetwas – einem Stein, der Luft, diesem Buch, Ihrem Kopf – und zerlegen wir es in seine Bestandteile (ich empfehle, dies als Gedankenexperiment auszuführen). Wir werden faszinierende Strukturen sowie mikro- und nanoskopisch kleine Stückchen finden: Fasern, Zellen, Mitochondrien.

Schließlich werden wir auf Moleküle stoßen. Genügend Energie vorausgesetzt, können wir diese in Atome zerlegen. Atome bestehen aus einem kompakten Kern, der von Elektronen umgeben wird. Mit etwas mehr Energie können wir die Elektronen von den Atomkernen trennen. Mit noch mehr Energie lässt sich der Kern in Protonen und Neutronen zerlegen. Mit noch mehr Energie (jetzt brauchen wir einen großen Beschleuniger!) können wir Quarks in diesen Protonen und Neutronen sehen.

Es ist uns jedoch nie gelungen, etwas in einem Quark zu sehen oder es weiter zu zerlegen. Wenn wir auf der Stufe der »Atomzertrümmerung« den Kern ignoriert und stattdessen versucht hätten, das Elektron aufzubrechen, hätten wir diesen Endpunkt schon früher erreicht. Es ist uns auch nie gelungen, etwas in einem Elektron zu sehen oder es in seine Bestandteile zu zerlegen. Das – die Tatsache, dass es uns bislang nicht gelungen ist, eines zu zerlegen – ist unsere Arbeitsdefinition für ein »fundamentales« Teilchen.

Dabei ist der springende Punkt, dass wir unabhängig davon, wo und mit welchem Material wir beginnen, letztlich immer bei Elektronen und Quarks enden. Im Standardmodell stellen sie das Material bereit, aus dem alles besteht, und sie selbst wiederum bestehen nicht aus anderem Material. In diesem Buch werden Sie vielen Teilchen begegnen. Aber denken Sie immer daran, dass es letztlich nicht viele verschiedene Arten von fundamentalen Partikeln gibt.

Elektronen gehören zu einer bestimmten Teilchenfamilie, den Leptonen. Es gibt auch noch Myonen und Tau-Leptonen – sie sind wie Elektronen, bloß schwerer. Die einzige andere Sorte von Leptonen bilden die drei Arten von Neutrinos. Neutrinos wechselwirken nicht sonderlich mit anderer Materie, es gibt aber sehr viele von ihnen. Mehr als eine Billion Neutrinos von der Sonne durchdringen in jeder Sekunde Ihren Körper.

Die andere Familie fundamentaler Materieteilchen sind die Quarks. Von ihnen existieren ebenfalls sechs, so wie es sechs Leptonen gibt. Sie heißen up, down, strange, charm, bottom und top und werden in dieser Reihenfolge immer massereicher. Protonen und Neutronen bestehen aus up- und down-Quarks. Quarks werden nie einzeln gefunden, sie hängen immer aneinander und bilden größere Teilchen. Diese aus Quarks bestehenden Teilchen werden allgemein Hadronen genannt (daher Large Hadron Collider, der meistens Protonen kollidieren lässt, manchmal aber auch Atomkerne, die zudem Neutronen enthalten).

Das sind alle Materieteilchen, die wir kennen. Sämtliche dieser Teilchen haben als Partner Antiteilchen, und alle wechselwirken miteinander – sie ziehen sich an, stoßen sich ab, werden aneinander gestreut – durch Kräfte, die von einer weiteren Teilchenart vermittelt werden, den Vektorbosonen.

Die elektromagnetische Kraft wird von Photonen (Lichtquanten) vermittelt, alle geladenen Teilchen spüren sie – also alle außer den Neutrinos. Die starke Kraft wird von Gluonen vermittelt, sie wirkt nur zwischen den Quarks. Die schwache Kraft wird von W- und Z-Bosonen vermittelt, alle Teilchen spüren sie.

Damit das Standardmodell funktioniert – insbesondere, damit die fundamentalen Partikel Masse besitzen können –, ist ein weiteres einzigartiges, völlig neues Teilchen erforderlich: das Higgs-Boson. Die Jagd nach dem Higgs ist natürlich das Hauptthema dieses Buchs, und ich werde darüber später noch viel mehr erzählen.

Die Schwerkraft passt allerdings nicht in das Standardmodell. Sie wird von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben, jedoch wissen wir bis heute nicht, wie sich daraus eine funktionierende Quantentheorie machen lässt.

Nun haben Sie die Darsteller auf der Bühne des Universums kennengelernt. Es gibt viele offene Fragen in der Physik, aber ein erstaunlich großer Skalenbereich – der Großteil der Physik, Chemie und Biologie – von sehr großen bis zu sehr kleinen Entfernungen lässt sich erstaunlich genau mit nur diesen Elementen beschreiben: den Quarks, Leptonen, den vier Kräften zwischen ihnen und dem Higgs-Boson.

Das No-Lose-Theorem

Im Jahr 2001 ungefähr fing ich an, ernsthaft am LHC zu arbeiten. Zu diesem Zeitpunkt dauerte es noch etwa neun Jahre bis zu unseren ersten hochenergetischen Kollisionen. Ob Sie es glauben oder nicht, das machte mich zu einem Späteinsteiger in das Experiment. Die Möglichkeiten eines großen Protonenbeschleunigers waren bereits bei der Planung des 27-Kilometer-Tunnels für den LEP geprüft und 1984 im LEP-Planungsbericht erwähnt worden. Damals schloss ich gerade das Gymnasium ab und wechselte an die Hochschule. Es sollten danach noch viele Jahre mit wissenschaftlichen, technischen, finanziellen und politischen Diskussionen vergehen, gefolgt von Forschung und Entwicklung, Simulationen und noch mehr Politik, bevor der LHC 1997 genehmigt wurde.

Damals war ich gerade von Hamburg nach London umgezogen und noch völlig in die Arbeit an HERA vertieft. Große Kollaborationen bringen es mit sich, dass man mit zunehmender Erfahrung und wachsendem Fachwissen immer mehr Zuständigkeiten bei sich anhäuft, die einem ein Ausklinken erschweren. Es ist auch schwierig, die Lernkurve eines anderen Experiments zu durchlaufen, das verwirrende Soft- und Hardware und nicht vertraute Physik mit sich bringt. Manchmal braucht man einen kleinen Schubs, um wirklich etwas anderes anzufangen.

Bei mir war dieser Schubs erstaunlicherweise die bevorstehende Geburt unseres ersten Kindes. Sie drängte sich derart in den Vordergrund, dass es mir gelang, ein ganzes Paket an technischen und organisatorischen Aufgaben bei der ZEUS-Kollaboration abzulehnen. Ich wollte keine Verantwortung übernehmen, die mit den Herausforderungen unvereinbar war, die durch Susannas Schwangerschaft und meine anschließende Rolle als Vater auf mich zukamen.

Es stellte sich dann heraus, dass die Sache sehr glatt verlief und grundsätzlich wunderbar war. So hatte ich als Dreingabe viel freie Zeit, um kreativ über Physik nachzudenken. Eins der Dinge, die ich schon lange tun wollte, war, genug zu lesen und nachzudenken, um meinen Kopf auf die Physik des LHC einzustimmen, der damals bereits am CERN gebaut wurde. Die Ferien von HERA waren die Gelegenheit dazu. Mit meinen beiden Freunden Jeff und Brian2› Hinweis, ebenfalls Physiker bei HERA, dachte ich darüber nach, was die interessantesten Objekte für eine Untersuchung sein könnten. Wir waren alle sehr skeptisch gegenüber neuer Physik »jenseits des Standardmodells« und hatten viel mehr Lust, an Messungen zu arbeiten, die sich auf reale Dinge bezogen, statt Hinweise auf spekulative Ideen zu suchen, die wir für wenig glaubhaft hielten. Das lag womöglich daran, dass wir alle einen HERA-Hintergrund hatten, wo Präzisionsmessungen das Hauptziel waren. Obwohl, um ehrlich zu sein, das wichtigste Vermächtnis des LEP ebenfalls Präzisionsmessungen waren, so dass der Unterschied womöglich gar nicht so groß war.

Jedenfalls glaubten wir nicht an solche Sachen wie Supersymmetrie, große Extradimensionen oder Technicolor-Theorien, bei denen es sich um spekulative Erweiterungen des Standardmodells handelt, um einige von dessen Problemen zu lösen. Wir glaubten nicht einmal an das Higgs-Boson, einen wesentlichen Bestandteil des Standardmodells, aber einen ohne experimentellen Nachweis. Daher fragten wir uns, welche wichtigste und interessanteste Sache sich messen ließe unter der Annahme, dass es keine neuen Teilchen gäbe. Ein negativer Ansatz womöglich, aber immer noch ein Vergnügen.

Unsere Antwort lautete: die Streuung von Vektorbosonen.3› Hinweis Diesen besonderen und seltenen Prozess erwartet man gelegentlich bei Kollisionen mit sehr hoher Energie; er steckt hinter dem sogenannten »No-Lose-Theorem« am LHC. Und er hängt sehr eng damit zusammen, warum das Higgs-Boson so wichtig ist. Daher war dies für uns keine schlechte Wahl, um uns ein erstes Stück LHC-Physik genauer anzuschauen – und es lohnt sich, dies nun näher zu beleuchten.

Vektorbosonen sind die Träger von Kräften. Photonen zum Beispiel, die Lichtteilchen und Träger der elektromagnetischen Kraft, sind Vektorbosonen. Für unsere Überlegung sind jedoch das W- und zu einem gewissen Grad auch das Z-Boson von größerem Interesse. Sie tragen die schwache Kraft. Eine der merkwürdigsten Eigenschaften der W- und Z-Bosonen ist, dass sie – anders als Photonen – Massen besitzen.

Bei einer Kollision von Protonen im LHC müssen Sie sich zwei Quarks vorstellen, eines pro Proton in jedem Strahl, die einander näherkommen. Es gibt eine geringe, aber von null verschiedene Wahrscheinlichkeit, dass die Quarks dabei jeweils ein W-Boson abstrahlen. Und es gibt eine noch geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich diese beiden W-Bosonen treffen. Das ist Vektorbosonenstreuung, in diesem Fall eine WW-Streuung. Dasselbe kann auch mit Z-Bosonen oder Photonen passieren. Es gibt ein ganzes Bündel an Möglichkeiten, wie die Bosonen aneinander abprallen oder miteinander verschmelzen und wieder auseinanderbrechen können. Wie immer in der Quantenmechanik muss man all diese Möglichkeiten berücksichtigen und kombinieren4› Hinweis – manchmal summieren sie sich auf, manchmal schwächen sie sich gegenseitig. Wenn man alles zusammenfügt, erhält man die Wahrscheinlichkeit, dass WW-Streuung auftritt.

Das No-Lose-Theorem geht auf diese Berechnung zurück. Einige dieser Streuwahrscheinlichkeiten erfordern ein Higgs-Boson, und zur damaligen Zeit gab es für dieses Teilchen keine Anzeichen. Aber wenn man die Summen bildet und das Higgs-Boson nicht berücksichtigt, wächst die Wahrscheinlichkeit für eine WW-Streuung immer weiter, je höher die Energien sind.5› Hinweis Ab einem bestimmten Punkt werden die Lösungen sinnlos, weil die Wahrscheinlichkeiten größer als eins oder gar unendlich werden. Das ist ein Zeichen dafür, dass die Theorie nicht funktioniert, weil es keine Unendlichkeiten in der Natur gibt. Doch es bedeutet eben auch, dass entweder das Higgs-Boson am LHC entdeckt würde oder andere neue Physik ins Spiel käme, um die Berechnungen zu »retten«.

Daher könnte in unserem pessimistischen Szenario, ohne Higgs-Boson, ohne Schwarze Löcher und ohne was auch immer, die Messung der WW-Streuung den einzigen – oder besten – Hinweis darauf liefern, was tatsächlich abläuft. Mit Sicherheit müsste dabei entweder das Higgs-Boson oder etwas anderes Neues zutage kommen – daher »No-Lose-Theorem«; eine Situation, in der man nur gewinnen kann. Durch die Untersuchung dieser Streuung waren wir sicher, dass wir interessante physikalische Phänomene entdecken würden.

Die WW-Streuung genau zu messen, wäre schwierig – wir fanden viele vergnügliche Herausforderungen. Die Uni in Manchester hatte damals einen Vertrag mit Apple geschlossen und besaß nun eine große, neue Serverfarm aus Macs, die erst seit Kurzem unter Unix (OS X) lief – was sie für uns interessant machte (wenn auch teurer als die Linux-Kisten, die alle anderen hatten). Ich habe angenehme Erinnerungen an den Aufenthalt, bei dem ich die Farm mit vielen Simulationsläufen fütterte, um unsere Ideen zu prüfen. Dazwischen ging ich immer mal wieder auf ein Bier und ein Essen in die Kneipe auf der anderen Straßenseite, um über neue Ideen zu diskutieren. Das war noch bevor mein Sohn zur Welt gekommen war, ich aber bereits viele andere Verantwortlichkeiten abgegeben hatte. Wir reichten den wissenschaftlichen Beitrag im Januar 2002 ein. Zunächst wurde er sechs Jahre lang mehr oder minder ignoriert, später fand er dann mehr Beachtung, und ich bin ziemlich stolz auf ihn. Eine der von uns ausgeheckten Ideen stellte sich als recht nützlich heraus und spielte später bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen eine Rolle.

Es wird die Leute interessieren

Während die Arbeiten für den Bau des LHC und seiner Detektoren am CERN und in aller Welt weiterliefen, wurde klar, dass sich ziemlich viele Menschen aus ganz unterschiedlichen Gründen für das Projekt interessierten. Natürlich war die Technik und die Wissenschaft spannend, aber ebenso die schiere Größe des Experiments, inklusive seiner Kosten. Die internationale Zusammenarbeit mehrerer tausend Physiker war für viele Leute faszinierend, auch für Sozialwissenschaftler. Zudem gab es ein paar wahnhaft die Öffentlichkeit Suchende, die glaubten oder behaupteten zu glauben, dass wir dabei seien, die Schweiz zu zerstören. Oder die Welt. Oder das gesamte Universum.

Über diejenigen im Wahnzustand und die Verschwörungstheoretiker berichteten viele Medien, um »alle Seiten zu hören«.6› Hinweis Die einzige Möglichkeit, damit umzugehen, war, echte Informationen herauszugeben. Zudem waren wir wirklich verpflichtet, den Menschen zu erklären, was wir mit ihrem Geld machten und warum. Schließlich haben die europäischen Steuerzahler jährlich ungefähr eine Milliarde Euro ins CERN investiert.

Überlegungen wie diese stellten viele Leute an, darunter sicherlich auch James Gillies, der Kommunikationschef des CERN, und viele gute Wissenschaftsjournalisten. Das ist vermutlich auch der Grund, warum sich im September 2008 die Türen des CERN für die weltweite Presse öffneten, als wir die Maschine in Betrieb nahmen.

Derartige Gedanken waren auch einer der Gründe dafür, warum ich mich bereit erklärte, an einer Reihe kurzer Dokumentarfilme mitzuwirken, die Colliding Particles hieß. Die Sache fing im Sommer 2008 an. Mike Paterson war der Kameramann, Produzent, Interviewer und Regisseur – also eigentlich alles außer Trickfilmer und manchmal Tontechniker. Er konnte den »Science and Technology Facilities Council« (STFC) – den Forschungsrat, der in Großbritannien die Teilchenphysik finanziert – dazu überreden, diese Filme zu drehen. Die Videos richteten sich an Schulen, mit Blick auf einen neuen Teil des Lehrplans, der vorschrieb, dass die Schüler lernen sollten, wie Wissenschaft funktioniert. Anscheinend sollten sie das, indem sie sich Physiker aus Mikes Kameraperspektive anschauten.

Tatsächlich funktionierte die Sache ziemlich gut. Neben anderen Fähigkeiten hatte Mike die Begabung, aus meinem langen Geschwafel einige erstaunlich gute Szenen zu schneiden, in denen ich viel stimmiger wirkte als bei den Aufnahmen. Es gibt im ersten Film rund fünf Minuten, in denen ich rede, ohne jemals einen Satz richtig zu beenden, während Ansichten vom Bau des LHC und des ATLAS-Detektors den Bildschirm ausfüllen und dem Zuschauer ein Gefühl dafür vermitteln, was an Vorstellungen und Weisheiten aus mir heraussprudelt. Jedenfalls wirkte es so auf meine Mutter und mich. Die Filme zeigten auch noch Adam Davison, der anfangs mein Doktorand, später ein Postdoc war, sowie Gavin Salam, einen theoretischen Physiker aus Paris. Der Filminhalt beruhte (zumindest zu Beginn) grob auf einer wissenschaftlichen Veröffentlichung, die wir im Jahr 2007 zusammen mit Gavins Student Mathieu Rubin geschrieben hatten.

Ich erwähne das alles, um Ihnen zu zeigen, dass wir trotz starker Bedenken einiger Teilchenphysiker die Öffentlichkeitsarbeit ziemlich ernst nahmen. Der Film war eine von mehreren Initiativen dieser Art – etwas, das es in der Teilchenphysik zuvor noch nicht gegeben hatte. Mike, Adam, Gavin und die Filme werden in diesem Buch von Zeit zu Zeit wieder auftauchen, wenn wir uns der Entdeckung des Higgs-Teilchens nähern.

Jedenfalls waren wir nach vielen Jahren der Forschung und Entwicklung und acht Jahren Bauzeit nun bereit, den Schalter umzulegen. Es war der 10. September 2008. Der Kontrollraum am CERN war voller Journalisten. BBC Radio 4 machte einen besonderen Tag daraus – den »Big Bang Day«. Ich war vom CERN nach Westminster zurückgekehrt in einen großen Konferenzraum, in dem auch der Minister (John Denham, Minister für Innovation, Universitäten und Ausbildung) mit vielen weiteren Größen und noch mehr Journalisten wartete. Das war alles sehr aufregend und ein völlig neues Gebiet für uns mit Blick auf die Medien und Politiker. Doch das Aufregendste war, dass wir nach so vielen Jahren der Vorbereitung nun endlich bereit waren, unser Experiment in Betrieb zu nehmen.

Das Anschalten folgte einem detaillierten Drehbuch. Lyn Evans, der LHC-Projektleiter, übernahm die Rolle des Zirkusdirektors im Kontrollraum. Die Strahlen würden Oktant für Oktant in den LHC geschickt werden. Das heißt, sie legten zunächst jeweils ein Achtel des 27 Kilometer langen Tunnels zurück, bevor sie auf eine Strahlblockade trafen. Dann ein Viertel, drei Achtel und so weiter, bis sie hoffentlich einmal rundherum und wieder zurückkämen und durch zwei Flecken (einer auf dem Hinweg, einer auf dem Rückweg) auf einem Szintillationszähler angezeigt würden. Dieser stand nun im Zentrum des Interesses von Tausenden Physikern und einem nennenswerten Teil der Weltpresse.

Schön war, dass der Strahl beim Auftreffen auf eine Blockade vor einem der Detektoren eine Teilchenwolke entstehen lassen würde, die der Detektor erfassen würde. Es wäre die erste Strahlaktivität, die wir in diesen komplexen und empfindlichen Komponenten sehen könnten. Weniger schön aus meiner Sicht war, dass ATLAS erst als Letzter dran sein würde, weil Lyn den im Uhrzeigersinn verlaufenden Strahl zuerst losschicken wollte. Der anschließende Schritt war dann ein voller Umlauf. Lyn zählte rückwärts: 3–2–1. Einen nervenzerreißenden Moment lang passierte nichts …, dann Bingo! Zwei Flecken. Die aufregendsten Flecken, die ich jemals in der Wissenschaft gesehen habe. Zum ersten Mal hatte ein Strahl den Umlauf im LHC erfolgreich geschafft.

Im Lauf des Tages wurden Strahlen in beide Richtungen geschickt und erfolgreich gespeichert. Die pure Erschöpfung trieb uns in Westminster schließlich in die benachbarte Kneipe, während die Beschleunigerteams am CERN noch hart arbeiteten. Ich werde nie vergessen, wie ich mittags ein Bier trank und dabei den Fortschritt meines eigenen physikalischen Experiments im BBC-Nachrichtenticker am unteren Rand des TV-Bildschirms in der Kneipe verfolgte. Es fiel schwer, nicht über alles zu jubeln. Die Schlagzeilen am Tag danach, die berichteten, dass wir die Welt nicht zerstört hätten, waren lustig, wenn auch etwas vorläufig (wir hatten immerhin noch keine Strahlen kollidieren lassen). Wir hatten ein funktionierendes Experiment geschaffen, und es war uns gelungen, unsere Aufregung mit den Menschen zu teilen, die zahlende Partner in dieser Unternehmung waren. Ich freute mich darauf, neue Doktoranden am UCL nun mit dem Versprechen begrüßen zu können, dass reale Messdaten unmittelbar bevorstanden.

Neun Tage später war alles katastrophal fehlgeschlagen.

Die Katastrophe

Wie ich schon erklärt habe, ist die begrenzende Größe der maximalen Energie, die die Protonen im LHC erreichen können, die »Zentripetalkraft« – die Kraft also, die die Protonen im Ring hält. Diese Kraft wird von riesigen Magneten geliefert. Stellen Sie sich vor, dass Sie einen Ziegelstein an einer dünnen Schnur um Ihren Kopf wirbeln. Wenn Sie ihn zu schnell kreisen lassen, wird die Schnur reißen. Die Protonen sind der Ziegelstein, unsere Magnete die Schnur. Auf keinen Fall wollen wir sie zerstören.

In den Tagen nach dem ersten Anlauf wurden viele Tests am LHC durchgeführt. Als die Strahlen am Anlauftag kreisten, liefen die Magnete zum Beispiel noch nicht mit voller Stärke. Die Magnete sind Elektromagnete, ihr Magnetfeld wird also durch einen kreisenden elektrischen Strom erzeugt. So wie das technische und industrielle Know-how immens ist, das in ihre Herstellung eingeflossen ist (es gibt 1232 Dipolmagnete, um den Strahl zu krümmen, jeder ist 15 Meter lang und hat eine Masse von 35 Tonnen), so steckt in ihnen auch viel Physik.

Dass elektrische Ströme Magnetfelder erzeugen und dass Magnetfelder elektrische Ströme krümmen, wurde von Michael Faraday im 19. Jahrhundert beobachtet und gemessen und von James Clerk Maxwell in die Theorie des Elektromagnetismus integriert. Maxwells Gleichungen sind einer der Höhepunkte in der Ausbildung eines Physikers, und sie stellen wohl die erste mathematische Vereinheitlichung zweier scheinbar unterschiedlicher Kräfte (Elektrostatik und Magnetismus) dar. Sie setzten einen Trend, dem die physikalische Entwicklung seither folgt.

Um die Kraft zu erzeugen, die den Protonenstrahl im LHC krümmt, sind sehr hohe Ströme nötig. Bei voller Leistung durchfließt die Magnete ein Strom von fast zwölftausend Ampere. Das ist etwa fünfzigtausend Mal mehr Strom, als eine typische Haushaltsglühbirne zieht.

Fließt elektrischer Strom durch ein gewöhnliches Material (etwa durch die besagte Glühbirne), stoßen die den Strom tragenden Elektronen mit den schwingenden Atomen des Materials zusammen. Dadurch verlieren die Elektronen Energie und die Atome schwingen heftiger und erwärmen so das Material. Dies ist der elektrische Widerstand – ein großes Problem, wenn man einen Strom mit zwölftausend Ampere erzeugen will. Im Allgemeinen wird dadurch jedes normale Material verdampfen.

Durch die Entdeckung der Supraleitung hat sich dies geändert. Supraleitende Materialien zeigen keinen Widerstand beim Fließen eines elektrischen Stroms. Es handelt sich um einen ziemlich erstaunlichen quantenmechanischen Effekt, der dank der Theorie von John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer verstanden wurde. Bei niedrigen Temperaturen bilden die Elektronen Paare, und diese fangen an, sich wie Bosonen zu verhalten.7› Hinweis Dadurch können alle Elektronenpaare denselben Quantenzustand einnehmen – ein Kondensat ausbilden – und miteinander überlappen. An diesem Punkt ist ziemlich viel Energie erforderlich, um ein Paar irgendwie zu beeinflussen, denn das würde bedeuten, das gesamte Kondensat zu verändern, das sich in einem kohärenten Quantenzustand befindet. Im Allgemeinen sind die Zusammenstöße nicht energiereich genug, um das zu vollbringen – zumindest nicht, wenn das Material sehr kalt ist, wenn also die Atome des Materials kaum schwingen. Daher bewegen sich die Elektronenpaare ungehindert, verlieren keine Energie und spüren keinen Widerstand.

Die Magnete des LHC sind supraleitend. Sie werden mit Hilfe von unter Druck stehendem, flüssigem Helium auf eine Temperatur von 1,9 Kelvin (das entspricht –271,3 Grad Celsius) gekühlt.8› Hinweis

Am 19. September testete das LHC-Team die Magnete bis zur vollen elektrischen Stromstärke – also dem Strom, bei dem sich Protonenstrahlen bei voller Energie entlang des ganzen LHC auf einer Kreisbahn halten lassen. Der LHC wird in acht unabhängigen Abschnitten betrieben, die sich getrennt voneinander mit Strom versorgen, erwärmen oder kühlen lassen. In sieben dieser Oktanten war bereits der volle Strom erreicht, und auch das achte und letzte Segment war fast bereit für die ersten Kollisionen. Doch plötzlich erloschen alle Informationen auf den Monitoren und an den Sensoren dieses Sektors.

Als ich von London aus »remote« auf die Instrumententafel blickte, sah ich nur einen Hinweis, dass sich die ersten Kollisionen wohl für mindestens einige Tage verzögern würden. Die Wahrheit war jedoch viel schlimmer. Es hatte eine katastrophale Explosion gegeben. Mehrere der gewaltigen Magnete waren aus ihren Betonverankerungen gerissen. Wir würden über ein Jahr warten müssen, bis wir unsere ersten Proton-Proton-Kollisionen bekommen konnten.

Ich musste mehreren Journalisten erklären, was passiert war, unter anderem in einem Live-Telefonat im Frühstücksfernsehen. Um ehrlich zu sein, wussten wir es damals selbst nicht genau – außer, dass es ziemlich schlimm war. Das bei Weitem schlimmste Erlebnis war jedoch, sich vor die Doktoranden zu stellen und ihnen sagen zu müssen, dass sie noch einige Zeitlang keine Kollisionsdaten bekämen. Ich verpackte es als »zwei Schritte vor, einen zurück«, aber der Schritt zurück fühlte sich riesig an.

Im Lauf der nächsten Tage und Wochen kam dann die ganze Geschichte ans Tageslicht. Es hatte einen Fehler in einem der Verbindungsstücke zwischen zwei Magneten gegeben – einen Schweißfehler. Im Verbindungsstück entstand dadurch ein geringer elektrischer Widerstand. Das allein wäre zwar ein ernstes, aber noch kein katastrophales Problem gewesen. Dass ein Teil in einem supraleitenden System einen Widerstand ausbildet, ist ein Berufsrisiko der Technologie: Es führt zu einem sogenannten »Quench«, weshalb supraleitende Magnete über ausgeklügelte Schutzmechanismen gegen das Quenchen verfügen, so dass die gewaltige Energie der elektrischen Ströme zuverlässig abgeführt wird, bevor sich der Magnet aufheizt und Schaden nimmt. Leider erstreckte sich dieser Quench-Schutz nicht auf die Verbindungsstücke. Da der Strom also nicht zuverlässig abgeleitet wurde, verdampfte das Verbindungsstück.

Nochmals: Das allein wäre zwar ein großes Problem gewesen, das zu einer monatelangen Verzögerung geführt hätte, aber immerhin zu keiner Katastrophe. Da aber der riesige Strom nun nirgendwo hinfließen konnte, sprang er als Funke über die Lücke, die das verdampfte Verbindungsstück hinterlassen hatte. Der Funke durchlöcherte den Behälter mit dem flüssigen Helium, so dass schlagartig Tonnen des unter Druck stehenden verflüssigten Gases verdampften. Sehr schnell. Das war die Explosion, die stark genug war, um einige der 35-Tonnen-Magnete aus ihren Verankerungen zu reißen. Mehrere wurden zerstört oder beschädigt, und die Präzisionsinstrumente sowie die empfindliche Tieftemperaturanlage verwandelten sich in ein Durcheinander aus verbogenem Metall. Das alles bedeutete, dass wir sehr lange warten mussten und viel zu tun war, bevor die Maschine physikalische Ergebnisse liefern würde.

Während wir warteten …

Die Folgen der Katastrophe waren sehr lehrreich. Wie bei jedem großen Vorhaben gab es Menschen, die den immensen Aufwand, der in das Projekt hineingesteckt wurde, ablehnten. Es gab auch Menschen, die uns das gewaltige Interesse der Öffentlichkeit und der Medien verübelten, das vielen anderen guten Forschungsprojekten vorenthalten bleibt. Zudem werden Teilchenphysiker offenbar mitunter als arrogant wahrgenommen, auch wenn ich mir nicht erklären kann, warum. Jedenfalls gab es daher außer vielen ehrlichen Sympathien für uns enttäuschte LHC-Physiker auch Schadenfreude.

Zu bedenken ist dabei, dass ein nennenswerter Teil der Teilchenphysikergemeinde die ganzen Übungen in Medien- und Öffentlichkeitsarbeit rund um das Hochfahren des Beschleunigers für einen großen Fehler hielt. Viele Kollegen sahen darin bestenfalls eine Sache, die einem Ärger bereiten kann, und schlimmstenfalls einen unwissenschaftlichen Medienhype. Das Versagen der Maschine neun Tage nach einem öffentlich so stark beachteten Ereignis war nun die Gelegenheit für ein »ich habe es euch ja gesagt«. Ich persönlich war vor allem unglücklich über die Verzögerung und hatte in der Tat phasenweise das Gefühl, dass wir uns selbst auf eine sehr öffentliche Art und Weise zu völligen Idioten gemacht hatten, statt uns ruhig zu verhalten, bis Resultate vorlägen.

Im Oktober 2008, kurz nach der Katastrophe, fand die offizielle »Einweihung« des LHC statt. Es wurde eine skurrile Veranstaltung. Diese formale Feier war vor dem Unglück geplant worden. Sie fand in der riesigen Halle für die Magnettests statt, die bald wieder in Betrieb genommen werden sollte, um die reparierten und instand gesetzten Magnete zu testen (erneut zu testen), was erforderlich war, um die verletzte Maschine unter unseren Füßen zu richten. Der britische Wissenschaftsminister Lord Drayson nahm an der Veranstaltung nicht teil, obwohl er am CERN und am LHC sehr interessiert war. Um ehrlich zu sein, warf ich ihm das nicht vor. Offen gesagt, war die Feier eine bedrückende Angelegenheit.

Aber diese Gefühle schwanden nach und nach. Der Ärger wurde fast zu einer Quelle des Stolzes. Natürlich hätten die Fehler in den Magnetverbindungen nicht passieren dürfen. Aber wenn man den Diskussionen der Physiker und Ingenieure über die beteiligten Systeme am Beschleuniger lauschte, wurde deutlich, wie erstaunlich komplex der LHC ist und wie viele neue Technologien in industriellem Maßstab in die gewaltige Maschine eingeflossen sind. Wir bewegten uns nicht nur an den Grenzen der Physik, sondern auch an denen der Technologie. Zudem war niemand verletzt worden. Tatsächlich wurde das ganze LEP-LHC-Projekt, dessen Dimension mit dem Bau des Eurotunnels vergleichbar ist, mit bemerkenswert wenigen Unfallopfern ausgeführt.

Forschung bringt prinzipiell Risiken mit sich. Der LHC ist sein eigener Prototyp, sagte der Projektleiter Lyn Evans sehr oft in Interviews. Nichts Vergleichbares war zuvor gemacht worden. Nicht von ungefähr hatten am allerersten Betriebstag am 10. September Physiker mit großen Augen in die Kameras gestarrt – weil sie die Frage, ob ihr Experiment funktionieren würde oder nicht, noch nervöser und aufgeregter machte als ihr anstehendes Live-Debüt im Fernsehen. Vergleichen lässt sich die Situation am ehesten mit der sichtbaren Nervosität auf den Gesichtern von Raumfahrtforschern, wenn ihr aufwendig gefertigter Satellit auf einem Feuerstrahl in die Umlaufbahn reitet.9› Hinweis

Wir betrieben wirklich öffentlich Wissenschaft, und die Wahrheit ist, dass die Wissenschaft kein nahtloser Fortschritt von Triumph zu Triumph ist, sondern eben zwei Schritte vor und einen zurück macht. Aus Sicht der Medien verlängerte diese Wendung eine gute Geschichte, und sie behandelten uns bemerkenswert angemessen, abgesehen von (oder eben inklusive) gelegentlichem Spott in Fernsehshows.

Der Jammer natürlich … ließ sich schwerer abschütteln, aber immerhin gab es einige wichtige Dinge, an denen wir weiterarbeiten konnten. Wir hatten uns an eine technisch überholte Version des Linux-Betriebssystems gebunden und wagten in Erwartung baldiger Messdaten keine Aktualisierung. Das Problem konnten wir nun beheben – zusammen mit vielen anderen Programmierfehlern in unserer Software, wofür bislang keine Zeit gewesen war. Eine unserer wichtigsten Arbeiten war, einen überflüssigen Jetsucher loszuwerden. Aber das erfordert wohl eine Erklärung.

Exkurs: Quarks, Gluonen und Jets

Jets entstehen, wenn Quarks und Gluonen versuchen zu entkommen. Jedes Proton (eigentlich jedes Hadron) besteht aus Quarks, die durch Gluonen zusammengehalten werden. Wie bereits erwähnt, sind diese Gluonen die Träger der starken Kraft, so wie Photonen die elektromagnetische Kraft tragen und W- und Z-Bosonen die schwache Kraft. Was im Elektromagnetismus die elektrische Ladung ist, ist bei der starken Kraft eine Größe namens »Farbe«. Dieser Begriff stammt von dem Amerikaner Oscar W. Greenberg; er hat aber nichts mit der Farbe zu tun, die wir mit unseren Augen sehen. Trotzdem gibt es eine Analogie.

Um elektrische Ladungen zu neutralisieren, gibt es nur eine Möglichkeit: Es müssen genauso viele Antiladungen (negative Ladungen) da sein wie positive. Ein Atom ist neutral, weil die Zahl der Protonen im Kern (von denen jedes eine positive Ladung trägt) genauso groß ist wie die Zahl der Elektronen (von denen jedes eine negative Ladung trägt) in der Hülle um den Kern. Das Ergebnis der Addition aller positiven und negativen Ladungen ist null – sie egalisieren sich gegenseitig, das Atom ist neutral.

Bei der Farbe kann das Gleiche passieren. Wenn wir eine dieser Farben (willkürlich) »Rot« nennen, gibt es auch eine »antirote« Farbe (die Sie vielleicht gerne Cyan nennen würden, weil es die Komplementärfarbe ist, aber persönlich halte ich diese Analogie zwischen den Ladungsquanten der starken Kraft und sichtbaren Farben für etwas zu weitgehend). Diese farbneutralen Objekte heißen Mesonen10› Hinweis, sie entstehen durch die Kombination einer Farbe mit ihrer Antifarbe. Ein Unterschied zwischen Elektromagnetismus (in seiner Quantenversion korrekter als Quantenelektrodynamik bezeichnet, QED) und starker Kraft (bezeichnet als Quantenchromodynamik, QCD) ist jedoch, dass es einen weiteren Weg gibt, um ein farbneutrales Objekt zu erhalten.

Es existieren drei mögliche Farben, häufig (immer noch willkürlich) als Rot, Grün und Blau bezeichnet. Wenn Sie alle drei Farben kombinieren, bekommen Sie ebenfalls ein farbneutrales Objekt. Hier kommt die Analogie zur Mischung der drei Primärfarben ins Spiel. Protonen und Neutronen sind so aufgebaut. Sie enthalten drei Quarks, von jeder Farbe eines, und sind daher farblos. Solche Teilchen aus drei Quarks heißen Baryonen (aus dem Griechischen für »schwer«); Protonen und Neutronen sind die bekanntesten Beispiele. Mesonen und Baryonen sind natürlich Untergruppen der Hadronen, da alles, was aus Quarks besteht, ein Hadron ist.

Es gibt eine weitere sonderbare Eigenschaft der Quarks: Sie werden nie allein beobachtet, also weit weg von anderen Quarks. Immer sind sie in farbneutralen Hadronen eingeschlossen (was als »Confinement« bezeichnet wird). Der Grund ist eine Besonderheit der starken Kraft.

Die meisten Fundamentalkräfte werden schwächer mit dem Abstand – zum Beispiel wird die anziehende Kraft zwischen einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung schwächer, je weiter die beiden Ladungen voneinander entfernt sind (sie sinkt mit dem Quadrat des Abstands, ist also proportional zu 1/r2). Die starke Kraft ist dagegen anders. Die Kraft zwischen zwei Quarks wird stärker, wenn man sie auseinanderzieht. Es ist, als wären die beiden über ein elastisches Band oder ein Stück Schnur verbunden. Entfernen sich zwei Quarks voneinander, spannt sich die Schnur und eine große Energiemenge wird in der Seilspannung gespeichert.

Wenn nun im LHC zwei Quarks in Protonen voneinander abprallen, rasen sie praktisch mit Lichtgeschwindigkeit auseinander und mit einer gewaltigen Energiemenge. Zunächst ist das »Seil« locker und die Quarks spüren nur eine sehr geringe Kraft. Dieses Phänomen wird als »asymptotische Freiheit« bezeichnet, und 2004 bekamen David Gross, David Politzer und Frank Wilczek gemeinsam den Nobelpreis in Physik »für die Entdeckung der asymptotischen Freiheit in der Theorie der starken Wechselwirkung«. Wenn sich also Quarks in einem Proton befinden, kann man sie für manche Zwecke und in mancher Näherung so behandeln, als ob sie frei wären – so als ob sie überhaupt nicht aneinander gebunden wären.

Doch diese scheinbare Freiheit endet rasch, wenn man versucht, ein Quark aus einem Proton zu entfernen – zum Beispiel, indem man es mit einem Quark eines anderen Protons trifft, das den Ring des LHC in umgekehrter Richtung durchlaufen hat. Obwohl sich anfangs beide voneinander entfernen (und während der Beschleunigung sogar weitere Gluonen und Quarks abstrahlen), wird das Seil fast schlagartig gespannt, so dass die Quarks und Gluonen »spüren«, wie unfrei sie eigentlich sind.

Letzten Endes sehen wir also einen Schwarm von Hadronen. Vielleicht halten Sie das für etwas nutzlos, wenn wir in Wirklichkeit erkennen wollen, was mit den fundamentalen Teilchen geschieht – mit den Quarks und Gluonen also. Aber es ist nicht alles verloren. Weil die ursprünglichen Quarks so stark getroffen wurden, sind die Schwärme aus Hadronen zu schmalen Jets verformt. All die Zerfälle und das Entstehen neuer Quarks und Gluonen schaufelt Energie hin und her, aber die so verlagerten Energiemengen sind viel kleiner als der ursprüngliche Stoß, den die Quarks bei der Kollision mitbekamen. Daher spiegelt die Richtung eines Jets ziemlich gut die ursprüngliche Richtung des Quarks wider.

Nun ist »ziemlich gut« kein sehr wissenschaftlicher Ausdruck. Wir müssen das quantifizieren und dabei so genau wie möglich sein. Jetalgorithmen sind die Werkzeuge, die uns dabei helfen. Sie liefern ein Rezept, wie wir die beobachteten, bei einer Kollision entstandenen Hadronen kombinieren müssen, um Jets mit Energie und Impuls abzuleiten, die sich dann mit den theoretischen Vorhersagen vergleichen lassen. Es gibt viele Wege, dies zu tun, aber manche sind eindeutig besser als andere.

Ein Problem bei der Entwicklung (oder der Wahl) eines guten Jetalgorithmus ist die Tatsache, dass die Theorie keine Vorhersagen für niedrige Energien ermöglicht. Diese niedrigen Energien entsprechen (relativ) großen Abständen, bei denen die Seile reißen, Hadronen entstehen und viele niederenergetische Gluonen umherfliegen. Man kann nicht vorhersagen, wie viele dieser niederenergetischen Gluonen entstehen. Und weil wir dieses auch nicht messen können oder überhaupt nicht messen wollen und es zudem starken Schwankungen unterliegt, scheint ein Jetsucher eine gute Idee zu sein, der für niederenergetische Gluonen unempfindlich ist. In der Tat ist das entscheidend. Im Jargon heißt diese Unempfindlichkeit des Jets »Infrarotsicherheit«. Während der LHC also repariert wurde, wechselten wir unter anderem zu einem infrarotsicheren Jetalgorithmus.

Namen, Trägheit und die Medien

Der wichtigste Jetalgorithmus im ATLAS- und CMS-Analysecode war 2008 nicht infrarotsicher. Nach der Beschädigung des LHC gelang es uns, auf einen neueren, besseren, infrarotsicheren Algorithmus umzustellen. Das beeinflusste gewaltig die Qualität der Physik, die wir später betreiben konnten.

Warum, mögen Sie sich fragen, hatten wir das nicht früher getan, wenn es einen so gewaltigen Unterschied macht? Das ist eine interessante Frage, deren Antwort Ihnen etwas über die Art und Weise erzählt, wie Wissenschaft in sehr großen Kollaborationen betrieben wird (und auch etwas über Physik).

Als ich noch in Hamburg bei HERA arbeitete, war am CERN noch der LEP in Betrieb und der große Beschleuniger in Chicago, das Tevatron, entdeckte das top-Quark. Trotzdem hatten sich bereits Proto-Kollaborationen gebildet mit dem Ziel, mögliche Detektoren für den künftigen LHC zu entwerfen und vorzuschlagen. ATLAS entstand aus zwei dieser Kollaborationen, EAGLE und ASCOT. Solche Verschmelzungen passieren häufig. Es ist daher sehr wichtig, für den ersten Vorschlag nicht den besten Kollaborationsnamen zu verwenden, weil der Vorschlag fast mit Gewissheit mit einem anderen Vorschlag kombiniert wird und man dann irgendwann einen neuen Namen wählen muss. Ich kann nur annehmen, dass CMS diesen Fehler gemacht hat. Möglicherweise gaben seine Proto-Kollaborationen ihren Vorschlägen so coole Namen wie TITAN oder JOR-EL11› Hinweis und mussten dann so oft fusionieren, dass ihnen die Ideen ausgingen und sie bei CMS landeten. Jedenfalls ist ATLAS ein guter Name – gut gemacht, Peter Jenni und andere.

Unwesentlich wichtiger als die Wahl des Namens ist: Man muss zeigen, dass der Detektor die physikalischen Anforderungen erfüllen kann. Wird seine Auflösung gut genug sein? Wird er eine ausreichende Bandbreite haben, um die Daten auszulesen? Wird es genügend Detektoren an den richtigen Stellen geben, um alles zu messen, was man sehen möchte? Und: Wird man ihn sich leisten können? Um diese Fragen überzeugend zu beantworten, muss man einen technischen Entwurfsbericht schreiben. Zu diesem Zweck und um die Leute dazu zu bringen, dass sie einem tatsächlich erlauben, die eigenen Vorstellungen zu verwirklichen, benötigt man viele Ergebnisse von Teststrahlen. Mit ihnen schießt man Teilchen auf Detektorprototypen, um zu zeigen, dass man die Geräte versteht. Zudem braucht man gewaltige Mengen an Software – um zu simulieren, wie die Physik und der Detektor aussehen könnten, und um aus den simulierten Daten (oder aus Teststrahldaten) zu rekonstruieren, wie die Messungen letzten Endes aussehen werden.

Wenn also zum ersten Mal echte Messdaten unmittelbar bevorstehen, gibt es Kollegen, die bereits seit einem Jahrzehnt oder länger an dem Experiment arbeiten. Sie haben sich an die Tools gewöhnt, die vor zehn Jahren verfügbar waren. Versuchen, diese zu ändern, wird mit ungeheurer Trägheit begegnet, selbst wenn es inzwischen viel bessere Tools gibt und die Physik sich aufgrund von Daten, die während dieser zehn Jahre woanders gewonnen wurden, ebenfalls weiterentwickelt hat. Wenn es aber darum geht, alles für die ersten Messdaten fertigzubekommen, ist die Zurückhaltung, etwas zu ändern oder neu zu erfinden, tatsächlich verständlich. In diesem Zustand waren wir bei ATLAS im Jahr 2007.

Der Jetalgorithmus ist so ein Tool. Das Verständnis von Jets und der starken Wechselwirkung, der QCD also, verbesserte sich in den 1990er- und 2000er-Jahren stark durch zahlreiche theoretische Arbeiten und viele Daten, hauptsächlich von HERA und LEP. Die Probleme mit der Infrarotsicherheit wurden verstanden und eine neue Generation von Jetsuchern vorgeschlagen. Leider nutzte ATLAS (und in weiten Teilen auch die Tevatron-Experimente) bereits die alten Jetalgorithmen. Und die neuen Algorithmen hatten Probleme: Einige waren zu langsam, und viele erzeugten Jets mit unregelmäßigen Konturen, was ein Verständnis der experimentell erzielten Auflösungen und Effizienzen erschwerte. Die Experimente an HERA, LEP und teilweise auch am Tevatron nutzten die neuen Algorithmen (HERA und LEP wechselten letzten Endes komplett auf sie), aber es gab Zweifel, ob sie am LHC wirklich verwendet werden konnten. Diese Zweifel, in Verbindung mit der allgemeinen Zurückhaltung in Bezug auf Änderungen und mit dem Zeitdruck, führten dazu, dass wir 2008 nicht wechselten.

Natürlich wussten alle, dass es nach den ersten Daten, die wir mit den alten Algorithmen gewonnen hätten, noch schwieriger würde, auf die neuen zu wechseln. Als wir nun das unerwartete, zusätzliche Jahr Zeit hatten, war es daher die Gelegenheit, ein für allemal zur neuen, besseren Technologie überzugehen. Entscheidend war auch, dass die Probleme mit der Geschwindigkeit und der unregelmäßigen Form der Jets wohl gelöst worden waren.12› Hinweis Koordiniert durch unsere Jetspezialisten fingen Dutzende Postdocs, Doktoranden und Studenten mit der Überprüfung an, ob der neue Algorithmus tatsächlich funktionierte – nicht nur theoretisch, sondern auch ganz konkret in der Software, die ATLAS zur Auswahl und Analyse der Daten nutzen würde. Einige dieser Kollegen arbeiteten am UCL, und ich bereitete die umfangreichen internen Notizen vor, die als Ganzes letztendlich jeden davon überzeugten, die Umstellung vorzunehmen. Ich halte dies für sehr gut investierte Zeit. Auf jeden Fall munterte sie mich erheblich auf.

Ein anderes Ereignis, das mich sehr beeindruckte, das aber nicht direkt mit dem LHC zusammenhing, war ein Skeptikertreffen am 18. Mai im Pub Penderel’s Oak in Holborn. Die »Skeptiker« sind eine weltweite Bewegung, die den Anspruch erhebt, sich mit abergläubischen, alternativmedizinischen und religiösen Themen kritisch auseinanderzusetzen. Es war mein erster Skeptikerstammtisch, den ich besuchte. Es wirkt vielleicht etwas zufällig, diese Episode in eine mehr oder minder chronologische Erzählung der LHC-Geschichte einzuwerfen, aber es gibt eine Verbindung, glauben Sie mir.

Simon Singh, ein bekannter Wissenschaftsautor mit einem Doktortitel in Teilchenphysik – er arbeitete von Cambridge aus am LEP, zusammen mit einigen meiner heutigen ATLAS-Kollegen –, wurde von der British Chiropractic Association (BCA) verklagt, weil er geschrieben hatte, dass die Organisation sorglos anpreise, was er als »Scheinbehandlung« betrachtete. Es fehle an verlässlichen Belegen, dass die Behandlungen wirkten, so sein Vorwurf. Da Singh die Behandlungen offenkundig für Betrug hielt und die BCA diese Behandlungen jedoch anpries, hätte man vielleicht erwartet, dass die Auseinandersetzung davon abhing, was an dem Vorwurf dran war. Leider ist das britische Verleumdungsgesetz jedoch ein völliges Ärgernis. Es sah daher so aus, dass Singh für die Verteidigung seines ehrlichen Kommentars nun beweisen musste, dass die BCA wissentlich log. Solange die Organisation dagegen belegen konnte, dass sie die Behandlungen nicht für Betrug hielt, war die Sache für sie in trockenen Tüchern. Letztlich überzeugte Singh aber das Berufungsgericht davon, dass er nicht beweisen musste, dass die BCA die Behandlungen für Betrug hielt. Vielmehr genügte es, dass er gute Gründe hatte, sie für Betrug zu halten. Daraufhin zog die BCA ihre Klage zurück.

Einerseits besuchte ich das Treffen aus Entrüstung, weil das Gesetz dazu missbraucht werden konnte, eine wissenschaftlich begründete Kritik zum Verstummen zu bringen, andererseits aber auch, um ein Bier mit einigen Freunden zu trinken, die ebenfalls kommen wollten. Holborn liegt in der Nähe des UCL-Campus in Bloomsbury (in London). Für mich sprang dabei weit mehr heraus als nur ein Bier. Ich traf eine ganze Gruppe intelligenter, gewissenhafter und gut informierter Journalisten, die für Zeitungen und Rundfunk arbeiteten. Ich muss zugeben, dass mich das ein bisschen schockierte. Ich traf einige exzellente Autoren von Blogs und anderen Online-Angeboten. Und mir wurde bewusst, dass es eine ganze Reihe von Menschen gab, die sich mehr mit Wissenschaft und Rationalität auskannten, als ich – in meiner Ignoranz und Arroganz – außerhalb meiner akademischen Welt zu finden erwartet hätte. Das war so ermutigend und aufregend wie das Verleumdungsgesetz deprimierend und gefährlich war. Es ging nicht nur um Singh. Dr. Peter Wilmshurst wurde verklagt, weil er die Ergebnisse von Herztransplantationen untersucht hatte, und andere als ich haben besser beschrieben, welch abschreckende Wirkung das schlechte Verleumdungsgesetz für wissenschaftliche Diskussionen haben kann, wenn es von reichen Leuten oder großen Unternehmen missbraucht wird. Als Singh ankündigte, dass er weiterkämpfen werde, wirkte das tapfer, aber wenig Erfolg versprechend. Immerhin sollte es eine Kampagne geben, die nicht nur ihm half, sondern eine Gesetzesänderung zum Ziel hatte. Damit gab es zumindest etwas Hoffnung auf Erfolg.