Vova Krasen
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Vor zehn Jahren wurde das weltweit größte wissenschaftliche Instrument eingeschaltet und der Beginn einer Forschungsdynastie begann.
Am 10. September 2008 wurde zum ersten Mal ein Protonenstrahl um den gesamten 27 Kilometer langen Ring des Large Hadron Collider (LHC) geschossen - des weltweit größten und energiereichsten Atomzerstörers, der jemals gebaut wurde. Der LHC befindet sich im CERN-Labor außerhalb von Genf in der Schweiz und wurde so konstruiert, dass hochenergetische Protonenstrahlen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit zusammengeschlagen werden. Das erklärte Ziel war es, das Higgs-Boson zu erschaffen und zu entdecken, das letzte fehlende Stück des Standardmodells, unsere beste Theorie für das Verhalten subatomarer Materie. Aber das Ziel war größer als das. Wir wollten wirklich etwas völlig Unerwartetes entdecken - so groß und so neu, dass wir die Lehrbücher neu schreiben müssten.
Und der LHC schaltete sich nicht leise ein. In den Wochen und Monaten zuvor war die Presse vollgepackt mit atemlosen Geschichten von Befürchtungen, dass der LHC ein schwarzes Loch machen würde, das die Erde zerstören würde. Die Medien haben gute Arbeit geleistet, um die grellen Behauptungen zu zerstreuen, aber die Geschichte war einfach zu gut, um sie nicht zu drucken, selbst unter den verantwortungsvollsten Print-, Online- und Rundfunkanstalten.
Das CERN-Labor, in dem der LHC untergebracht ist, hat beschlossen, die Presse einzuladen, den Eröffnungsstrahl des LHC zu sehen. Der Rausch des Schwarzen Lochs sorgte dafür, dass die Medien in großem Stil auftauchten. BBC, CNN, Reuters und viele Dutzend internationale Medien waren zu den Feierlichkeiten da. Abgesehen von den Schwarzen Löchern war es aus PR-Sicht eine gefährliche Wahl: Brandneue Beschleuniger sind heikle Tiere, und der LHC war es besonders. Es besteht aus Tausenden von Magneten und Zehntausenden von Netzteilen, Überwachungselektronik und mehr. Das kleinste Missgeschick hätte die erste erfolgreiche Strahlzirkulation um Tage oder Wochen verzögern können. [Fotos: Der weltweit größte Atom Smasher (LHC)
An diesem Morgen gab es einige angespannte Momente. Die ersten Versuche scheiterten an einigen rebellischen Stromversorgungen. Kurz vor 10:30 Uhr Ortszeit fädelten die Beschleunigerbediener jedoch erfolgreich einen Protonenstrahl mit sehr geringer Intensität durch den gesamten Komplex. Da der LHC im Wesentlichen aus zwei Beschleunigern besteht, um in entgegengesetzte Richtungen verlaufende Strahlen aufzunehmen, bestand der nächste Schritt darin, einen Strahl durch den zweiten Satz von Strahlrohren zu führen. Das geschah kurz nach dem ersten Erfolg. Die Medien der Welt kündigten die technische Leistung buchstäblich an. Die Teilchenphysik erhält selten eine solche Medienbelichtung.
Trotz der weltweiten Aufregung war das, was an diesem Tag erreicht wurde, relativ bescheiden. In den LHC wurden Strahlen von Feeder-Beschleunigern mit niedriger Energie und geringer Intensität injiziert. Die Strahlen waren ein paar Mal mit niedriger Energie um den Ring gefahren, was die niedrigste Energie bedeutete, für die der LHC ausgelegt war. Der LHC funktioniert so, dass er einen Teilchenstrahl von kleineren Beschleunigern akzeptiert und den Strahl dann auf eine Energie beschleunigt, die mehr als 15-mal höher ist als er empfängt. Bei diesem ersten Versuch bestand nie die Absicht, den Strahl zu beschleunigen. Nur erfolgreich um den Ring zu kommen, war genug.
Außerdem betrug die Intensität der Strahlen weniger als ein Zehnmillionstel der Entwurfsintensität. In Teilchenstrahlen ähnelt die Intensität der Helligkeit, wenn man von Licht spricht. Die Strahlen können durch Hinzufügen von mehr Protonen oder Fokussieren des Strahls auf eine kleinere Größe intensiver gemacht werden. An diesem Tag war die Fokussierung noch ein zukünftiges Ziel und nur sehr wenige Protonen wurden in das Gaspedal gegeben. Und anfangs war das Timing der eigentlichen Gaspedalelektronik nicht ganz richtig. Es war also eindeutig ein Weg vor uns.
Aber kein Problem. Es war aufregend und sicherlich ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum vollen Betrieb. Korken wurden geknallt. Champagner wurde getrunken. Rücken wurden geschlagen und Bilder gemacht. Es war ein guter Tag.
Ich war nicht am CERN für den ersten Strahl. Schließlich ist es mein Interesse am LHC-Programm, damit energiereiche Partikel zu zerschlagen, und jeder wusste, dass es dann zu keinen Kollisionen kommen würde. Stattdessen war ich bei Fermilab, Amerikas Flaggschiff-Labor für Teilchenbeschleuniger und neben CERN selbst die effektivste Forschungseinrichtung, die an der LHC-Datenanalyse arbeitete. Die beiden Labors haben eine Geschwisterbeziehung, und wir jubeln einander zu, wenn eine technische Hürde überwunden ist. In Fermilab beschlossen wir, in der Nacht des 10. September eine Pyjama-Party für die Wissenschaftler und die lokale Gemeinschaft zu veranstalten. Es war außergewöhnlich. Hunderte von Einheimischen tauchten um 2:00 Uhr morgens auf und warteten um 4:30 Uhr Ortszeit auf die erfolgreiche Verbreitung des Strahls. Ich ging herum und sprach mit Mitgliedern der Öffentlichkeit, Reportern, die ihre Redakteure nicht überzeugen konnten, sie nach Europa und zu anderen Wissenschaftlern zu schicken. Der Jubel der Menge war so laut, dass ich gerne glaube, sie könnten sie am CERN, 4.400 Meilen östlich, hören.
Natürlich waren die Erfolge am Morgen des 10. September 2008 sehr wichtig, aber sie waren nur ein Schritt in Richtung des gewünschten Ergebnisses, nämlich die Inbetriebnahme des stärksten Teilchenbeschleunigers der Welt. Dazu mussten die 1.232 Riesenmagnete, die den LHC umgeben, auf Herz und Nieren geprüft und bei vollem Strom getestet werden. Daher konzentrierten sich die Mitarbeiter des CERN-Beschleunigers darauf, dies zu beenden. Und dort ging es schief. Am 22. September schüttelten die Bediener den letzten Satz Magnete ab, als eine fehlerhafte Lötstelle zu einer Überhitzung einer Kupfersammelschiene führte, die zum Schmelzen, dann zum Lichtbogen und dann zum Durchstechen der Thermosflasche führte, in der sich das flüssige Helium befand, das das Magnete, die den zehntausend Ampere Strom standhalten, die die starken Magnetfelder ermöglichten. [Galerie: Suche nach dem Higgs-Boson am LHC]
Bei dieser Reifenpanne wurde das Helium unter hohem Druck freigesetzt. Es bildete einen Strahl, der stark genug war, um einen 35-Tonnen-Magneten um 18 Zoll zur Seite zu drücken und die Montagehalterungen aus festem Beton herauszuziehen. Das Helium befand sich bei minus 450 Fahrenheit und kühlte den LHC-Tunnel für eine Meile ab, die den Schaden umgab. Die Reparatur des Schadens und das Hinzufügen zusätzlicher Fehlerschutzausrüstung dauerte über ein Jahr.
Am 27. Februar 2010 waren die Mitarbeiter des LHC-Beschleunigers bereit, es erneut zu versuchen. Und im Verlauf von ungefähr anderthalb Stunden wiederholten sie die Übung und zirkulierten erneut Strahlen in entgegengesetzte Richtungen. Diesmal wurde versucht, die Medien nicht vorher zu benachrichtigen. Und am 19. März beschleunigten die Mitarbeiter den Strahl schließlich auf eine 3,5-mal höhere Energie als der bisherige Weltrekordbeschleuniger, der Fermilab Tevatron. Ich war an diesem Tag zufällig am CERN und der Erfolg wurde in den frühen Stunden kurz vor Sonnenaufgang erreicht. Ich beobachtete die Monitore mit Kollegen und als der stabile Strahl deklariert wurde, passierten wieder Champagner, Ohrfeigen und Jubel, diesmal ohne Fernsehkameras.
Seit diesem Tag ist der LHC einfach ein wissenschaftliches Phänomen… er liefert außergewöhnliche Strahlen an vier Detektoren, die um den Ring herum angeordnet sind. Die bisherigen wissenschaftlichen Ergebnisse waren erstaunlich: Die beiden größeren Experimente veröffentlichten jeweils über 800 Artikel und das gesamte Forschungsprogramm veröffentlichte über 2.000.
Die wirkungsvollste Entdeckung im letzten Jahrzehnt war das Higgs-Boson, das letzte fehlende Teil des Standardmodells der Teilchenphysik. Es wurde am 4. Juli 2012 erneut einem weltweiten Publikum angekündigt und mit über tausend Fernsehsendern vor einer Milliarde Zuschauern übertragen. Wieder teilte die Welt die Aufregung der Entdeckung. [6 Implikationen der Suche nach einem Higgs-Boson-Partikel]
Und die Zukunft des LHC ist in der Tat vielversprechend. Während wir die Anlage nun seit einem Jahrzehnt erfolgreich betreiben, ist die Absicht, den Beschleuniger weiterhin für Entdeckungen zu verwenden. Derzeit ist geplant, den Betrieb mindestens für die nächsten zwei Jahrzehnte fortzusetzen. Tatsächlich wird geschätzt, dass die Experimente am LHC Ende 2018 nur 3 Prozent der Daten gesammelt haben, die über die Lebensdauer der Einrichtung aufgezeichnet werden. Ende 2018 wird der LHC den Betrieb für zwei Jahre wegen Renovierungs- und Modernisierungsarbeiten einstellen. Im Frühjahr 2021 wird der Betrieb mit stark verbesserten Detektoren wieder aufgenommen. Es ist nicht möglich zu wissen, welche wissenschaftlichen Wahrheiten wir mit dem LHC aufdecken werden. Das ist die Sache mit der Wissenschaft… wenn wir wüssten, was wir entdecken würden, würde man das nicht Forschung nennen. Aber der LHC ist ohne Zweifel ein intellektuelles und technologisches Juwel - eine Leistung, von der Forscher von gestern nur träumen konnten. Der LHC kann die kleinsten Entfernungsskalen, die höchsten Energien untersuchen und Bedingungen wiederherstellen, die zuletzt im Universum nur knapp eine Zehntel Billionstel Sekunde nach dem Urknall üblich waren. Es ist ein Instrument der Erforschung und Entdeckung. Und wir fangen gerade erst an. Es wird herrlich.
Alles Gute zum Geburtstag LHC.
Don Lincoln ist Physikforscher am Fermilab. Er ist Autor von "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die Sie umhauen werden" (Johns Hopkins University Press, 2014) und produziert eine Reihe von Videos zum naturwissenschaftlichen Unterricht. Folgen Sie ihm auf Facebook. Die in diesem Kommentar geäußerten Meinungen sind seine.
Don Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.