CERN: Die letzten Geheimnisse des Universums verlangen eine grössere Maschine

Das Universum, seine Entstehung und seine Bestandteile sind nach wie vor von einem Geheimnis umgeben, das das CERN zu lüften versucht. NSF NOIRLab / Keystone

Der Large Hadron Collider (LHC) des CERN hat unser Verständnis des Universums bereits revolutioniert. Nun will das Labor etwas weitaus Grösseres bauen, und die Wissenschaft steht geschlossen hinter diesem Vorhaben.

Seit über 70 Jahren ist das CERN-Forschungslabor am Rand von Genf das weltweit führende Zentrum für Teilchenphysik. Es basiert auf der Zusammenarbeit von 25 Mitgliedstaaten, zehn assoziierten Mitgliedstaaten sowie Beobachtern wie den USA und der Europäischen Union.

Es beruht auch auf der Annahme, dass manche Fragen zu komplex sind, als dass ein einzelnes Land sie allein beantworten könnte. Fragen wie: Woraus besteht das Universum? Warum existiert Materie überhaupt? Was geschah im ersten Augenblick nach dem Urknall?

2012 zahlte sich diese weltumspannende Kollaboration aus. Wissenschaftler:innen am Large Hadron Collider (LHC) des CERN verkündeten die Entdeckung des Higgs-Bosons – des sogenannten «Gottesteilchens». Dieses verleiht den Elementarteilchen, den kleinsten Bausteinen des Universums, Masse. «Ohne das Higgs-Boson gäbe es uns nicht», sagt Fabiola Gianotti, die das CERN zehn Jahre lang bis Januar dieses Jahres als Generaldirektorin leitete.

Doch die Entdeckung warf ebenso viele Fragen auf, wie sie beantwortete. Und nun, da der LHC an seine Grenzen stösst, plant das CERN seinen bisher kühnsten Schritt: einen neuen Teilchenbeschleuniger, fast viermal so gross wie der LHC, der 200 Meter unter der Erde, unter dem Genfersee und der Rhône, verlaufen soll. Der Future Circular Collider (FCC) soll in den 2040er-Jahren in Betrieb gehen und das grösste jemals gebaute wissenschaftliche Instrument werden – und, so argumentieren seine Befürworter, das wichtigste.

Die Baukosten werden auf 15 Milliarden Franken (24 Milliarden US-Dollar) geschätzt, und die nächste grosse Herausforderung für das CERN besteht darin, diese Mittel angesichts der schwierigen geopolitischen Lage aufzubringen.

«Der FCC ist für das Fachgebiet von enormer Bedeutung, und wenn es jemand schaffen kann, dann das CERN», sagt Maria Spiropulu vom California Institute of Technology, die am CERN forscht.

Aus dem Archiv: Rückblick auf zehn Jahre Teilchenbeschleuniger in Genf:

Das Higgs-Boson wirft weitere Fragen auf

«Wenn ich öffentliche Vorträge halte, greife ich immer acht grosse offene Fragen der Teilchenphysik auf, und die Hälfte davon hat immer etwas mit dem Higgs-Boson zu tun», sagt Mark Thomson, ein britischer Physiker, der im Januar zum neuen Generaldirektor des CERN ernannt wurde.

Thomson möchte verstehen, warum die zwölf bekannten Elementarteilchen unterschiedliche Massen haben und ob das Higgs-Boson selbst als Elementarteilchen gelten sollte. Diese Fragen kann der aktuelle LHC nicht mit ausreichender Präzision beantworten.

Andere Physiker fühlen sich von noch grundlegenderen Rätseln angezogen. Ben Kilminster, Teilchenphysiker an der Universität Zürich, beschäftigt sich intensiv mit Dunkler Materie. «Es ist etwas peinlich zuzugeben, dass man zwar ein Modell aller Teilchen im Universum hat, aber nicht weiss, woraus die restlichen 80-85% bestehen», sagt er. Hinzu kommt das Rätsel, warum der Urknall mehr Materie als Antimaterie hervorgebracht hat.

«Der FCC könnte die meisten offenen Fragen durch unabhängige Experimente angehen», sagt Kilminster.

Eine Maschine für das nächste Jahrhundert

In seiner ersten Phase wäre der FCC das, was Physiker eine «Higgs-Fabrik» nennen: eine Maschine, die entwickelt wurde, um unter präzise kontrollierten Bedingungen viele Higgs-Bosonen zu erzeugen. Elektronen und Positronen würden in einem neuen Ring mit einem Umfang von 90,7 Kilometern – mehr als dem Dreifachen der Länge des LHC – zirkulieren, der bis zu 200 Meter tief unter der Erde verlegt wäre.

«Die Hauptmotivation für den FCC besteht darin, das Higgs-Boson im Detail zu erforschen und es zu nutzen, um das Universum in Bereichen zu erforschen, die wir noch nicht verstehen», sagt Thomson.

In einer zweiten Phase, die möglicherweise in den 2070er Jahren in Betrieb gehen könnte, würde derselbe Tunnel einen Protonenbeschleuniger beherbergen, der Teilchen mit der zehnfachen Energie des aktuellen LHC aufeinanderprallen lassen könnte. Diese neue Maschine würde die aktuellen theoretischen Annahmen an ihre Grenzen bringen und möglicherweise neue, schwerere Teilchen entdecken. «Man könnte Teilchen erzeugen, die etwa die zehnfache Masse der heutigen Teilchen haben», sagt Kilminster.

Eine vom CERN-Rat gebilligte Machbarkeitsstudie, an der 1’500 Expert:innen mitwirkten, bestätigte die wissenschaftliche Tragfähigkeit des Vorhabens. Dabei wurden die wissenschaftlichen Ziele des Labors, die geologischen Gegebenheiten des Standorts sowie die Kosten und Umweltauswirkungen eines neuen Teilchenbeschleunigers untersucht.

Die vom CERN eingesetzte Europäische Strategiegruppe, in der einige der renommiertesten Teilchenphysiker:innen des Kontinents vertreten sind, beschrieb den FCC als «das weltweit umfassendste hochpräzise Teilchenphysikprogramm mit herausragendem Entdeckungspotenzial». Laut Thomson herrscht in der Teilchenphysik-Community ein absoluter Konsens darüber, dass der FCC der richtige Weg ist.

«Wir haben alle Optionen geprüft, und der FCC ist eindeutig die wissenschaftlich bevorzugte Anlage», sagt er.

Jenseits der Physik

Während die Wissenschaft das Projekt einmütig unterstützt, wird über die politischen und gesellschaftlichen Argumente für den FCC noch verhandelt. Die erforderlichen 15 Milliarden Schweizer Franken an Finanzmitteln sind bei weitem nicht gesichert und der Widerstand in der Bevölkerung wächst.

Ein Netzwerk schweizerischer und französischer Verbände, angeführt von der Genfer NGO Noé21, führt eine anhaltende Kampagne gegen das Projekt. Ihre Argumente: Der Stromverbrauch des CERN beläuft sich bereits auf etwa ein Drittel des Stromverbrauchs des gesamten Kantons Genf, und der Bau würde rund 8 Millionen Kubikmeter Aushubmaterial erzeugen. «Ich verstehe ihre Bedürfnisse, aber das bedeutet nicht, dass wir etwas akzeptieren müssen, das Dutzende Milliarden kostet und die Region für Jahre vergiftet», sagt Jean-Bernard Billeter von Noé21.

Thomson räumt ein, dass die Argumente noch nicht vollständig sind. «Wir müssen nachweisen, dass wir diese Maschine auf umweltverträgliche Weise bauen können», sagt er.

Wissenschaftler:innen weisen unterdessen darauf hin, dass die Vorteile der am CERN gemachten Entdeckungen weit über das Labor hinausreichen. Am CERN wurde das World Wide Web erfunden. Teilchenbeschleuniger ermöglichten die Entwicklung von Strahlentherapiegeräten für die Krebsbehandlung. Hochenergetische Synchrotronlichtquellen, die am CERN entwickelt wurden, sind heute unverzichtbare Werkzeuge zur Analyse neuer Materialien und zur Entwicklung neuer Medikamente.

Die zweite Phase des FCC-Projekts würde Fortschritte bei Hochtemperatur-Supraleitern für Hochfeldmagnete vorantreiben – eine Technologie mit direkten Anwendungen in der medizinischen Bildgebung und der Fusionsenergie. «In der Teilchenphysik versuchen wir, das nahezu Unmögliche zu erreichen, und entwickeln dann unsere Technologien bis ans nahezu Unmögliche weiter. Letztendlich wird sich daraus unweigerlich etwas ergeben», sagt Thomson.

Phase 1: Umbau des LHC

Bevor die Arbeiten am FCC beginnen, wird die bestehende Anlage des CERN grundlegend modernisiert. Am 30. Juni wird der Large Hadron Collider (LHC) für vier Jahre abgeschaltet. Die modernisierte Anlage – bekannt als High Luminosity LHC oder HiLumi – soll etwa zehnmal so viele Protonenkollisionen erzeugen wie der ursprüngliche LHC. Dies ermöglicht deutlich detailliertere Messungen des Higgs-Bosons, einschliesslich erstmals seiner Wechselwirkung mit sich selbst.

Physiker:innen installieren neue Magnete aus neuartigen supraleitenden Materialien, die Magnetfelder von 11,3 Tesla erzeugen – im Vergleich zu den derzeitigen 8,6 Tesla. Maria Spiropulu vom Caltech hat an der Entwicklung eines neuen Zeitdetektors für das CMS-Experiment mitgewirkt, der Kollisionen im Abstand von nur 30 Pikosekunden unterscheiden kann.

Das HiLumi-Upgrade ist in Thomsons Worten «eine neue Ära für den LHC» – und eine wissenschaftliche Brücke zu dem, was als Nächstes kommt.

Editiert von Gabe Bullard und Veronica DeVore

Übertragung aus dem Englischen mit der Hilfe von KI: Petra Krimphove