Die Physik der kleinsten Teilchen
Der Urknall vor knapp vierzehn Milliarden Jahren markiert die Geburtsstunde von Raum, Zeit und Materie. Seitdem dehnt sich das Universum immer weiter aus. Doch wie liefen sie ab, die ersten Momente nach dem Big Bang? Aus welchen elementaren Bausteinen setzt sich unsere Welt zusammen? Und welche Naturkräfte wirken dabei?
Zur Beantwortung dieser und weiterer fundamentaler Fragen werden einzigartige Experimente am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), dem europäischen Forschungszentrum für Teilchenphysik bei Genf, durchgeführt. Mehr als 1300 Wissenschaftler*innen von 29 deutschen Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen tragen maßgeblich zu den dortigen Untersuchungen bei.
Der Teilchenbeschleuniger
Mit seinen fast 27 km Umfang beschleunigt der Large Hadron Collider Protonen oder schwere Atomkerne auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Mit hoher Energie kreisen die Teilchenpakete im und gegen den Uhrzeigersinn und kollidieren an verschiedenen Stellen im Ring frontal miteinander. Um die Kollisionswahrscheinlichkeit zu maximieren, befinden sich bis zu 3000 Teilchenbündel mit jeweils maximal 100 Milliarden Teilchen im LHC-Ring auf Kollisionskurs. Bei diesen Zusammenstößen können Rekordenergien von bis zu 13,6 Teraelektronenvolt erreicht werden. So finden bis zu 1,5 Milliarden Kollisionen pro Sekunde statt. Diese vielen Kollisionen werden benötigt, um die sehr seltenen Teilchen und Prozesse zu erzeugen, die für die Forscher*innen besonders interessant sind. Um eine maximale Anzahl von Kollisionen zu erzeugen, läuft der LHC im Normalbetrieb daher auch rund um die Uhr.
Die vier Großexperimente
Die vier Experimente ALICE, ATLAS, CMS und LHCb sind riesige, hochkomplexe Teilchendetektoren, die bis zu 40 Millionen Mal pro Sekunde die Spuren der Kollisionen aufzeichnen können. Mit Hilfe von komplexen Computersystemen und Softwarealgorithmen werden die Signale der Detektoren zu Kollisionsereignissen rekonstruiert und die enormen Datenmengen mit modernsten statistischen Methoden und Verfahren der künstlichen Intelligenz ausgewertet. Die so gewonnen Erkenntnisse werden anschließend mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Aus diesem Vergleich können Rückschlüsse auf die Wechselwirkungen und die Eigenschaften der an den Kollisionen beteiligten Elementarteilchen gewonnen werden.
Aktuelle Forschungsfragen
In den vergangenen Jahrzehnten ist es den Wissenschaftler*innen gelungen, mit dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik eine der erfolgreichsten Theorien der Naturwissenschaften aufzustellen. Es ist in der Lage, die Eigenschaften der Teilchen und ihre Wechselwirkungen präzise zu beschreiben, und liefert damit die Grundlage für ein tieferes Verständnis der Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute.
Die vier LHC-Experimente haben in den letzten Jahren die Vorhersagen des Standardmodells mit immer höherer Präzision überprüft und dabei auch Prozesse identifiziert, die vorher völlig unbekannt waren. Trotz dieser weitreichenden Erfolge ist es den Forscher*innen bisher nicht gelungen das Universum in seiner Gänze zu beschreiben und viele Rätsel bleiben weiterhin ungelöst.
Das Higgs-Teilchen wurde 2012 durch die Experimente ATLAS und CMS nachgewiesen. Laut der Theorie des Standardmodells ist das Higgs eng mit dem Ursprung der Massen der Elementarteilchen verbunden. Seine Eigenschaften zu vermessen ist von immenser Bedeutung für unser Verständnis des Universums und daher ein wichtiges Forschungsziel der Wissenschaftler*innen.
Nur etwa fünf Prozent des Universums bestehen aus der bereits bekannten Materie. Der größte Teil des Universums wird von der mysteriösen Dunklen Materie und Dunklen Energie gefüllt. Über beide ist bisher nur sehr wenig bekannt.
Nach unserem aktuellen Kenntnisstand müssten Materie und Antimaterie beim Urknall zu gleichen Teilen entstanden sein. Allerdings besteht unsere Welt nur aus Materie. Warum existiert dieses Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie?
Deutschland und CERN – eine langjährige Partnerschaft
Das europäische Labor für Teilchenphysik, CERN, ist ein Musterbeispiel für internationale Zusammenarbeit in der Wissenschaft. Mehr als 17000 Forscher*innen und Mitarbeiter*innen aus aller Welt sind an der Umsetzung der dort realisierten, sehr ambitionierten Großforschungsprojekte beteiligt. Bereits seit der Gründung des CERN 1954 sind experimentell und theoretisch arbeitende Teilchenphysiker*innen aus Deutschland an der Gestaltung dieses einzigartigen Forschungszentrums und seiner Großgeräte beteiligt. Heute leisten die deutschen Gruppen aus den vier ErUM-Forschungsschwerpunkten nicht nur wichtige Beiträge zur wissenschaftlichen Erkenntnis, sondern tragen auch in den folgenden Bereichen maßgeblich zur Arbeit bei:
- Konstruktion und Weiterentwicklung der Detektorkomponenten
- Durchführung und Auswertung der Experimente
- Übernahme von Führungsverantwortung innerhalb der LHC-Kollaborationen
- Entwicklung von Software für Datenauswertung und theoretische Berechnungen
Kennzahlen der deutschen Forschungsgruppen am LHC
29
Institute
>1300
Forscher*innen
~3000
Veröffentlichungen
>1000
abgeschlossene Promotionen
~29 Mio. €/Jahr
Förderung der Hochschulen
alle 3 Jahre
Begutachtung der ErUM-FSPs durch das BMFTR
bis 2037
Laufzeit des LHC
Beteiligte Standorte
Mehr als 1300 Wissenschaftler*innen von 23 geförderten Hochschulen und 6 assoziierten Forschungseinrichtungen der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF) und der Max-Planck-Gesellschaft sind aktuell an den ErUM-FSPs am LHC beteiligt.
Bei Klick auf einen der vier Experimentnamen werden die beteiligten Standorte in der Karte aktiviert oder deaktiviert.
Die Zukunft des LHC: Demnächst noch leistungsstärker
Mit den Resultaten des Large Hadron Colliders (LHC) konnte das Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigt und präzisiert werden. Dennoch bleiben viele Fragen offen. Um der Beantwortung dieser Fragen näher zu kommen, werden der LHC und seine vier Detektoren ab 2026 in einer mehrjährigen Umbauphase grundlegend modernisiert. Der sogenannte High-Luminosity LHC wird das Potenzial für spannende Entdeckungen erheblich steigern.
Wegen der langen Planungs- und Entwicklungszeiten haben die Wissenschaftler*innen der ErUM-FSPs bereits vor vielen Jahren damit begonnen, diese Ausbauprojekte voranzutreiben. Mit der Förderung durch das BMFTR werden die neuen Detektoren an den deutschen Hochschulinstituten und Forschungseinrichtungen gemeinsam mit internationalen Partnern entwickelt, gebaut, getestet und schließlich am LHC installiert. Nach diesem Ausbau sollen bis mindestens 2037 Messungen durchgeführt werden.
Mehr über den High-Lumi LHC