Teilchenphysik: Teilchenjagd auf der Erde und im Weltall

Bei der größten Konferenz für Hochenergiephysik des Jahres trafen sich Fachleute aus aller Welt in Wien. Man feierte die Entdeckung eines neuen Teilchens und träumte von den Revolutionen der nächsten Jahre.

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(c) EPA (MARTIAL TREZZINI)

Bis vergangenen Mittwoch war Wien der Nabel der Welt für jene, die sich mit Elementarteilchen beschäftigen. 750 Teilnehmer diskutierten neueste Erkenntnisse darüber, was die Welt im Innersten zusammenhält. Im Zentrum der Konferenz zur Hochenergiephysik der Europäischen Physikalischen Gesellschaft stand wenig überraschend der LHC am CERN, der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt. Zu Gast war auch der Generaldirektor des CERN, Rolf Heuer, der im gut gefüllten Audimax der Uni Wien einem interessierten Publikum von Nichtphysikern mit Leidenschaft von seinem Fachgebiet erzählte. Solche Vorträge für gemischtes Publikum gab es bei der Konferenz, die alle zwei Jahre stattfindet, zum ersten Mal, wie Jochen Schieck, Direktor des Hochenergiephysik-Instituts der Akademie der Wissenschaften, betont.

Später gab Heuer vor Journalisten einen Überblick über die neuesten Entwicklungen beim LHC, die nicht nur von Spezialisten mit Spannung erwartet werden, weil sie mit etwas Glück unser Verständnis des Universums wesentlich verändern könnten.

 

Seit Juni liefert LHC nun Daten

Heuer bremst die Erwartungen: „Der LHC war ja zwei Jahre heruntergefahren, dabei wurden viele Verbesserungen durchgeführt. Über eine Million Arbeitsstunden wurden in den Beschleuniger investiert. Nun ist die Energie der Kollisionen um 70 Prozent höher.“

Je höher die Energie, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass schwere Teilchen entstehen, und nach solchen suchen die Forscher. Nach dem „Tuning“ bestehen also gute Aussichten, etwas völlig Neues zu finden. Seit Juni sammelt der LHC wieder Daten. „Wir sind jetzt gerade dabei, die Zahl der Kollisionen zu erhöhen“, so Heuer. Man müsse außerdem zeigen, dass man die neuen Daten auch versteht. „Wir konnten alle bekannten Teilchen wieder entdecken, außer dem Higgs, das fehlt noch.“

Derzeit seien alle Daten im Einklang mit dem sogenannten Standardmodell, der umfassendsten und grundlegendsten Theorie der Materie, zu der auch das 2012 entdeckte Higgs gehört.

Ein neues Teilchen konnte inzwischen tatsächlich entdeckt werden, Pentaquark genannt. Während Protonen und Neutronen aus je drei Quarks bestehen, hat das Pentaquark fünf. Es ist, wie viele bekannte Elementarteilchen, sehr kurzlebig und kommt in der Natur praktisch nicht vor. Seine Entdeckung war erwartet worden und ist ein weiterer Erfolg für den LHC, hat aber nicht dieselbe Bedeutung wie der Fund des Higgs, bei dem es sich, im Gegensatz zum Pentaquark, um ein fundamentales Teilchen handelt. Das Pentaquark wird helfen, die Bindungsmechanismen in Protonen und Neutronen besser zu verstehen.

Der LHC hat für die nächsten Jahre noch weit ambitioniertere Ziele: „Unser Traum ist es, dunkle Materie zu produzieren.“ Das Standardmodell beschreibt ja nicht das ganze Universum, wie Heuer betont. 80 Prozent der Materie im Universum sind dunkel, also mit Teleskopen nicht sichtbar. Die Galaxien, die wir am Himmel sehen, sollten eigentlich gar nicht stabil sein, sie erscheinen zu leicht.

Vermutungen besagen, es könnte sich bei der unsichtbaren Masse um bisher unbekannte, schwere Teilchen handeln, die nicht mit Licht wechselwirken und aus der Frühzeit des Universums stammen. Mit etwas Glück sind sie „leicht genug, dass der LHC sie erzeugen kann“. Österreichische Institute, die bei den Detektoren CMS und Atlas mit im Boot sind, werden bei der Suche eine entscheidende Rolle spielen.

Solche Verbindungen zwischen Teilchenphysik und Astrophysik sind bei der Konferenz an der Tagesordnung. Das liegt nicht zuletzt daran, dass die Materie, aus der unser Planet besteht, durch das Standardmodell außergewöhnlich gut beschrieben wird. Lücken im Verständnis, die als Ansatzpunkte für neue Entwicklungen dienen könnten, gibt es hauptsächlich in der Astrophysik. Ein spektakuläres neues Ergebnis hat der Astrophysiker Francis Halcen im Gepäck. Er leitet das Ice-Cube-Experiment, bei dem Neutrinos aus den Weiten des Weltalls detektiert werden. Neutrinos sind sehr leichte Teilchen, die im Standardmodell als Partner von Elektronen und Myonen verstanden werden. Sie werden in großen Mengen in der Sonne produziert, weil sie Nebenprodukte der dort ständig stattfindenden Kernfusion sind. Doch auch aus ferneren Regionen des Universums kommen Neutrinos zu uns, unter anderem solche mit sehr hoher Energie.

 

Im Eis des Südpols

Ice-Cube ist der größte Neutrinodetektor der Welt, im Eis des Südpols, einen Kubikkilometer groß. Halcen wurde auf der Konferenz mit dem Cocconi-Preis ausgezeichnet, für herausragende Leistungen in der Astrophysik. Er weist darauf hin, dass man die Quelle der kosmischen Strahlung immer noch nicht kennt – über hundert Jahre nach ihrer Entdeckung durch den Österreicher Victor Hess. Besonders hebt Halcen die Wichtigkeit kommender Experimente zum Nachweis von Gravitationswellen hervor, in Kombination mit seinen Neutrino-Messungen.

„Wir träumen von der nächsten galaktischen Supernova“, also einer Sternexplosion in einer fernen Galaxie, die aufgrund ihrer gewaltigen Energie auch bei uns zu beobachten wäre. Dabei würden nicht nur hochenergetische Neutrinos, sondern auch starke Gravitationswellen entstehen. Die kombinierte Messung wäre wie ein Jackpot für die Forscher.

Lexikon

Pentaquark nennt man den Bindungszustand aus vier Quarks und einem Antiquark. Quarks sind die elementaren Bausteine der Protonen und Neutronen. Zusammengehalten wird das Pentaquark von der starken Wechselwirkung, die über Gluonen vermittelt wird. Vermutet wurde das Teilchen seit den 1960er-Jahren. Die Entdeckung gelang erst im Juni 2015 am LHCb-Detektor des LHC, der erforschen soll, warum das Universum mehr Materie als Antimaterie enthält.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 01.08.2015)

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