Die Teilchenphysik hat sich in den letzten fünfzig Jahren zu einem eigenständigen, überaus fruchtbaren Forschungsgebiet entwickelt. Experimente mit hochenergetischen Teilchenstrahlen – durchgeführt an großen Beschleunigern – liefern Erkenntnisse über die innerste Struktur von Materie, Raum und Zeit sowie über die fundamentalen Kräfte im Universum. Erst mit diesem Wissen lässt sich die oftmals verwirrende Vielfalt der Naturphänomene verstehen.

Wir wissen heute, dass es eine Vielzahl von subatomaren Teilchen gibt, die sich in ein wohl geordnetes Schema einfügen. So gibt es neben dem Elektron, das in der Hülle der Atome auftritt, verwandte Teilchen, welche die Physiker als Leptonen zusammenfassen. Proton und Neutron sind zwar die Grundbausteine der Atomkerne, bestehen ihrerseits aber aus noch kleineren Einheiten, den Quarks. Nach unserem heutigen Verständnis sind Leptonen und Quarks die elementaren Bausteine der uns bekannten Materie.

Einen nicht minder bedeutenden Anteil am Aufbau der Welt haben die vier fundamentalen Kräfte im Universum. Die Schwerkraft und die elektromagnetische Kraft sind uns aus unserer makroskopischen Alltagswelt vertraut. Die schwache Kraft ist für radioaktive Zerfälle von Atomkernen verantwortlich. Die starke Kraft wiederum wirkt nur auf kürzeste Entfernung und nur zwischen den aus Quarks aufgebauten Teilchen, den so genannten Hadronen. Es ist die starke Kraft, die Atomkerne zusammenhält – ohne sie würden die Protonen im Kern aufgrund ihrer elektromagnetischen Abstoßung sofort auseinander fliegen.

Der Erfolg der Teilchenphysik fußt maßgeblich auf dem Zusammenspiel der Entwicklung von theoretischen Modellen und den Experimenten mit Teilchenbeschleunigern. Indem die Wissenschaftler die verschiedensten Partikel zusammenprallen lassen und ihre Wechselwirkungen genauestens analysieren, können sie Aufbau und Eigenschaften der fundamentalen Teilchen und Kräfte erforschen. Es ist allzu verständlich, dass die Teilchenphysiker immer weiter physikalisches Neuland erschließen wollen. Dazu brauchen sie größere Beschleuniger, die ihnen den Zugang zu noch höheren Energien ermöglichen.

Derzeit ist am Cern, dem Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik in der Nähe von Genf, ein neuer Ringbeschleuniger im Bau. Dieser Large Hadron Collider (LHC) soll Protonen mit Protonen kollidieren lassen, die zuvor auf Energien im Teraelektronenvolt(TeV)-Bereich beschleunigt wurden. Des Weiteren gibt es Pläne für einen neuartigen Linearbeschleuniger, der Leptonen aufeinander schießen soll. Das deutsche Konzept Tesla (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator) sieht einen 33 Kilometer langen Linearcollider mit integrierten Röntgenlasern vor. Die Beschleunigungsstrecke für Elektronen soll bei dem Forschungszentrum Desy in Hamburg beginnen, diejenige für Positronen bei Westerhorn im Norden des Kreises Pinneberg. In der Mitte der Strecke, in Ellerhoop, sollen die beiden Teilchenstrahlen aufeinander prallen. Dort sollen auch die Röntgenlaser aufgebaut werden. Deren Leuchtstärke soll bis zu einer Milliarde Mal höher sein als die bisheriger Röntgenanlagen – und das bei extrem kurzen Pulsdauern, die es ermöglichen, schnell ablaufende atomare Vorgänge im Film festzuhalten.

Beide Beschleuniger, sowohl LHC als auch Tesla, bedienen sich supraleitender Technologien, um die Teilchen auf hohe Energien zu bringen. Aber wie rechtfertigen die Forscher den immensen Aufwand für diese Großforschungsanlagen? Welchen Fortschritt erwarten sie durch die damit möglichen Experimente? Spektrum der Wissenschaft sprach mit Professor Albrecht Wagner, dem Vorsitzenden des Direktoriums des Forschungszentrums Desy.

Interview


Spektrum der Wissenschaft: Herr Professor Wagner, warum ist eine neue Generation von Teilchenbeschleunigern nötig?

Professor Albrecht Wagner: Bisherige Experimente haben in glänzender Weise das Standardmodell der Teilchenphysik bestätigt, das von unglaublicher Präzision ist. Zugleich haben wir gesehen, dass zentrale Fragen noch unbeantwortet sind. Die gesuchten Antworten sind in einem Energiebereich zu finden, der erst mit einer neuen Generation von Beschleunigern zugänglich wird – sowohl mit dem LHC als auch mit einem Elektron-Positron-Collider.

Spektrum: Welche Fragen sollen mit diesen Anlagen beantwortet werden?

Wagner: Da ist zunächst einmal die Frage nach dem Mechanismus, mit dem die Teilchen zu ihrer Masse kommen. Die heute bevorzugte Vermutung ist die, dass die Teilchen im Universum eigentlich masselos sind, das Universum aber ausgefüllt wird von einem noch unbeobachteten Feld, dem Higgs-Feld, das durch diese masselosen Teilchen lokal verformt wird. Aus dieser Deformation erhielten die Teilchen ihre Massen, wie wir sie kennen.Eine andere Frage ist: Gibt es einen Zusammenhang zwischen den vier Grundkräften? Oder, wenn Sie so wollen, mit den drei Grundkräften – wir wissen inzwischen ja, dass die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung sich in der elektroschwachen Kraft vereinigen lassen. Wir wollen in Erfahrung bringen, ob das auch für die anderen Kräfte gilt.

Spektrum: Also letztlich eine Vereinigung der Quantenphysik mit der Gravitation?

Wagner: Ja. In diesem Zusammenhang wird außerdem eine neue Symmetrieeigenschaft der Natur, die Supersymmetrie, diskutiert. Aus dieser Theorie folgt als experimentelle Konsequenz, dass es doppelt so viele elementare Teilchen geben sollte, wie wir sie heute kennen. Für jedes Teilchen mit Spin ½ – Quarks und Elektron beispielsweise – gibt es einen supersymmetrischen Partner mit ganzzahligem Spin. Und umgekehrt: Für jedes Kraftteilchen mit ganzzahligem Spin – Photon und Gluon etwa, die Trägerteilchen der elektromagnetischen und der starken Kraft – gibt es supersymmetrische Partner mit halbzahligem Spin. Damit wäre zugleich ein Zusammenhang zwischen den Masseteilchen und den Kraftteilchen hergestellt.Außerdem: Das leichteste dieser noch hypothetischen supersymmetrischen Teilchen ist einer der besten Kandidaten für die Dunkle Materie im Universum. Die Astronomen haben ja herausgefunden, dass nur ein kleiner Teil der im All vorhandenen Gesamtmasse in Form von Sternen und anderen Himmelskörpern vorliegt. Woraus der überwiegende Rest besteht, ist rätselhaft. Die Teilchenphysiker werden dazu beitragen, dieses Rätsel zu lösen.

Spektrum: Und das können Sie mit LHC und Tesla?

Wagner: Um über Theorie und Spekulation hinauszukommen, brauchen wir Experimente, die uns genauere Informationen liefern. Mit dem LHC werden wir wichtige Antworten erhalten, wie auch in der Vergangenheit mit Proton-Beschleunigern. Das allein wird aber nicht ausreichen. Die Erfahrung zeigt, dass Positron-Elektron-Maschinen wie Tesla ebenfalls eine ganz zentrale Rolle spielen.

Spektrum: Was ist der wesentliche Unterschied zwischen LHC und Tesla? Warum reicht eine Maschine nicht aus?

Wagner: Der Unterschied liegt in den Teilchen, die zusammenstoßen. Elektronen und Positronen sind Leptonen, also fundamentale Teilchen. Wir wissen genau, was kollidiert, und können darum das Endresultat ohne große Annahmen analysieren und genau verstehen. Wir können auch die Strahlenergie exakt variieren und präzise durch die Energieschwelle hindurchfahren, an der ein neues Teilchen erzeugt wird. Damit lassen sich dessen Masse und seine anderen Eigenschaften exakt bestimmen. Wir können auch gewisse Prozesse ein- und ausschalten, etwa indem wir Elektronen und Positronen polarisieren. Derartige Reaktionen sind also ein hochkontrolliertes, hochverstandenes System.Protonen hingegen sind außerordentlich komplexe Gebilde, wie wir zum Beispiel aus den Experimenten an Hera bei Desy wissen. Wenn Sie ein Proton auf ein anderes Proton schießen, wissen Sie nicht, ob Quarks auf Antiquarks, Quarks auf Quarks, Gluonen auf Quarks oder Gluonen auf Gluonen prallen. Diese fehlende Kontrolle macht die Analyse sehr viel komplexer und schwieriger. Zudem gibt es viele Prozesse, die uns überhaupt nicht interessieren, die wir aber nicht abschalten können. Deshalb ist das Verhältnis von Signal zu Untergrund um viele Größenordnungen schlechter als bei Leptonen-Kollisionen. Die Messgeräte sind also immer voll mit Ereignissen, die uns stören. Hingegen sind bei Positron-Elektron-Collidern die interessanten Signale genauso unübersehbar wie der Mount Everest im Himalaja. Also eine ganz unterschiedliche Situation.

Spektrum: Warum beschränkt man sich nicht gleich auf Leptonen-Kollisionen?

Wagner: Elektronen sind nicht so einfach auf hohe Energien zu bringen wie Protonen. Mit Letzteren geht das leichter. Allerdings erkauft man sich diesen Vorteil durch ein viel komplexeres Umfeld, in dem das Extrahieren der Signale schwierig ist.

Spektrum: Es hat also jeder Beschleunigertyp seine Vor- und Nachteile?

Wagner: Ja. Vom Betrieb her und was man damit machen kann. Wollen Sie beispielsweise die supersymmetrischen Partner von Quarks und Gluonen untersuchen, nutzen Sie dazu besser eine Proton-Maschine. Die supersymmetrischen Partner der Leptonen wiederum lassen sich sehr viel leichter in einer Positron-Elektron-Maschine studieren. Beide Beschleunigertypen ergänzen sich hervorragend.

Spektrum: Ein konkretes Beispiel?

Wagner: Die Untersuchung der Z-Bosonen etwa begann mit einer Entdeckung am Proton-Antiproton-Collider im Cern. Aber wirklich im Detail gemessen und damit auch verstanden wurde dasZ-Boson erst durch Experimente mit dem Beschleuniger Lep, der Elektronen auf Positronen schoss. Plakativ gesagt: Ein Hadron-Collider ist eine Entdeckungsmaschine, und ein Elektron-Positron-Collider eine Verständnis-Maschine. Deshalb ergänzen sich beide Typen in einer sehr guten und überzeugenden Weise. Ohne Lep würden wir im Verständnis des Standardmodells nicht so weit sein – trotz eines Tevatrons, das zu höheren Energien kommt. Im Tevatron, dem Proton-Antiproton-Speicherring des Fermilab bei Chicago, konnten unsere Kollegen das top-Quark direkt messen. Mit Lep ging das nicht. Aber mit Lep war die Messung so genau, dass man aus indirekten Effekten eine Vorhersage für das top-Quark gemacht hat. Dies hat sozusagen eine Punktlandung für die Energie ermöglicht, bei der im Tevatron das top-Quark gemessen wurde.

Spektrum: Zu Tesla: Würde die Energie dieses Linearcolliders ausreichen, um Quanten- und Gravitationstheorie zu vereinigen?

Wagner: Nein – weil diese Vereinigung vermutlich in einem Energiebereich stattfindet, den niemand je erreichen wird. Aber: Wir wissen heute schon, dass ein wesentlicher Teil der supersymmetrischen Teilchen entweder mit LHC oder mit Tesla gesehen werden kann. Vorausgesetzt natürlich, die Natur hat sich nicht ein anderes Szenario ausgedacht als die Supersymmetrie. Mit der Entdeckung der ersten supersymmetrischen Teilchen ergäbe sich eine Situation wie in der Optik vor hundert Jahren: Als die Physiker anfingen, die ersten Spektrallinien zu vermessen, legten sie damit die Grundlagen für die Quantenmechanik. In der Teilchenphysik wird das ähnlich sein: Die Messung der ersten Teilchen in einem Massenspektrum wird die Grundlage für eine erweiterte Theorie der Teilchenphysik sein. Heute wissen wir schon aus Präzisionsmessungen mit Lep, dass die Masse des gesuchten Higgs-Teilchen mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 bis 95 Prozent unter 180 Gigaelektronenvolt liegen muss.

Spektrum: Lep hat ja auch Elektronen und Positronen beschleunigt, und zwar in einem Ring. Was ist der Vorteil der linearen Beschleuniger-Anordnung bei Tesla?

Wagner: Mit einem Ringbeschleuniger wie Lep kommen Sie nicht zu noch höheren Energien, weil die Elektronen auf der Kreisbahn Energie in Form von Synchrotronstrahlung abstrahlen. Wenn Sie mit Lep die Teilchenenergie hätten verdoppeln wollen, hätten Sie 16-mal mehr Energie reinstecken müssen, weil die Abstrahlung mit der vierten Potenz der Teilchenenergie ansteigt. Das wäre weder ökonomisch noch sinnvoll. Ferrari baut ja auch nicht starke Motoren, um dann das Auto mit angezogener Handbremse fahren zu lassen. Wenn Sie mit Elektronen 500 Giga- oder ein Teraelektronenvolt erreichen wollen, müssen Sie die Kreisbahn meiden und geradeaus gehen.

Spektrum: Die Synchrotronstrahlung ist einerseits unerwünscht wegen der Strahlungsverluste, andererseits hat sie auch ganz nette Anwendungen.

Wagner: Mehr als das. Tesla ist deshalb nicht nur ein Beschleuniger für die Teilchenphysik, sondern gleichzeitig auch ein Röntgenlaser. Wenn man sich überlegt, wie man die benötigten Ereignisraten bekommt, dann stellt man fest: Der Elektronenstrahl muss so fokussiert und pfleglich behandelt werden, dass er über die gesamte Beschleunigerstruktur hinweg eine hohe Qualität hat. Hat man aber erst einmal einen solchen Strahl und schickt ihn durch einen Undulator – eine Anordnung von Magneten, welche die Elektronen zu Schlingerbewegungen zwingen –, dann erhält man einen Röntgenlaser. Damit können wir vier Dinge erreichen, die mit heutigen Anlagen nicht möglich sind: Pro Laserpuls stehen zehn Milliarden Mal mehr Photonen zur Verfügung. Die Dauer des Pulses reduziert sich von vielen Pikosekunden auf unter hundert Femtosekunden; auf dieser Zeitskala laufen alle elementaren biologischen, chemischen und physikalischen Prozesse in der Natur ab. Die Wellenlänge des freien Elektronenlasers können Sie durchstimmen, indem Sie die Energie der Elektronen variieren. Und die Strahlung ist kohärent. Dass dies alles erreichbar ist, konnte mit der Tesla-Testanlage bei Desy bewiesen werden.

Spektrum: Tesla ist also ungewöhnlich vielseitig, weil ich sowohl Teilchenphysik betreiben kann als auch eine hocheffiziente Synchrotronstrahlungsquelle habe?

Wagner: Genau. Der freie Elektronenlaser eröffnet völlig neue Perspektiven. Sie können Prozesse in ihrer zeitlichen Abfolge in atomarer Auflösung verfolgen, weil die Wellenlänge dieses Röntgenlasers bis zu 0,1 Nanometer reicht. Sie können damit den Aufbau von Biomolekülen sichtbar machen. Mit heutigen Verfahren bräuchten Sie einen Kristall, aber viele dieser Moleküle kristallisieren nicht. Mit dem neuen Laser können Sie ein einzelnes Eiweißmolekül ansehen und so viele Photonen daran streuen, dass Sie es abbilden und seine Struktur rekonstruieren können, bevor es Ihnen infolge der eingestrahlten Energie um die Ohren fliegt.

Spektrum: Es gibt weltweit ungefähr fünfzig Beschleuniger, die ebenfalls Synchrotronstrahlungsquellen sind. Der Vorteil von Tesla wäre nun die viel höhere Leuchtstärke und gleichzeitig der Lasereffekt?

Wagner: Leuchtstärke und Lasereffekt sind verschiedene Facetten ein und desselben Prozesses, der selbstverstärkten spontanen Emission. Ein Elektronenpaket, das auf einer Schlingerbahn durch den Undulator läuft, sendet Photonen aus. Diese wandern mit dem Teilchenbündel mit. Und da die Photonen an die Elektronen koppeln, entsteht im Elektronenpaket eine Substruktur, die wie ein Dipol wirkt. Dadurch nimmt die Intensität der Strahlung mit dem Quadrat der Ladung zu. Da ein Paket rund 10⁹ Elektronen enthält, erhöht sich die Anzahl der Photonen auf das Milliardenfache. Durch die Wechselwirkung zwischen den Elektronen und den Photonen schwingen letztlich alle Elektronen im Gleichtakt, und die Strahlung ist kohärent.

Spektrum: Lassen sich an Tesla gleichzeitig Experimente zur Teilchenphysik und mit dem freien Elektronenlaser durchführen?

Wagner: Es ist beides parallel möglich. Im ursprünglichen Entwurf hat der Beschleuniger für die Teilchenphysik gleichzeitig auch die verschiedenen Laserstrahlen bedient. Wir haben inzwischen auf Empfehlung des Wissenschaftsrats das Konzept so geändert, dass der Laser seinen eigenen Beschleuniger bekommt. Das ist zwar teurer, aber beide Anlagen lassen sich flexibler nutzen. Die höheren Kosten fangen wir auf, indem wir die Zahl der Laserstrahlen in der ersten Projektphase verringern.

Spektrum: Gibt es international Konkurrenzprojekte zu Tesla?

Wagner: In Japan und in den USA gibt es Vorschläge, den Linearcollider mit einer anderen Technologie zu realisieren. Diese Studien haben vor etwa zehn Jahren begonnen, als man supraleitende Beschleuniger für viel zu teuer hielt. Das hat sich als nicht richtig erwiesen. Die Kosten sind also kein zentrales Argument für die Auswahl einer bestimmten Technologie. Andererseits hat sich gezeigt, dass die Supraleitung die leistungsfähigere Technologie ist.

Spektrum: Steht der Standort Schleswig-Holstein schon fest?

Wagner: Wir schlagen diesen Standort vor, und das ist auch in Europa der einzige, der diskutiert wird. Aber im Grunde ist Tesla auch woanders denkbar. Die Teilchenphysiker sind sich weltweit einig, dass eine solche Anlage notwendig ist. Nun müssen sie sich auf eine Technik einigen. Dann können sie zu den Politikern gehen und sagen: Alle wollen das, jetzt bitte sagt, ob ihr nicht nur beteiligt sein, sondern auch als Sitzland eine zentrale Rolle übernehmen wollt. Denn das Sitzland sollte einen größeren Teil der Kosten übernehmen.

Spektrum: Wie lange würde es dauern, bis Tesla einsatzbereit wäre?

Wagner: Die Bauphase dauert acht Jahre. Die Hälfte davon ist Infrastrukturarbeit wie das Bohren des Tunnels. Der Rest wird für den Aufbau der Maschine gebraucht. Mit dem Laser könnten wir wohl nach sechs Jahren erste Gehversuche machen, in der Teilchenphysik nach acht Jahren. Die Inbetriebnahme wird etwa ein Jahr erfordern. Also frühestens 2012 könnten wir die ersten wirklichen Daten aufnehmen.

Spektrum: Was würde es bedeuten, wenn Tesla nicht gebaut würde?

Wagner: Das wäre ein dramatischer Verlust für die Teilchenphysik. Ich rede jetzt noch nicht mal von Tesla in Hamburg, sondern generell von einem Positron-Elektron-Collider irgendwo auf der Welt. Ohne ein solches Werkzeug würde ein absolut wesentliches Element fehlen, um die eingangs diskutierten Fragen zu verstehen.

Spektrum: Wenn Tesla gebaut wird, heißt das aber nicht, dass dann Hera oder andere Beschleuniger überflüssig wären?

Wagner: Hera wird voraussichtlich Ende 2006 seine Aufgabe erfüllt haben. Das Wissen wird sich dann mit dieser Maschine nicht weiter steigern lassen. Außerdem: Man muss auch etwas zumachen, wenn man was Neues anfängt. Das passt alles zeitlich sehr gut zueinander. Der LHC hat eine ganz klare Aufgabe, die sich mit Tesla gut ergänzen würde. Und das sind die beiden einzigen konkreten großen Beschleunigerprojekte. Alle anderen sind in einer frühen Ideenphase, wo man noch gar nicht über ein Projekt reden kann.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2003, Seite 83
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