Beobachtungstipp im Juli 2008

Wissenschaftler am CERN arbeiten am Weltuntergang... oder so ähnlich lesen sich in diesen Tagen die Schlagzeilen um zweifelhafte Experimente am Kernforschungszentrum CERN in Genf. Im Herbst 2008 soll dort der Large Hadron Collider in Betrieb genommen werden, in dessen Innenleben ein Schwarzes Loch entstehen könnte. Schwarze Löcher haben einen schlechten Ruf, da man ihnen Gefräßigkeit vorwirft. Würde das entstehende Schwarze Loch erst angefüttert, ein kleines Staubkörnchen könnte reichen, so könnte es wachsen und das CERN mit den vielen Tausend Mitarbeitern sind dann das erste Opfer des Ungetüms, bevor es ins Innere der Erde wandert und die Erde aushöhlt.

Lohnt es sich also, jetzt schon die Weihnachtsgeschenke zu kaufen oder sollte man ängstlich jeden Tag in Richtung Schweiz blicken. Schließlich warnen sogar richtige Experten vor dem Spiel mit dem Feuer. Was erforschen die Wissenschaftler am CERN eigentlich? Und was wird dort wirklich passieren?

Wir sollten uns zunächst mit dem Large Hadron Collider, kurz LHC, beschäftigen, um zu erfahren, was diese "Höllenmaschine" eigentlich leistet. Der LHC ist ein so genannter Teilchenbeschleuniger. Hier werden keine Bäckereileckereien herumgeschleudert, sondern Kernteilchen, in diesem Falle Protonen. Protonen sind im einfachsten Fall geladene Wasserstoffatome, denen das Elektron entrissen wurde. Diese Teilchen werden in einem 27km langen Ring durch ein Magnetfeld auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. In der Beschleunigerröhre herrscht ein Hochvakuum, so dass die Protonen ungestört Fahrt aufnehmen können. An bestimmten Stellen des Ringes befinden sich Teilchendetektoren. Hier werden die Protonen abrupt gebremst, indem sie auf entgegenkommende Protonen stoßen. Die Detektoren zeichnen den Zusammenprall auf und werten die Zusammenstösse aus.

Wie läuft ein solcher Crashtest ab? Bleiben wir dazu mal bei den Gebäckteilchen. Nehmen wir also an, wir beschleunigen zwei Kuchenkrümmel im LHC auf fast Lichtgeschwindigkeit und lassen sie zusammenstoßen. Was werden unsere Detektoren finden? Vielleicht zwei Berliner, einen Amerikaner oder drei Nussecken, vielleicht aber auch eine Schwarzwälderkirschtorte. Kann so was wirklich passieren? Die Antwort muss lauten: Ja, mit einer ungewissen Wahrscheinlichkeit schon.

Im LHC werden zwar keine Gebäck teilchen beschleunigt, doch die Kollision von Protonen mit hoher Geschwindigkeit führt zu ähnlichen seltsamen Ergebnissen. Es entstehen zwar keine Torten, aber schwere Elementarteilchen oder deren Antiteilchen, die die Masse des Protons bei weitem übertreffen. Der Vergleich mit den Kuchenkrümmeln und der Torte ist also nicht ganz abwegig.

Mit dem LHC ist es möglich, die Protonen so stark zu beschleunigen, dass sie beim Zusammenprall ein Schwarzes Miniloch erzeugen könnten. Erklären tut dies die Spezielle Relativitätstheorie, die mit E = mc² eine Umrechnung von Energie in Masse oder Masse in Energie erlaubt. Masse und Energie sind nach der Speziellen Relativitätstheorie gleichzusetzen. Masse ist praktisch nur eingefrorene Energie. Der Umrechnungsfaktor ist die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Masse beinhaltet sehr viel eingefrorene Energie und das ist gut so, wie wir uns vorstellen können. Beschleunigt man nun ein Teilchen, egal ob Proton, Kuchenkrümmel oder Rennauto, so führt man dem Teilchen Energie zu und damit erhöht sich gleich die Masse. Wegen des großen Umrechnungsfaktors spielt das in unserer Erfahrungswelt kaum eine Rolle. Bei Geschwindigkeiten, die nahe der Lichtgeschwindigkeit sind, nimmt die Massenzunahme dramatisch zu, sie verhält sich nämlich exponential. Teilchen mit einer Ruhemasse können nie die Lichtgeschwindigkeit erreichen, da ihre Masse nach E = mc² gegen unendlich tendiert. Um eine unendliche Masse weiter zu beschleunigen benötigt man unendlich viel Energie. Wir werden uns aus diesem Grunde nicht spontan in andere Teilchen verwandeln oder einen großen Massenzuwachs verzeichnen, dazu sind die Beschleunigungen, denen wir ausgesetzt sind, viel zu gering.

Aber zurück zum Teilchenbeschleuniger. Stoßen im Teilchenbeschleuniger zwei Kuchenkrümmel mit hoher Geschwindigkeit zusammen und sagen wir, dass die Kuchenkrümmel bereits so stark beschleunigt wurden, dass sie die Äquivalentmasse einer Schwarzwälderkirschtorte hätten, so wird die Energie schlagartig frei gesetzt und kann dann spontan eine Schwarzwälderkirschtorte und deren Antikirschtorte erzeugen oder auch die Nussecken oder oder oder... Man hat keinen Einfluss, welche Teilchen entstehen. Sie entstehen mit einer ungewissen Wahrscheinlichkeit. Allerdings müssen die beschleunigten Ursprungsteilchen die Masse bzw. Energie besitzen, die mindestens der Ruhemasse des entstehenden Teilchens entspricht. Dies zur Anmerkung, weshalb wir auch mit Kuchenkrümmeln herumwerfen können wie wir möchten, ohne dass wir jemals auch nur ein Stückchen Torte ernten würden.

Im LHC können hingegen Protonen auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden und somit so hohe Energien erreichen, dass bei der Kollision ein kleines Schwarzes Loch entstehen könnte. Das Schwarze Loch hätte eine Masse von etwa zwei Hundertmillionstel Kilogramm, also kaum vergleichbar mit den Schwarzen Löchern, mit denen es die Astronomen zu tun haben. Das Schwarze Loch hätte die Ausdehnung von etwas mehr als 10-34cm und wäre wirklich klein. Ein solches Schwarzes Loch könnte durch das halbe Universum reisen, ohne auch nur einem essbaren Teilchen zu begegnen. Das Hochvakuum des LHC wäre für das Schwarze Loch eine gähnende Leere.

Sehr wahrscheinlich zerstrahlt das Schwarze Loch schon sehr kurz nach der Entstehung. Der prominente Physiker Stephen W. Hawking entdeckte nämlich, dass Schwarze Löcher garnicht so schwarz sind, wie man es ihnen zuschreibt. Schwarze Löcher können strahlen und somit verdampfen. Sie lösen sich langsam auf. Kleine Schwarze Löcher verdampfen sogar sehr schnell, eben in Bruchteilen von Sekunden. Dieser Umstand ergibt sich aus der Quantentheorie, die in diesen Maßstäben die führende Rolle übernimmt. In der Welt der Quanten ist selbst das absolute Vakuum mit einer scheinbar unendlichen Energie erfüllt. Es finden immer kleine Energieschwankungen statt. Man kann die Situation mit der Wasseroberfläche eines Sees vergleichen. Aus großer Entfernung mag die Wasserfläche glatt erscheinen. Doch von Nahen betrachtet sieht man die gekräuselte Oberfläche mit Wellenbergen und Tälern. So ähnlich erginge es uns auch, wenn wir in das Reich der kleinen Dinge vordringen würden. Das Vakuum des Universums schwankt um den Nullpunkt und es entstehen spontan virtuelle Teilchen und Antiteilchen. Dies passiert auch im LHC in der Nähe des neuen Schwarzen Lochs, genauer gesagt am Schwarzschildradius.

Der Schwarzschildradius eines Schwarzen Lochs ist der Abstand zum Zentrum des Schwarzen Lochs, bei dem die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht. Innerhalb des Schwarzschildradius gibt es kein Zurück mehr. Verschluckt nun das Schwarze Loch das Antiteilchen oder Teilchen, so bleibt das virtuelle Partnerteilchen zurück und kann unter Umständen entweichen, anstatt sich mit dem Antiteilchen zu vernichten. Für das Schwarze Loch ist das ein schlechtes Geschäft, es verliert dabei etwas Energie und damit Masse. Das überlebende Teilchen scheint aus dem Schwarzen Loch zu entweichen und existiert von da an als reales Teilchen.

Es scheint als würde das Schwarze Loch strahlen und die Hawkingstrahlung aussenden. Je kleiner das Schwarze Loch ist, desto schneller verdampft es auf die oben beschriebene Art und Weise. Somit kann angenommen werden, dass das Schwarze Loch im LHC nur von kurzer Dauer bestehen wird, falls es denn entsteht.

Welches Ziel wird eigentlich mit dem LHC verfolgt? Ein Projekt wie dieses kann ja nicht zum Ziel haben, ein Schwarzes Miniloch zu erzeugen, oder doch? Die Wissenschaftler des CERN versuchen mit ihren Experimenten am LHC dem Urknall auf die Spur zu kommen. Indem man Teilchen mit großer Geschwindigkeit aufeinanderprallen lässt, gelingt es für Bruchteile von Sekunden im ganz, ganz kleinen Maßstab die Bedingungen des sehr frühen Universums nachzustellen.

Versuche mit anderen Beschleunigern haben bereits viele rätselhafte Elementarteilchen entstehen lassen, die im heutigen Universum keine Rolle mehr spielen. Die gesamte Materie besteht nur aus zwei Quarksorten und den Elektronen. Ingesamt fand man aber bisher 6 Quarksorten und einen ganzen Zoo anderer Elementarteilchen, die es in eine bestimmte Systematik einzuordnen gilt. Der LHC hilft dabei. Ziel der Forscher ist es, sich der Zeit um 10^-43s nach dem Schöpfungsakt zu nähern. Das Universum war zu dieser Zeit 1,4*10^32 Grad Kelvin heiß.

Nach dem Urknallmodell könnte man nach dieser Zeit erstmals von Raum und Zeit sprechen und dem Universum eine Temperatur zuordnen. Das Universum war gefüllt mit den Higgs-Teilchen, massereiche Elementarteilchen, die sehr bald in das Higgs-Feld "gefroren" - vermutlich während der Phase, die man als Inflation bezeichnet.

Das Higgs-Feld verleiht den Teilchen des Universums ihre Masse und bestimmt damit die schwächste der vier Grundkräfte des Universums: die Gravitation. Trägerteilchen des Higgs-Feldes ist das so genannte Higgs-Boson. Während die Higgs-Bosonen zu Beginn des Universums die dominierenden Teilchen waren, froren sie mit der Expansion des Universums ein und verschwanden von der Bildfläche. Niemand hat bisher ein Higgs-Boson beobachtet. Und das soll sich ab Herbst 2008 ändern. Mit dem LHC soll es möglich werden, das Higgs-Feld aufzulösen und Higgs-Bosonen direkt nachzuweisen. Dabei müssen die Protonen im Beschleuniger auf die 150-fache Masse beschleunigt werden. Die Higgs-Teilchen sollen 117 - 153 mal schwerer sein als ein Proton.

Sollte bei den zahllosen Versuchen tatsächlich Higgs-Bosonen gefunden werden, so wäre das eine wertvolle Bestätigung des Urknallmodells und der Quantenphysik. Wenn nicht, so geriete unsere Weltvorstellung in eine große Krise. Dann ist alles ganz anders. Wir werden ja sehen!

Es gibt also keinen Grund, sich nicht schon mal um die Weihnachtsgeschenke zu sorgen, wenn der größte Teilchenbeschleuniger der Welt seinen Betrieb aufnimmt. Vielmehr sollte man die Experimente mit Spannung verfolgen um Zeitzeuge dieser historischen Entdeckungen zu sein. Wir sollten den Wissenschaftlern die Daumen drücken, dass die drei Milliarden Euro teure Maschine die Erwartungen erfüllt.

Clear Skies,
Christian Overhaus