Planckton

Steven Weinberg, US-amerikanischer Teilchenphysiker und Nobelpreisträger, hatte im letzten Jahr ein düsteres Bild der Zukunft der Wissenschaft gezeichnet. In...

Steven Weinberg, US-amerikanischer Teilchenphysiker und Nobelpreisträger, hatte im letzten Jahr ein düsteres Bild der Zukunft der Wissenschaft gezeichnet. In seinem Aufsatz „The Crisis of Big Science” beschrieb er, wie Teilchenphysik und Astrophysik jeweils auf eine wissenschaftspolitisch bedingte, erkenntnistheoretische Sackgasse zuzusteuern scheinen. Der Grund dafür ist laut Weinberg, dass wirkliche Erkenntniszuwächse in Bezug auf unser Verständnis von Mikro- und Makrokosmos mittlerweile auf die Finanzierung gigantischer Forschungsprogramme angewiesen sind – und das in einer Zeit, in der Forschungsgelder massiv gekürzt werden und eine vermeintliche Krise in den Wissenschaften weltweit hinter einer Vielzahl sehr viel dringlicher erscheinender, wirtschaftlicher, finanz- und gesellschaftspolitischer Krisen zurücktritt. „In der nächsten Dekade werden wir vielleicht sehen, wie die Suche nach den Naturgesetzen zum Stillstand kommt, und während unserer Lebenszeit nicht wieder aufgenommen werden wird”, so die Prognose Weinbergs für den Fall, dass der Bau einer neuen Generation von Teilchen-Beschleunigern und damit ein weiteres Vordringen in den Bereich hoher Energien keine internationale Unterstützung finden wird.

Sein Pessimismus gründet sich zumindest teilweise auf die lange Reihe aussichtsreicher wissenschaftlicher Projekte, die insbesondere in den USA bereits politischen Interessen und/oder finanziellen Engpässen zum Opfer gefallen sind. Ein besonders trauriger Fall ist z.B. das von Weinberg beschriebene Projekt des Superconducting Super Colliders (SSC), der in den frühen 1980er Jahren geplant wurde und eine dreimal höhere Energie hätte erreichen sollen, als heute der LHC. Das Projekt wurde in den 90er Jahren gestoppt, nachdem bereits zwei Milliarden Dollar investiert und Teile des Tunnels schon fertig gestellt worden waren. Das James Webb Space Telescope könnte ein weiteres Opfer amerikanischer Wissenschaftspolitik werden. 2011 wurde das Projekt zwischenzeitlich gestoppt, als bereits 75 Prozent der notwendigen Komponenten angeschafft waren. Mittlerweile wurde es zwar fortgesetzt, nach wie vor aber mit unsicheren Aussichten. In einigen Fällen konnten die Europäer einspringen oder Projekte übernehmen, wie in der Entwicklung des fliegenden Infrarot-Observatoriums Sofia, oder auch im Fall der Laser Interferometer Space Antenna (Lisa) zur Erforschung von Gravitationswellen, dessen Schicksal 2011 von der Nasa in die Hände der europäischen Esa gelegt wurde.

Tunnel des Superconducting Colliders – Baustopp 1993. Quelle: Superconducting Super Collider Laboratory/Photo Researchers

Tatsächlich sieht die Wissenschaft sich aber einem massiven Rechtfertigungsproblem gegenübergestellt. Der Wunsch allein, der zugrunde liegenden Ordnung unserer Welt auf die Spur zu kommen, scheint fast unvermittelbar dem lebenspraktischen „und was bringt mir das?” entgegenzustehen. Es gibt zudem keine Situation mehr wie die des kalten Kriegens, innerhalb der wissenschaftliche Erfolge als ideologische Überlegenheit verkauft werden konnten. Und schließlich wurde gerade erst der LHC finanziert, der seine Möglichkeiten noch längst nicht ausgereizt hat. Die angestrebte Energie von 7 TeV pro Strahl wird er nicht vor 2014 erreichen und noch für 2020 ist ein beeindruckendes Luminositäts Upgrade geplant (HL-LHC), mit dem bis etwa 2030 eine Luminosität von 3000 inversen Femtobarn erreicht werden soll (das fast 130-fache des heutigen Wertes). Der Ruf nach einem Nachfolge-Beschleuniger mag der Öffentlichkeit erscheinen, wie das Gemaule eines verwöhnten Kindes, das kurz nach Weihnachten schon wieder die nächstgrößere Spielekonsole ins Auge gefasst hat, ohne sich überhaupt erst angemessen mit den aktuellen Geschenken befasst zu haben.

Mit welcher Begründung kann man jetzt schon einen mächtigeren Beschleuniger verlangen, nachdem der LHC grade erst so imposant das letzte noch fehlende Teilchen des Standardmodells gefunden zu haben scheint und seine Energiereichweite noch lange nicht ausgeschöpft hat? Was wir bisher bereits wissen, kann sich durchaus sehen lassen: es gibt vier Kräfte, von denen die quantenfeldtheoretischen durch Eichbosonen vermittelt werden. Daneben gibt es zwölf Arten von Materieteilchen und das Higgs als Masseteilchen. Alle 61 Teilchen des Standardmodells haben wir mittlerweile beobachten können. Trotzdem bleiben innerhalb des Standardmodells noch viele Fragen offen: warum gibt es genau drei Generationen von Materieteilchen? Warum ist das top-Quark so schwer? Warum besitzen die Teilchen genau die Massen, die sie haben? Ganz zu schweigen von den Problemen, die Gravitation als klassische Feldtheorie in Einklang zu bringen mit den Quantenfeldtheorien der übrigen Kräfte oder die Natur dunkler Materie und dunkler Energie zu erklären. Das Standardmodell der Teilchenphysik liefert auf diese Fragen keine Antworten. Vor diesem Hintergrund ist abzuschätzen, welche Rolle der LHC in der Aufklärung der bleibenden Rätsel spielen kann.

Die Teilchen des Standardmodells – viele Fragen bleiben offen. Quelle F.A.Z.

Wichtig wird zunächst sein, die Eigenschaften des Higgs möglichst genau zu vermessen und mit den Vorhersagen des Standardmodells abzugleichen. Die Interaktionen des Higgs mit anderen Teilchen werden in den nächsten 10-15 Jahren mithilfe des LHC mit großer Genauigkeit gemessen werden können. Sofern die Abweichungen vom Standardmodell und damit die Hinweise auf eine Physik jenseits dieses Modells aber nur sehr klein sind oder bei höheren Energien liegen, wird der LHC irgendwann an seine Grenzen stoßen. Dies hängt zum einen damit zusammen, dass das Design des LHC als Proton-Collider auf die Entdeckung neuer massereicher Teilchen ausgerichtet ist, die in Protonen-Zusammenstößen besonders leicht entstehen. Dadurch, dass beim Zusammenprall von Protonen aber gleichzeitig ein unübersichtliches Chaos von Quarks und Gluonen erzeugt wird, ist der LHC kein ausgezeichnetes Instrument für hochpräzise Messungen. Es könnte daher notwendig sein, einen Leptonen-Collider zu bauen, in dem leichte Teilchen wie Elektronen, Positronen oder Myonen kollidieren, die auf die Quark-Gluonen-Wechselwirkung nicht ansprechen und in ihren Kollisionen präzise eingestellt werden können. Zum anderen ist der LHC in Hinsicht auf die von ihm erreichbaren Kollisionsenergien beschränkt. Sofern sich die neue Physik erst bei höheren Energien zeigt, bleibt sie für den LHC unsichtbar.

Man könnte denken, dass die Entscheidung über ein Nachfolgeprojekt entsprechend erst einmal von den weiteren konkreten Ergebnissen des LHC abhängig gemacht werden sollte. Dass es aber notwendig ist, sich bereits jetzt Gedanken über das nächste große Projekt zu machen, liegt an den langen Vorlaufzeiten entsprechender Großprojekte – beim LHC mehr als 20 Jahre. Verschiedene Komitees in Europa, Asien und den USA prüfen daher mögliche Nachfolgeprojekte und deren Realisierbarkeit.

Der LHC hat einen Umfang von 27 km. Inwiefern die  Realisierung eines größeren Beschleunigers mit einem Umfang von 80 km möglich ist, wird geprüft. Quelle: Cern

Sinnvoll scheint es auf den ersten Blick, auf die bestehende Infrastruktur des LHC aufzubauen. Höhere Energien könnten im bestehenden LHC-Tunnel erzielt werden, indem eine höhere Einspeisungsenergie und gleichzeitig sehr viel stärkere Magnetfelder eingesetzt werden (HE-LHC). Damit könnte die maximale Energie pro Protonenstrahl mehr als verdoppelt werden. Die damit verbundenen technologischen Anforderungen sind allerdings extrem anspruchsvoll. Momentan fehlt für eine Realisierung derartiger Magnetfelder noch das nötige Know-How. Alternativ könnte man einen größeren Hadronen-Beschleuniger bauen. Diesbezüglich wurden bereits Studien zu der Frage durchgeführt, inwiefern der Bau eines Ringbeschleunigers mit einem Umfang von 80 Kilometern in der Nähe von Genf, räumlich verbunden mit dem LHC, realisiert werden könnte. Ein Hadronen-Beschleuniger dieser Größe könnte Energien bis zu 100 TeV erreichen. Ein solches Projekt wäre allerdings nicht nur sehr teuer, sondern auch in geologischer, hydrologischer und ökologischer Hinsicht problematisch. Eine Realisierung scheint daher in näherer Zukunft nicht absehbar.

Sofern nicht die Erweiterung des erreichbaren Energiebereichs im Vordergrund steht, sondern stattdessen, wie oben beschrieben, eine Steigerung der Messgenauigkeit in Bezug auf die Wechselwirkungen des Higgs mit anderen Teilchen, könnte man den bestehenden LHC-Tunnel für einen Elektron-Positron-Beschleuniger nutzen (LEP3). Diese Option hätte klare ökonomische Vorteile: der LHC-Tunnel bietet ausreichend Platz für zwei simultan betreibbare Beschleuniger, außerdem könnten bestehende Detektoren (Atlas und CMS) modifiziert weiterverwendet und existierende Infrastruktur genutzt werden. Allerdings bietet dieses vergleichsweise preiswerte Szenario praktisch keine Möglichkeiten, die Energie des Beschleunigers zu erhöhen und damit mehr zu sein, als eine „Higgs-Fabrik”: aufgrund der geringen Masse von Elektronen und Positronen würden bei höheren Energien die Verluste durch Synchrotronstrahlung zu groß, d.h. durch Strahlung, die emittiert wird, wenn geladene Teilchen sich auf gekrümmten Bahnen bewegen. Hier wäre man wiederum auf den Bau eines größeren Rings angewiesen (TLEP).

Platz für zwei? Der Tunnel des LHC könnte zusätzlich einen Leptonen-Beschleuniger beherbergen. Quelle: Nikolai Schwerg / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0 

Der Wunsch, mit hoher Präzision höhere Energiebereiche zu erforschen, scheint daher auf den Bau eines linearen Leptonen-Beschleunigers hinzuführen. Man hätte nicht mit dem Problem des Energieverlusts durch Synchrotronstrahlung zu kämpfen und könnte die Länge des Beschleunigers jederzeit erweitern. Der Nachteil solcher linearen Beschleuniger liegt allerdings zum einen in sehr hohen Projektkosten, zum anderen im hohen Energieverbrauch.

Konkret gibt es zwei konkurrierende Designs für einen linearen Beschleuniger: den International Linear Collider (ILC) und den Compact Linear Collider (CLIC). Beide Projekte sind mittlerweile auf organisatorischer Ebene als Linear Collider Project zusammengeschlossen und planen, Elektronen mit Positronen kollidieren zu lassen. Der ILC will dies auf der Grundlage von Supraleiter-Technologie (Superconducting radio frequency) bei zunächst 250 GeV und später 500 GeV umsetzen, CLIC bei höheren Energien mithilfe einer Zweistrahl-Beschleunigungstechnologie, die in der Lage ist, größere Beschleunigungsgradienten zu erzeugen. Die Länge beider Beschleuniger soll etwa 30 Kilometer betragen.

Während sich das Design für den ILC in einem technisch bereits fortgeschrittenen Stadium befindet und im Prinzip schon bald realisiert werden könnte, ist zur Ausarbeitung der CLIC Technologie, die am Cern stattfindet, noch einiges an Entwicklung notwendig. Eine Entscheidung zwischen beiden Designs wird also zum einen von der angestrebten Zeitskala abhängen, zum anderen davon, ob man es auf der Grundlage weiterer LHC-Ergebnisse als notwendig einschätzen wird, höhere Energien als vom ILC geplant zu erreichen.

Schematischer Überblick des International Linear Colliders (ILC). Quelle: 2012 ILC Comms / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Spannend ist die Frage, wo ein solcher linearer Beschleuniger gebaut werden könnte. Bei weitem aussichtsreichster Kandidat ist Japan. Während die Realisierung eines solchen mehrere Milliarden US-Dollar teuren Projektes in Europa und den USA in den momentan schwierigen Zeiten der Wirtschaftskrise unwahrscheinlich scheint, gibt es in Japan großes Interesse an der Durchführung eines Wissenschaftsprojektes mit großem internationalem Prestige. Zwei verschiedene Standorte in den japanischen Bergen werden diskutiert: ein südlich gelegener in der Kyushu-Region, sowie ein anderer in der Tohoku-Region, die durch den Tsunami 2011 verwüstet wurde. Gelder, die für Wiederaufbaumaßnahmen nach dem Tsunami und den Erdbeben zur Verfügung stehen, könnten für den Bau eines linearen Beschleunigers verwendet werden. Am 15. Dezember des vergangenen Jahres wurde in Tokio ein finalisierter Design-Bericht für den ILC an ein unabhängiges Komitee von Wissenschaftlern übergeben. Die Aussichten, dass das Projekt in Japan breite politische Unterstützung erhält, scheinen gut. Allerdings wäre ein solches Angebot von Seiten der Japaner zeitlich begrenzt und auf finanzielle Beteiligung durch die USA und Europa angewiesen. Das Schicksal des ILC wird sich demnach vermutlich in den nächsten Jahren auf internationaler Ebene entscheiden. Im Falle eines Erfolgs könnte bereits Ende dieses Jahrzehnts mit dem Bau begonnen werden.

Brian Foster, britischer Teilchenphysiker am Hamburger Desy und europäischer Leiter der ILC-Designstudie, warnte vor zwei Wochen in Bonn bei einem Vortrag über zukünftige Teilchenbeschleuniger allerdings vor zu großem Optimismus und verwies dabei auf die massiven zeitlichen Verzögerungen, die man retrospektiv in den Zeitplänen schon bestehender Projekte findet: „Es ist sehr einfach, in Bezug auf die Projekte optimistisch zu sein. Sie tatsächlich zu realisieren ist aber erheblich schwieriger.”

Weinberg’schen Pessimismus in Bezug auf einen bevorstehenden Stillstand in unserer Suche nach den zugrunde liegenden Gesetzen der Natur ließ Fosters Vortrag dennoch nicht aufkommen. Sofern sich tatsächlich keine Finanzierung für ein Nachfolgeprojekt des LHC findet, das in der Lage ist, in neue Energiebereiche vorzudringen, könnte die Erforschung neuer Physik im schlimmsten Fall zwar tatsächlich verzögert werden. Immerhin werden sich die Teilchenphysiker in dieser Zeit aber nicht langweilen. Dafür gibt es neben den genannten noch zu viele Alternativkonzepte, die auf eine Ausarbeitung warten: Myonen-, Gamma-Gamma- oder Elektron-Proton-Beschleuniger.

Das futuristischste, in der Entwicklung begriffene Beschleunigerkonzept beruht auf der Idee, geladene Teilchen anhand von Plasmawellen zu beschleunigen, die durch das elektrische Feld eines Teilchen- oder Laserbeams erzeugt werden. Die im Plasma eingeschlossenen Teilchen werden dann beschleunigt ähnlich wie Surfer auf Wasserwellen (plasma wakefield acceleration). Diese Idee wurde 1978 von T. Tajima und J. M. Dawson an der University of California anhand von Computersimulationen beschrieben und 1988 von einer Gruppe um J. B. Rosenzweig am Argonne National Laboratory erstmalig beobachtet.

Abbildung: Simulation eines Plasma Beschleunigers. Elektronen werden auf kurzen Distanzen auf einer Plasmawelle beschleunigt. Quelle: C. Huang, Los Alamos National Laboratory

Mit dieser Technik ist es möglich, Teilchen auf der Skala von Zentimetern auf Energien im GeV-Bereich zu bringen. Bisher genutzte, auf Radiofrequenzen basierte Beschleuniger benötigen im Vergleich für entsprechende Energien eine Beschleunigungsstrecke von zehn bis hunderte von Metern. 2006 gelang einer Gruppe um W. P. Leemans am Berkeley Lab die Herstellung eines 1 GeV Elektronenstrahls auf einer Strecke von nur 3.3 Zentimeter. Die Größe von Teilchenbeschleuniger könnte auf dieser Grundlage sehr stark reduziert werden. Die Forschungsaktivität in diesem Feld ist weltweit entsprechend stark. In Berkeley wird beispielsweise am Berkeley Lab Laser Accelerator (Bella) gearbeitet, mit dem Ziel, Teilchen mit einem Beschleuniger auf Tischplattengröße auf 10 GeV zu bringen. Am Desy und der Universität Hamburg forscht das Laboratory for Laser- and beam-driven plasma Acceleration (Laola) zu diesem Thema.

Die faszinierende Konsequenz derartiger Forschungs-Science-Fiction könnte sein, dass in ferner Zukunft „Great Science” nicht mehr zwangsläufig „Big Science” sein muss, zumindest sofern man sich auf die räumliche Ausdehnung ihrer Forschungsgeräte bezieht. Aber ob wir diese Entwicklung noch erleben werden, ist in der Tat fraglich.