Dem Urknall auf der Spur

Am 10. September 2008 starteten die ersten Versuche des LHC der Forschungseinrichtung CERN, der europäischen Organisation für Kernforschung in Genf. Der weltgrößte Teilchenbeschleuniger, der insgesamt rund 3 Milliarden Euro gekostet hat, soll urknallähnliche Verhältnisse darstellen, um die Entstehung der Materie aufzudecken und eventuell sogar eine neue Energiequelle für uns gewinnen.

LCH steht für Large Hadron Collider, was auch schon etwas über seine Funktionsweise vermuten lässt: Das Ungetüm mit einem Umfang von rund 27 Kilometern, welches aus finanziellen und ökologischen Gründen unterirdisch erbaut wurde, lässt Hadronen, also vergleichsweise besonders schwere Elementarteilchen wie etwa Protonen, miteinander zusammenstoßen, um Rückschlüsse über die Ursprünge des Universums zu ziehen.

Ungeklärte Fragen sind hierbei nämlich, wie Masse entstanden ist oder wie sich die vier fundamentalen Kräfte einheitlich beschreiben lassen. Insbesondere die Gravitationskraft fällt dort nämlich gewissermaßen aus dem Rahmen. Weiterhin besteht das gesamte Universum nur zu 4% aus sichtbarer Materie, was bedeutet, dass der Rest durch dunkle Materie oder dunkle Energie ausgemacht wird. Die beiden letzten Probleme würden sich durch die so genannte Supersymmetrie beweisen lassen, die der LHC nachweisen könnte. Auffällig ist ebenfalls, dass bei weitem mehr Materie als Antimaterie vorhanden ist, obwohl nach allen Vermutungen ein ausgeglichenes Verhältnis herrschen müsste. Zu guter Letzt soll ein Zustand erreicht werden, der direkt nach dem Urknall existiert habe: In einem Quark-Gluon-Plasma, in dem Quarks sich frei bewegen können, während sie ohne dieses Plasma an andere Teilchen gebunden sind.

Um diese Dinge zu erforschen, ist es nötig, dass schwere Teilchen mit einer enormen Geschwindigkeit aufeinander treffen. Doch warum gerade Protonen oder Blei-Ionen? Die Teilchen werden mittels elektrischer Kräfte beschleunigt, weshalb sie unbedingt eine Ladung haben müssen. Weiterhin sollen sie möglichst schwer sein: Protonen sind ca. 2000-mal so schwer wie Elektronen. Dieses höhere Gewicht schützt sie nämlich vor Energieverlust durch Synchronstrahlung. Energieverlust bedeutet auch gleichzeitig Geschwindigkeitsverlust. Deshalb sind schwere Teilchen wesentlich einfacher zu beschleunigen, weil ihre kinetische (Bewegungs-) Energie länger erhalten bleibt.

Um ein Teilchen annähernd auf Lichtgeschwindigkeit zu bringen, sind mehrere Beschleuniger vonnöten. In einigen Linearbeschleunigern werden die Protonen sehr stark in Bewegung gesetzt, dann in den LHC gebracht und dort im bzw. gegen den Uhrzeigersinn weiter beschleunigt. Mit jeweils sieben Billiarden Elektronenvolt Energie treffen die Protonen dann aufeinander. Zum Vergleich: dies ist die Bewegungsenergie eines kleinen Insekts, etwa einer Mücke; nur dass sie hierbei in einer um Unmengen kleineren Masse gebündelt ist. Detektoren nehmen dann die Informationen auf und lassen sie von international verteilten Computern verarbeiten.

Kritiker sehen das Experiment jedoch nicht durchgehend positiv: sie behaupten, die schwarzen Löcher, die während der Versuche entstehen könnten, könnten Gefahrenpotential beherbergen. Studien aus den letzten zehn Jahren ergaben jedoch, dass keine Gefahr bestünde. Im Gegenteil: die Erzeugung von schwarzen Löchern hat durchaus auch positive Seiten. Schwarze Löcher entstehen, wenn ein Objekt eine gigantische Masse hat. Da die Masse proportional zur Gravitationskraft ist, wird die Anziehung dieses Objekts so enorm stark, dass selbst das Licht nicht mehr entweichen kann, weil die Fluchtgeschwindigkeit, also die zum Entkommen aus dem Gravitationsfeld nötige Geschwindigkeit, größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Sollte die Vermutung stimmen, dass beim Zerfall eines schwarzen Loches Remanente (lat. remanere = zurückbleiben) übrig bleiben, könnte man die Masse in Strahlungsenergie umsetzen. Da der größte Teil der Remanente in Energie umgewandelt werden könnte, wäre diese Form der Energiegewinnung sehr effizient: mit nur ca. 10 Tonnen herkömmlicher auf der Erde vorhanden Materie ließe sich der Jahresenergieverbrauch der Gesamten Weltbevölkerung decken. Ob das aber funktioniert, ist noch unklar, denn es werden nicht allzu viele stabile Remanente erwartet. Dennoch wurde für diese Form der Energiegewinnung bereits ein Patent angemeldet. Man ist zuversichtlich, dass das, was heute noch undenkbar ist, schon bald alltäglich sein wird.

Der LHC war noch nicht lange in Betrieb, als er schon stillgelegt werden musste. haz.de berichtet, dass Schäden bei der Energieversorgung des Geräts aufgekommen sein und es deshalb einer zweimonatigen Reparatur unterzogen wird.

In wie weit der LHC den Physikern helfen kann, den Ursprung der Materie aufzudecken und Energie für uns nutzbar zu machen, bleibt noch offen. Eines bleibt aber sicher: diese Maschine ist ein weiterer Schritt zur vollständigen Erkundung unserer Welt.

Literatur zum Thema

Harald Fritzsch

Vom Urknall zum Zerfall. Die Welt zwischen Anfang und Ende.

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Kommentare

Raphael schrieb am 14.10.2008, 17:44 ( #1 )

Das Geld hätte man lieber in eine Erweiterung von ITER, dem Kernfusions-Test, stecken sollen. Da steht am Ende tatsächlich eine nutzbare Energie - sofern es glückt. Nach dem Ursprung des Universums kann man immer noch suchen wenn man die großen Fragen der Zukunft geklärt hat - nämlich Peak Oil, Klimawandel und Ressourcenknappheit.

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Schlagworte: CERN • Large Hadron Collider • LHC • Physik • Urknall • Wissen