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2
Feb
2023
Werner Riegler, Wissenschafter am CERN

CERN: Reise zum Mittelpunkt des Universums

Durch eine zufällige, private Bekanntschaft stand ich vor wenigen Tagen staunend „am“ CERN. CERN, das ist jene europäische Großforschungseinrichtung, die teilweise in der Schweiz, teilweise in Frankreich liegt und vor allem durch ihren gigantischen Teilchenbeschleuniger, den sogenannten Large Hadron Collider (LHC) bekannt ist.

Das österreichische Physikerehepaar Werner Riegler und Edda Gschwendtner, beide in leitender Position am CERN tätig, hatten einen großartigen und intensiven Tag organisiert, mit vielen Besichtigungen über und unter der Erde, Erklärungen der jeweiligen Forschungsverantwortlichen aus erster Hand und dankenswerterweise auch ausreichend Fragemöglichkeit, auch bei einem herrlichen Abendessen bis spät in die Nacht.

Darstellung des LHC inkl der 4 Detektoren ALICE, ATLAS, CMS und LHCb. Photograph: Mouche, Philippe / © CERN

Obwohl mich Physik schon immer interessiert hat und dieses Fach auch eine Überlegung bei meiner Studienwahl war, berauschte mich jede einzelne Begegnung am CERN in einer so nicht erwarteten Weise. Verständlicherweise beeindrucken die riesigen Detektoren, in Räumen so groß wie Kathedralen, in denen 100 Meter unter der Erde an vier Stellen des 27 km langen Tunnels, Protonen – also positiv geladene Bausteine eines Atoms – mit beinahe Lichtgeschwindigkeit in gegenläufiger Richtung gegeneinander prallen und dabei trotz ihrer unvorstellbaren Kleinheit, mit einer solchen Gewalt kollidieren, als wären es zwei ÖBB Railjets auf der Hochgeschwindigkeitsstrecke der Westbahn. Dabei entstehen unter Bedingungen, die jenen kurz nach dem Urknall ähnlich sind, meist nur für Milliardstel Sekunden, neue Teilchen, um deren Nachweis und Vermessung sich CERN bemüht.

ALICE. Einer der vier Detektoren, 25m lang, 16m breit.

Vieles in unserem Universum verstehen selbst die klügsten Forscher_innen heute noch nicht, so zum Beispiel dunkle Materie und dunkle Energie, die angeblich 95% unseres Universums bilden soll. Die Wissenschaft lehnt richtigerweise ab, alles was man (noch) nicht versteht, mit Magie oder Göttlichkeit erklären zu wollen. In CERN wird dazu gern die Geschichte erzählt, dass Papst Johannes Paul II, bei seinem Besuch im Jahr 1982 den damaligen Generaldirektor Herwig Schopper in seiner Präsentation korrigierte, als er „we create particles“ sagte. Der Papst wollte dafür das Wort „produce“ verwendet wissen, denn für die Schöpfung, also „Creation“, wäre Gott allein zuständig.

Magisch erschien mir trotzdem so einiges in CERN. So hatte ich den Eindruck noch einen Hauch jener Stimmung in dem großen Hörsaal zu spüren, die im Raum lag, als der spätere Nobelpreisträger Peter Higgs mit einer Träne im Auge die experimentelle Bestätigung „seines“ Teilchens zu hören bekam. Hier ein ergreifender Zusammenschnitt, der nur etwas mehr als eine Minute dauert:

Auch im sogenannten Restaurant 1, einer riesigen Betriebskantine, in der sich Spitzenforscher_innen mit Student_innen und Besuchergruppen an den langen Tischen täglich mischen, lässt sich ohne viel Feingefühl sofort erspüren, welch unglaubliche Menge an Interessen, Ideen, Problemlösungen, oder noch spannender: Fragestellungen hier immer wieder entstehen.

Kooperation als Basis für Grundlagenforschung

Cern beschäftigt rund 2.400 Personen als eigenes Personal. Die meisten von ihnen sind Ingineur_innen und Techniker_innen zur Entwicklung und dem Betrieb der CERN Beschleuniger, vor allem des LHC, dieser größten „Maschine“ der Welt. Neben den eigenen Physiker_innen, wie Werner Riegler oder Edda Geschwendtner, kommen aber durch die diversen Forschungskooperationen noch tausende Wissenschafter_innen aus aller Welt dazu, sodass insgesamt mehr als 11.000 Personen am CERN forschen. Es erscheint mir unverständlich, wie eine solche Vielzahl an Menschen aus so unterschiedlichen Einrichtungen so organisiert werden kann, um überhaupt gemeinsam experimentieren zu können. Es erscheint auch fast wie ein Wunder, dass eine so komplexe Maschine, wie der LHC für den so viele die unterschiedlichsten Bauteile überhaupt erst entwickeln mussten, überhaupt funktioniert.

Beispiellos

CERN ist nicht nur irgendeine tolle Forschungseinrichtung in Europa. Im Bereich der Teilchenphysik gibt es nichts Vergleichbares. Europa ist hier auch im Vergleich mit den USA oder Japan absolute Weltspitze. Heutige Spitzenforschung braucht internationale Zusammenarbeit und breite Kooperation. Und so kooperieren am CERN nicht nur Wissenschafter_innen der 22 europäischen Mitgliedstaaten und aus dem einzigen nicht europäischen Mitglied Israel, sondern auch Forschungseinrichtungen aus 70 weiteren Ländern dieser Erde. Aber selbst zu Beginn des 20. Jahrhunderts, in einer Zeit in der einzelne Wissenschafter_innen ungeheure Erkenntnisse, scheinbar nur auf einer Tafel eines Studierzimmers oder an einem Labortisch „gefunden“ haben, brauchte es in Wirklichkeit auch immer den wissenschaftlichen Austausch und ein Aufsetzen auf Erkenntnissen anderer. An der Geschichte der Physik beeindruckt mich auch das ständige Wechselspiel zwischen Wettbewerb und gegenseitiger Befruchtung, so zB zwischen der theoretischen Physik und der Experimentalphysik. Auch CERN ist so konzipiert. Die verschiedenen Forschungsteams der vier Detektoren tauschen sich zwar laufend aus und standen aber trotzdem in einem Wettkampf, wer das Higgs Boson schneller nachweisen konnte.

Das scheue Neutrino

CERN ist aber noch viel mehr, als der große Teilchenbeschleuniger. Der Italiener Filippo Resnati und sein Team etwa entwickeln Detektoren in sehr großen mit flüssigem Argon (-178 Grad Celcius) gefüllten Becken zum Nachweis von Neutrinos für ein Experiment in den USA. Diese elektrisch neutralen und fast masselosen Teilchen reagieren mit nahezu nichts. Sie werden laufend zum Beispiel von der Sonne ausgestoßen und durchdringen uns und die ganze Erde oftmals ungehindert. Im Deep Underground Neutrino Experiment werden ab 2026 unzählige solcher Teilchen quer durch die Erdkruste 1300km durch die USA geschickt, um dann in 1.500 km Tiefe in einer ehemaligen Silbermine mit Hilfe eines Argon Detektors, der 20x größer als der in CERN entwickelte Prototyp sein wird, „aufgefangen“ zu werden.

Copyright © Deep Underground Neutrino Experiment

Bei der Durchdringung von so viel Gestein, wandeln sich wenige Neutrinos um, reagieren mit dem flüssigen Argon des Detektors und können dann gezählt und vermessen werden.

Prototyp des Argon Detektors

Mit dieser globalen Kooperation hofft man auch den Geheimnissen von Materie und Antimaterie (das böse Zeug aus Dan Browns Illuminati!) näher auf den Grund gehen zu können. Viele der Experimente am CERN bemühen sich darum die Gesetzmäßigkeiten von Antimaterie besser zu verstehen. Es ist nämlich etwa noch nicht klar, wieso sich beim Urknall offensichtlich etwas mehr Materie als Antimaterie gebildet hat. Wäre dies nicht geschehen, hätte sich alles gegenseitig ausgelöscht und es gebe uns und alles andere Materielle auch nicht.

Das AMS am CERN

Verständlicherweise wollte ich auch das „AMS“ am CERN kennenlernen. Das Alpha Magnetic Spectometer (AMS), das vom heute 87-jährigen Nobelpreisträger Samuel Chao Chung Ting nicht nur initiiert, sondern auch noch immer geleitet wird. Herzstück ist ein 8,5 Tonnen schwerer kosmischer Teilchendetektor, der im Jahre 2010 mit einem der letzten Spaceshuttles ins Weltall gebracht und dort an der Außenseite der ISS montiert wurde.

Mit AMS-Chefingenieur Corrado Gargiulo und Werner Riegler

Am beeindruckendsten am AMS Projekt waren für mich die Erzählungen des Chefingenieurs Corrado Gargiulo über die Reparatur des ausgefallenen Kühlsystems des AMS. Corrado und sein Team entwickelten nicht nur eine Reihe neuer Werkzeuge dafür, sondern übten für deren Einsatz mit den Astronauten auch monatelang unter anderem in einem Tauchbecken der NASA. Er überwachte nicht nur den Einbau des AMS in das Spaceshuttle, sondern auch die Reparatur im Jahr 2019 aus dem Kontrollzentrum der NASA. Von den ungeheuren Schwierigkeiten in völliger Schwerelosigkeit einen Kühlschrank mit sehr dicken Handschuhen im All zu reparieren, kann man sich in untenstehendem Video überzeugen. Ein wenige Minuten dauernder Zusammenschnitt von drei 8-stündigen (!) Außeneinsätzen, insgesamt war es die aufwändigste Außenmission in der langen Geschichte der ISS.

Und wie geht’s weiter?

Mit dem Nachweis des Higgs Bosons und dem anschließenden Nobelpreis für Peter Higgs und François Englert im Jahr 2013 gelang CERN zweifelsohne sein größte Erfolg. Damit wurde der letzte fehlende Baustein im Standardmodel der Teilchenphysik bewiesen. Es beschreibt alle bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen. Trotzdem ist die Mehrzahl der Forscher_innen davon überzeugt, dass es da noch „mehr“ geben müsste, dass da noch etwas fehlt zu einer umfassenderen Theorie, der sogenannten Universaltheorie. Manche Phänomene und Realitäten lassen sich mit dem Standard-Modell einfach nicht erklären. Dieses Mehr, insbesondere der Nachweis von dunkler Materie ist aber in den letzten Jahren weder am CERN noch sonst wo bisher gelungen.

Von MissMJ & Cush / abgeleitetes Werk: Polluks – Standard Model of Elementary Particles

Möglicherweise entsteht dieses Mehr aber nur, wenn Teilchen mit einer noch höheren Energie kollidieren. Nur lassen die Magneten, die die Teilchen mit der unglaublichen Geschwindigkeit von mehr als 10.000 Umdrehungen pro Sekunde(!) in der Bahn halten, eine noch höhere Energie nicht mehr zu. Der limitierende Faktor sind die ohnedies schon unglaublichen supraleitenden Dipolmagneten, deren Leistung – trotz eines enormen Aufwandes wie Kühlung auf +1,9 Grad über dem absoluten Nullpunkt – nicht weiter gesteigert werden kann. Und so träumt ein Teil der Physikercommunity bereits in einer neuen Machbarkeitstudie vom Bau eines noch viel größeren Teilchenbeschleunigers, dem sogenannten Future Circular Collider (FCC). Nicht 27 nein 100 km soll der Tunnel lang sein und wieder am CERN entstehen. Im Moment werden technische Machbarkeit und Finanzierungsmodelle diskutiert und im Jahr 2025 wird die Community der Teilchenphysik dann konkrete Vorschläge machen.

Nach der Entdeckung des Higgs Telichens wurden seine Eigenschaften mit großer Präzision vermessen und alles stimmt perfekt mit den Voraussagen des Standard Modells überein. Ein riesiger Erfolg, aber andererseits auch eine schwierige Situation, weil somit Hinweise auf eine fundamentalere Theorie fehlen. Um der Natur ihre noch offenen Geheimnisse zu entlocken braucht man offenbar einen langen Atem.

In der Natur jeder Grundlagenforschung liegt der Umstand, dass die unmittelbare Verwertbarkeit und der ökonomische Nutzen nicht erkennbar sind und sich oftmals – wenn überhaupt – erst nach Jahrzehnten zeigen. Am CERN wurde zwar, sozusagen als Nebenprodukt, auch das World Wide Web erfunden, doch wird das alleine wohl nicht als Rechtfertigung für den Bau des erhofften FCC reichen. Wichtige politische Entscheidungen auch über das Ausmaß der weiteren Finanzierung von CERN stehen im Jahr 2025 an.

AWAKE – Let´s Go Surfing

Weil guter Forschergeist aber kaum einfach nur abwarten kann, entstehen schon wieder neue Ideen, wie man höhere Geschwindigkeiten möglicherweise auch auf kleinerem Raum und damit viel günstiger erzielen könnte. Eine Forschungsgruppe rund um Projektleiterin Edda Gschwendtner (meine Gastgeberin!) beschleunigt mittels Plasmawellen im Projekt AWAKE (Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment) Elementarteilchen auf kurzer Strecke bereits 1.000x schneller als in einem klassischen Teilchenbeschleuniger. Das Projekt befindet sich noch in einem frühen Stadium und braucht auch sicher noch jahrelange Forschung, doch bevor ich hier weiter dilettiere, empfehle ich folgendes TED Talk Video, in dem Edda Geschwendtner in nur 12 Minuten gut verständlich ihr eigenes Projekt vorstellt.

Bleiben wir exzellent

Es gibt natürlich noch viele andere Forschungsinitiativen und Ideen am CERN. Das waren nur jene, die ich in meinem langen und intensiven Tag anschauen konnte und von denen ich noch immer – fast 2 Wochen später – tief beeindruckt bin. Über die Rechtfertigung und den Nutzen von Grundlagenforschung wurde schon viel geschrieben und es wurden bestimmt auch zu CERN bereits mehrere und überzeugende Rentabilitätsrechnungen erstellt.
Für mich als Chef des AMS zeigte sich im Laufe des Tages aber ein anderer mE noch größerer Nutzen immer stärker. CERN ist erstaunlich offen für Besuchergruppen aus aller Welt. Mir ist schon klar, dass nicht jede/r einen so fantastischen Einblick wie ich bekommen dürfte, aber zahlreiche Schulklassen, Studentengruppen und Forschungsdelegationen besuchten, geführt von Mitarbeiter_innen, das Gelände und die verschiedenen Experimente. Überall wurde gestaunt und diskutiert. Mit dieser Offenheit, die auch ich erfahren durfte, entsteht in diesem Leuchtturmprojekt der Spitzenforschung noch etwas anderes, möglicherweise sogar noch Wichtigeres. In der Fähigkeit junge Menschen an oder über diesen besonderen Ort zu begeistern, liegt eine unvorstellbare Ressource für die Zukunft der Forschung. Ich sag es ganz offen: Hätte ich als 16- oder 17-Jähriger CERN besucht, ich hätte wohl Physik studiert.

So wie die unzähligen Elementarteilchen, die CERN laufend durch die Gegend schleudert, sät CERN auch täglich seine Samen der Begeisterung für Forschung in alle Welt und insbesondere in seine Besucher_innen. Wie viele Menschen dürfte allein der exzellente Kino Film Particle Fever  weltweit bei der Berufs- und Bildungswahl beeinflusst haben? Der Film ist komplett online und kann hier angesehen werden.

Tausende der in CERN unter seinen Besucher_innen verbreiteten Samen werden wohl nicht aufgehen und nur eine schöne Erinnerung zurücklassen, aber einer in Tausenden wohl schon und einer in Hunderttausenden vielleicht sogar eine zukünftige Nobelpreisträgerin hervorbringen, die uns als Menschheit ein Stück weiterbringt. Vielleicht sogar beim Traum der sauberen Fusionsenergie?

Es sind immer Begegnungen mit anderen Menschen, die uns im Leben weiterbringen, so wie jene, die ich am CERN erleben durfte. Der frisch gebackene österreichische Physik Nobelpreisträger Anton Zeilinger benennt etwa seinen Physiklehrer als Überträger seiner Begeisterung.

Der LHC analysiert laufend Billionen von Teilchen um auch nur ein interessantes zu finden, bei Student_innen, die am CERN waren, ist diese Quote bestimmt viel besser. Die Tatsache, dass wir im Herzen von Europa und nah zu Österreich absolute Spitzenforschung betreiben, könnte noch viel mehr junge Menschen bei ihrer Ausbildungswahl beeinflussen. Aus arbeitsmarktpolitischer und auch wirtschaftspolitischer Sicht können wir gar nicht genug für Forschung begeistern.

Österreich hat sich in der Vergangenheit leider nicht mit besonderer Unterstützung für CERN hervorgetan. Im Gegenteil, die dilettantische und in der Regierung offenbar nicht abgestimmte Austrittsankündigung des Jahres 2009, ist allseits bekannt und belastet das Verhältnis wahrscheinlich noch immer. Das Jahresbudget von CERN erscheint mit 1,2 Mrd. auf den ersten Blick zwar groß, Österreichs Beitrag mit bescheidenen rund 25 Mio Euro. tatsächlich aber überschaubar. Auch sind 1,2 Mrd. in Wirklichkeit nicht übertrieben, dieses Budget entspricht – obwohl hier 23 Staaten Mitglied sind – nur dem einer größeren Universität. Eine besonders gut finanzierte Universität, die ETH in Zürich etwa verfügt über ein Jahresbudget von rund 1,9 Mrd. Euro.

Österreich sollte überaus stolz darauf sein, seit 1969 Teil dieser großartigen Forschungseinrichtung zu sein und in Zukunft bestmöglich mithelfen, dass die Vorreiterrolle von CERN im Konzert der Großen auch erhalten bleibt. Allen an Physik Interessierten sei ein Besuch in der Schweiz jedenfalls empfohlen. Im Frühling 2023 eröffnet mit dem CERN Science Gateway das neue, bestimmt großartige Besucherzentrum.

In diesem Blogbeitrag habe ich, so gut es ging, vermieden, irgendwelche Zusammenhänge oder physikalischen Erkenntnisse, die ich nachgelesen, oder vor Ort erklärt bekommen habe, selbst erklären zu wollen. Empfehlen kann ich dazu aber ein Buch, das ich zur Vorbereitung meines Besuches las und das in äußerst spannender Weise die Geschichte der Entdeckungen der kleinsten Teile und die vielen noch offenen Fragen beschreibt.

Harry Cliff
Was macht das Quark im Apfelkuchen
Auf der Suche nach dem Rezept für unser Universum | Vom Big Bang zum Higgs-Boson

Danke Edda und Werner, Corrado Gargiulo, Filippo Resnati und Wolfgang Adam!
Danke CERN!

PS: Nebenbei sei noch erwähnt, dass gerade Österreich mit MedAustron in Wiener Neustadt eines von nur sechs vergleichbaren Zentren weltweit für die Behandlung und Erforschung von Krebs aufgebaut hat, in dem eine Ionentherapie angewandt wird, deren Beschleunigerinfrastruktur laufend mit CERN entwickelt wird.

PPS: Noch ein paar Bilder

Einer der vier “Steuerstände” im Kontrollraum des LHC

Der CMS (Compact-Muon-Solenoid) Detektor, derzeit für Wartungsarbeiten geöffnet. In der Mitte das Rohr in dem die Teilchen im Betrieb “fliegen”

Arbeitsmarktservice (AMS) Aussenstelle auf der ISS / (c) NASA

In diesem Zimmer am CERN hat Tim Berners-Lee das WWW erfunden.

So schaut der 27km lange Tunnel des LHC von innen aus.

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