Historischer Tag am CERN: Die beteiligten Berner Physiker fiebern mit

Tag X im CERN: Am kommenden Dienstag startet im Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik in Genf das lang erwartete Urknall-Experiment. Die Physikerinnen und Physiker lassen im Teilchenbeschleuniger LHC («Large Hadron Collider») Protonenstrahlen mit je 3,5 Tera-Elektronenvolt kreisen und kollidieren. Bei dieser höchsten jemals in einem Labor erzeugten Energie simulieren die Forschenden Bedingungen, wie sie vor rund 14 Milliarden Jahren beim Urknall geherrscht haben sollen. «Alle sind gespannt – auf diesen Tag haben wir hingefiebert», sagt Hans Peter Beck vom Laboratorium für Hochenergiephysik an der Universität Bern. Vom Experiment erhoffe man sich ein besseres Verständnis vom Aufbau des Universums. Die Berner Hochenergiephysiker sind an der Selektion der Protonenkollisionen und deren Datenverarbeitung in Echtzeit am ATLAS-Experiment beteiligt. Der ATLAS-Detektor ist einer der vier Teilchendetektoren, die am LHC angeschlossen sind.

Neuland in der Teilchenphysik

Das CERN-Experiment ist wie folgt aufgebaut: Die Protonen fliegen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit durch den 27 Kilometer langen, unterirdischen und kreisförmigen LHC-Tunnel. Müsste man die Kleinstteilchen mit gewöhnlichen 1,5-Volt-Batterien auf das Energieniveau von 3,5 Tera-Elektronen-Volt (3,5 x 10¹²Volt) bringen, müsste man 2,3 Billionen Batterien aneinanderreihen, was einer Gesamtlänge von rund Dreiviertel der Distanz Erde-Sonne entspräche, rechnet Hans Peter Beck vor. Im Zentrum der Teilchendetektoren kollidieren die Protonen frontal, was eine Kollisionsenergie von 7 Tera-Elektronenvolt ergibt.

Wieder veranschaulicht Hans Peter Beck die Dimensionen: «Das entspricht etwa der kinetischen Energie, mit der zwei Stechmücken ineinanderfliegen – allerdings ist diese Energie auf ein Proton konzentriert, während eine Stechmücke aus rund 10²⁰ Protonen besteht.» Die Physikerinnen und Physiker gehen davon aus, dass bei dieser Energiekonzentration bisher unbekannte Teilchen entstehen können. «Wir betreten Neuland in der Teilchenphysik», so Beck.

Auf der Suche nach dem Higgs-Teilchen

Insbesondere hoffen sie, das bisher noch nie experimentell nachgewiesene Higgs-Teilchen zu finden. Das Higgs-Teilchen verdankt seinen Namen dem schottischen Physiker Peter Higgs und ist Bestandteil des so genannten Standardmodells: Ausgehend von der herrschenden Symmetrie der Materie verleiht erst das Higgs-Feld allen Teilchen ihre Masse. Hans Peter Beck geht davon aus, dass der ATLAS-Teilchendetekor das Kleinstteilchen nachweisen kann – «oder eine andere Struktur, die für die Masse aller Teilchen verantwortlich ist.» Allerdings rechnet der Berner Physiker nicht mit schnellen Resultaten: Je nachdem, in welchem Energiebereich sich die neuen Teilchen bewegen, dauert es ein oder mehrere Jahre, um ihre Existenz mit genügend Daten statistisch nachzuweisen. Der LHC soll 18 Monate in Dauerbetrieb sein, anschliessend soll der Beschleuniger ausgebaut werden, damit er die geplante Spitzenleistung von Protonenkollisionen bei 14 Tera-Elektronenvolt erreichen kann. Auf dieser Stufe sollen der Beschleuniger und die vier Teilchendetektoren bis ins Jahr 2030 in Betrieb sein.

Das Berner Projekt beim CERN-Experiment

Die Berner Forschenden des Laboratoriums für Hochenergiephysik sind an der Daten-Akquisition, der Selektion der Protonenkollisionen und deren Datenverarbeitung in Echtzeit am ATLAS-Experiment beteiligt. ATLAS ist eines der vier Experimente, die an den LHC-Teilchenbeschleuniger angeschlossen sind. Läuft der LHC auf vollen Touren, finden im ATLAS-Detektor pro Sekunde eine Milliarde Protonenkollisionen statt. «Die meisten sind uninteressante Streifkollisionen», sagt Hans Peter Beck. Deshalb hat das Berner Forschungsteam in den letzten 13 Jahren eine Apparatur mit spezieller elektronischer Hardware und Software entwickelt, die mit Hilfe von 3000 Computern die aussagekräftigsten 100 bis 200 Kollisionen in Echtzeit aus der Datenflut herausfiltert. Die Berner sind auch bei der Datenanalyse und somit bei den möglichen Entdeckungen ganz vorne mit dabei.