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Cern-Experiment, Higgs-Teilchen

Kurze Übersicht

Im Forschungszentrum CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) in der Schweiz finden seit einiger Zeit an dem so genannten LHC sensationelle Experimente stattfi, die unter anderem Einblicke in Zustände geben sollen, die am Beginn unseres Universums - also einer extrem kurze Zeit nach dem Urknall - vorherrschten. Außerdem sucht man nach dem Higgs-Teilchen und nach der so genannten Supersymmetrie (Susy). Am 4. Juli 2012 wurde von CERN bekanntgegeben, dass das Higgs-Teilchen gefunden wurde. Näheres zu diesem Teilchen weiter unter.
Weiterhin sollen kleinste "Schwarze Löcher" erzeugt und deren Verhalten erforscht werden.
Obwohl am 10. September 2008 mit den ersten Experimenten am Beschleuniger selbst begonnen wurde, sollten die eigentlichen Experimente erst einige Wochen danach stattfinden. Aber wegen eines schwerwiegenden Fehlers am Kühlsystem der supraleitenden Magneten musste die Maschine abgeschaltet werden. Erst am Freitag, den 20. November 2009 konnte die Maschine wieder in Betrieb genonnem werden.

 

Und am 23. November wurde behutsam mit den ersten Experimenten begonnen. Dabei wurden Protonen mit der stark reduzierten Energie von 900 GeV (1 GeV = 1 Giga Elektronenvolt = 1 Milliarden eV) aufeinander geschossen. Aber seitdem wurde die Maschine stetig weiter hochgefahren. Und am 30. März 2010 gegen 13:00 Uhr war es endlich soweit: Nach mehreren vergeblichen Versuchen wurden die hochbeschleunigten Protonen zur Kollision gebracht. Jedoch beträgt die Energie bei einer Kollision derzeit statt der möglichen maximalen Energie von 14 TeV "nur" 7 TeV. Außerdem werden noch mindestens bis 2011 nur etwa 0,1% der Menge an Protonen zur Kollision gebracht, die bei Normalbetrieb möglich sind.
Zu TeV bzw. eV Näheres weiter unten.

Das Verwaltungszentrum der Großforschungsanlage CERN befindet sich in der Ortschaft Meyrin in der Nähe von Genf/Schweiz im Kanton Genf und wurde 1954 von 12 Ländern gegründet. Im Jahr 2008 waren 20 Länder beteiligt. Der neue Riesen-Beschleuniger mit der Abkürzung LHC führt über schweizer und französisches Territorium. 
Etwa 2.500 Menschen sind hier beschäftigt - darunter wechselnd rund 80 experimentelle und theoretische Physiker nebst ca. 270 Research Fellows. Der Jahresetat der Forschungseinrichtung beträgt rund 650 Mio. Euro, von denen Deutschland rund 20% trägt und damit der größte einzelne Beitragszahler ist.

Der Beschleuniger (LHC), Experimente und das Higgs-Teilchen

Bei dem neuesten - und in der Öffentlichkeit heftig und intensiv diskutierten Experiment - werden in einem rund 27 km langen Ringbeschleuniger mit der Bezeichnung Large Hadron Collider (LHC) - Protonen auf eine Energie von rund 7 Tera - Elektronenvolt (TeV) beschleunigt und auf Protonen, die in Gegenrichtung auf die gleiche Energie beschleunigt wurden, geschossen. Die beiden Beschleunigerrohre befinden sich in einem Tunnel, der zwischen 50 m und 175 m unter der Erde liegt.

Ein Elektronenvolt (eV) ist eine Energieeinheit in der Atom- bzw. Kernphysik. Ein Tera - Elektronenvolt sind 1012  eV. Zum Vergleich: In den für die Strahlentherapie in der Medizin genutzen Beschleunigern werden Elektronen auf Energien von rund 20 MeV (1 MeV = 106 eV) beschleungt. 1 TeV ist damit 1 Million mal größer als 1 MeV. Die Energie aller in dem Ring befindlichen Protonen ist etwa gleich der eines ICE bei einer Geschwindigkeit von 150 km/h. 
Etwa 3.000 Protonenpakete (Protonenwolken) mit jeweils 100 Milliarden  Protonen umkreisen den Ring in jeweils nur haardünnen und wenige cm langen dicken Protonen-Paketen und werden durch 1.232 supraleitende Magnete auf ihrer Kreisbahn gehalten. Wenn jeweils zwei Protonenwolken aufeinander treffen kommt es nur zu ca. 20 Zusammenstößen. Da aber pro Sekunde rund  30 Millionen Protonenwolken aufeinander treffen kommt es insgesamt 2o mal 30 Mio., also zu insgesamt 600 Millionen Zusammenstößen pro Sekunde. Diese Kollisionen finden in den vier riesigen Detektoren mit den Namen CMS, Alice,LHCb oder Atlas statt, wo die bei der Kollision entstandenen "Teilchenschauer" u.a. nach Entstehungsort, Flugbahn und Energie analysiert werden und dabei das überall intensiv gesuchte Higgs-Teilchen oder schwarze Löcher möglicherweise nachgewiesen werden können - was eine riesige und Nobelpreis verdächtige Sensation wäre.
Um eine Vorstellung über die Größe und den damit verbundenen Aufwand der Detektoren zu bekommen, sei erwähnt, dass der CMS-Detektor - einer der vier großen Detektoren - ein Gewicht von rund 12.500 Tonnen = 12.500.000 kg besitzt, der Detektor Atlas ist nicht viel kleiner. Die Arbeitsgruppen an diesen beiden Detektoren stehen beim Nachweise des Higgs-Teilchens, der Supersymmetrie und der Schwarzen Löcher in "freundschaftlicher" Konkurrenz zueinander. 
Die beiden anderen Detektoren - LHCb und Alice - dienen anderen wissenschaftlichen Zielen, so der Erforschung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie (LHCb) und der Erforschung des Quark-Gluonen- Plasmas (Alice). 
In den ersten Millionstel Sekunden nach dem Urknall befand sich die Materie in einem Zustand von mehr oder weniger freien Quarks. Unter Gluonen versteht man die Teilchen, die für die Kernkraft, also die Anziehungskraft zwischen Protonen und Neutronen verantwortlich sind. Physiker würden präziser sagen, dass Gluonen die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung sind. Interessanterweise verschmelzen bei diesem Cern- Experiment Astrophysik und Elementarteilchenphysik miteinander.

Experimente mit derartigen künstlich erzeugten hochenergetischen Protonen sind bisher noch nie gemacht worden und sind auch (derzeit) nur bei CERN möglich. 
Es wird für möglich gehalten und ist sogar erwünscht, dass bei diesem Experiment u.a. auch kleinste "Schwarze Löcher" entstehen. Nach den derzeitigen theoretischen Kenntnissen, die u.a. von Hawking stammen, zerfallen die dabei entstandenen kleinsten "Schwarzen Löcher" innerhalb der extrem kurzen Zeit von 10-26 Sekunden, also 1 dividiert durch eine Eins mit 26 Nullen. Ohne allzu tief in die theoretische Physik einzusteigen, sei erwähnt, dass sich diese "Gebilde" auf mehr als 3 Dimensionen - auf allerkleinstem Raum - befänden. Und nur in einem derartigen mehrdimensionalen Raum können Schwarze Löcher bereits bei den bei CERN vorhandenen Energien der Protonen entstehen. In einem 4-dimensionalen Raumzeitkontinuum wären erheblich höhere Energien vonnöten.  Der Theorie nach könnte die Gravitationskonstante in diesem mehrdimensionalen Raumgebilde um den unvorstellbar großen Faktor von 1032 ansteigen. Die dabei möglicherweise entstandenen kleinsten Schwarzen Löcher könnten dazu dienen, die Hawkings-Strahlung zu nachzuweisen, die hier sehr stark sein müsste und über die sie der Theorie nach zerfallen sollen.
Diese Hawking - Strahlung ist nach dem englischen Astrophysiker Stephen William Hawking benannt . Auch die großen "Schwarzen Löcher" im All sollen über diese Strahlung zerfallen. Jedoch konnte die Strahlung bisher experimentell nicht nachgewiesen werden, da sie extrem schwach ist und als  "Rauschen" in der Hintergrundstrahlung im All, die aus Zeiten des Urknalls herrührt, untergeht. Nach Überschlagsrechnungen läge die Zerfallszeit großer Schwarzer Löcher bei etwa 1080 Jahren - bei einem Alter des gesamten Alls von von rund 1,3·1010 Jahren.
Der Zerfall der möglicherweise bei dem Experiment enstehenden sehr kleinen "Schwarzen Löcher" ist - wie erwähnt - nur theoretisch vorhergesagt. Es ist daher durchaus möglich - wenn auch extrem unwahrscheinlich - dass ein derartigs Gebilde stabil bleibt.

Higgs-Teilchen

Im Jahr 1964 sagte der schottische Physiker Peter Higgs ein Teilchen theoretisch voraus, das für die konstante Masse von Objekten verantwortlich sein sollte. Es wurde ihm zu Ehren als Higgs-Teilchen bzw. Higgs-Boson bezeichnet. Ein Boson ist ein Teilchen, dessen Spin (= Drehimpuls) ganzzahlig ist. Am 4. Juli 2012 wurde bekanntgegeben, dass die CERN-Physiker am LHC das Teilchen nach jahrzehntelangem Suchen endlich gefunden haben. Das rund 125 GeV "schwere" Teilchen ist damit das letzte Teilchen, das nach dem so genannten "Standardmodell" der Teilchenphysik noch gefehlt hatte.
Das Teilchen wird gerne als Gottesteilchen bezeichnet. Der Begriff entstammt dem Fluch von Physikern, die von dem "gottverdammten" Teilchen sprachen, da es sich bisher stets einem Nachweis entzogen hatte. Irgendjemand ließ dann das "verdammt" weg und es wurde zum Gottesteilchen.

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