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Physik:Der kontrollierte Urknall

Am Europäischen Teilchenbeschleuniger Cern bauen Physiker das größte Forschungsexperiment aller Zeiten. Vom kommenden Jahr wollen Forscher aus aller Welt hier dem Universum seine letzten Geheimnisse entreißen.

Wenn Bernard Lebègue es zulässt, kann man viel Spaß haben, 90 Meter unter der Erde, zwischen dem Genfer See und dem französischen Jura-Massiv.

22 Meter hoch ist der gigantische Atlas-Detektor.

(Foto: Foto: Cern)

Der stämmige Franzose führt den Besucher über Stahlleitern, schwindelerregende Gerüste und verwinkelte Schlupflöcher in die Eingeweide seiner monströsen Baustelle.

Im Kriechgang geht es an supraleitenden Magnetschlaufen vorbei, die so dick sind wie Pipelines und länger als ein Tennisplatz.

Stählerne Detektorplatten, aus denen armdicke Zuläufe mit dampfender Flüssigkeit austreten, büschelweise kupferne Gasleitungen und überall Kabel, Kabel, Kabel.

Zwischendurch geht es über ein Gerüst sieben Stockwerke nach oben, es folgt ein Steg in atemberaubender Höhe, der den Blick freigibt auf diese gewaltige Betonkaverne.

Metropolis der Wissenschaft

Es ist eine riesige Kathedrale. Ein Metropolis der Wissenschaft, 50 Meter lang, 35 Meter hoch. Zwischendurch übertönt Lebègues Stimme das Grundrauschen der Schweißflammen, Hammerschläge und Vakuumpumpen, welches den Hohlraum unter der französisch-schweizerischen Grenze erfüllt.

Zum Beispiel, wenn Lebègue einen jungen Monteur entdeckt, der gerade eine wackelige Aluminiumleiter neben einem kostbaren Kalorimeter aufstellt: "Und das", brüllt Lebègue dann, "was wird das?" Eine weitere Ansage braucht der Azubi nicht und geht die große Leiter holen. Es kommt der Verdacht auf, dass ein paar Gitanes Mais zu Lebègues beeindruckendem Bariton beigetragen hat.

Sicher ist, dass der Mann seinen Laden im Griff hat. Und es ist kein kleiner Laden: Lebègues Reich ist größer als das Pantheon in Rom. "Atlas" heißt die gewaltige Maschine, an der seit mehr als acht Jahren Tausende Mechaniker, Ingenieure und Physiker arbeiten. Vom kommenden Jahr an wollen Physiker aus aller Welt hier, am Europäischen Forschungszentrum Cern, dem Universum seine letzten Geheimnisse entreißen.

Wenn der 35 Meter lange und 22 Meter hohe Apparat fertig ist, wird er einer von vier Detektoren sein, die am größten Teilchenbeschleuniger der Welt künstliche Partikelkollisionen beobachten werden.

Atlas liegt, so wie die drei anderen Experimente CMS, LHCb und Alice an einem unterirdischen 27 Kilometer langen Ringtunnel. Darin entsteht derzeit der energiereichste Teilchenbeschleuniger aller Zeiten: der Large Hadron Collider, kurz LHC.

Allein die Teilchenkanone kostet 1,9 Milliarden Euro. Zwei gegenläufige Strahlen von Protonen, das sind die Atomkerne von Wasserstoff, werden in diesem Ring nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und an vier Stellen aufeinandergelenkt.

Jedes einzelne Proton wird dann rein rechnerisch die kinetische Energie einer fliegenden Mücke haben. Auf das winzige Proton konzentriert entspricht dies aber der Energie, die die Bausteine des Universums in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall hatten.

Bereits in den 90er Jahren beherbergte der unterirdische Ringtunnel des LHC einen Beschleuniger, den LEP, der Elektronen und Positronen aufeinanderschoss.

Weil Protonen aber ungleich schwerer sind, sind diesmal 1232 supraleitende Magnete nötig, jeder so groß wie ein Lastwagen und teuer wie ein Einfamilienhaus, damit die Partikel auf einer Kreisbahn bleiben und nicht in das umgebende Erdreich ausbrechen.

Jeder dieser Magnete, von denen bereits mehr als 1000 im Tunnel eingebaut sind, ist 15 Meter lang und erzeugt ein Magnetfeld, das 200.000-mal so stark ist wie das Erdmagnetfeld.

Die Protonen lösen einen kleinen Urknall aus

Damit die Spulen mit einer Stromstärke von 11.700 Ampere nicht verdampfen, müssen die Magnete auf minus 271 Grad Celsius gekühlt werden - nur zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Die entsprechende Helium-Flüssiggasanlage ist die größte der Welt. Wenn der LHC und seine vier Detektoren vom kommenden Jahr an auf Hochtouren laufen, ist die elektrische Leistung eines halben Atomkraftwerks nötig.

Protonen, die mit solcher Gewalt aufeinanderprallen, lösen einen kleinen Urknall aus und erzeugen bis zu mehrere tausend neue Teilchen. Die gewaltigen Detektoren wie Atlas sollen möglichst alle Splitter dieser Kollision entdecken und deren Bahnen und Energien messen.

In diesem Wust aus digitalisierten Teilchenspuren versuchen Physiker, die letzten Geheimnisse des Universums aufzuspüren. Der Aufwand besteht keineswegs nur darin, die Protonen auf ihrer Bahn und die Detektoren auf Empfang zu halten. Die schiere Datenmenge, die am Cern vom kommenden Jahr an erzeugt wird, übersteigt alles, was die Wissenschaft je an Computer- und Kommunikationstechnik zu bewältigen hatte.

Alleine im Atlas-Detektor werden in jeder Sekunde 40 Millionen Protonen-Pakete aufeinanderprallen. Nach jeder Kollision spuckt der Detektor mehr Daten aus als im gleichen Moment durch sämtliche Kommunikationsleitungen der Welt fließen.

Eine ausgeklügelte Elektronik filtert die brauchbaren Messdaten einer Proton-Proton-Kollision aus den Leitungen, während mit wenigen Metern Abstand schon die Daten der nachfolgenden Kollisionen durch die Kabel rasen. In Sekundenbruchteilen werden die Messwerte von 40 Millionen Protonen-Crashs auf das Notwendigste reduziert. Übrig bleibt von jeder brauchbaren Kollision aber immerhin noch eine Datenmenge, die dem Telefonbuch der Schweiz entspricht - und das 200 bis 300 Mal pro Sekunde wohlgemerkt.