Braucht die Welt einen 100km – Teilchenbeschleuniger?

 

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Diese Maschinen würden den mit 27 km Umfang derzeit weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC in den Schatten stellen: Einerseits gibt es auf europäischer Seite Pläne, am CERN einen neuen unterirdischen Ringbeschleuniger mit 80-100 Kilometern Umfang zu bauen. Andererseits gibt es auch in China Bestrebungen, sich mit dem Bau einer Maschine von ca. 50-70 km an die Weltspitze der physikalischen Grundlagenforschung zu katapultieren, wenn die Ära des LHC am CERN zu Ende geht –  wir sprechen hier von den 2030er oder eher den 2040er Jahren. Das chinesische Projekt hat auch im Westen prominente Unterstützung, beispielsweise durch den einflussreichen Theoretiker Nima Arkani-Hamed (Princeton), der inzwischen zum Direktor des „Institute for Future High Energy Physics“ in Peking berufen wurde.

Auch wenn der Bau eines stärkeren (d.h. mit aktueller Technologie auch viel größeren) Beschleunigers nach dem LHC der nächste logische Schritt zu sein scheint, um noch tiefer in die Geheimnisse der Naturgesetze einzudringen, gibt es kontroverse Diskussionen um die Sinnhaftigkeit davon, ein solches Projekt jetzt anzugehen.

Eines ist aus der Perspektive der Teilchenphysiker klar – über eine solche Maschine muss jetzt zumindest nachgedacht werden, denn von ersten Überlegungen bis zur Inbetriebnahme einer solchen Einrichtung vergehen gerne mal 30 Jahre oder mehr. Wenn man jetzt nicht in die Planung geht, steht die Disziplin in 20 Jahren ohne Perspektive für die Großforschung da. Das würde einen dramatischen Verlust an Know-How, an entsprechenden Ausbildungsmöglichkeiten für Wissenschaftsnachwuchs und Antrieb für die Entwicklung der nötigen Hochtechnologien bedeuten. Erste Vorarbeiten zum Large Hadron Collider sind beispielsweise fast so alt wie ich selbst, und ich konnte noch sehr komfortabel zu Ende promovieren, bevor in der Maschine überhaupt die ersten Protonen gekreist sind. Was wusste man im Jahr 1984, als die konkrete Planungsphase für den LHC anfing, darüber, ob genau diese Maschine 2012 dafür gebraucht würde, um endlich das Higgs-Boson zu entdecken? Im Jahr zuvor wurden erst die W- und Z-Bosonen entdeckt und damit erst wirklich bestätigt, dass die elektroschwache Theorie, die als Vorhersage das Higgs-Boson beinhaltet, überhaupt eine akkurate Beschreibung der Natur ist. Ob das Higgs-Boson wirklich existiert und wie schwer es war, wusste damals noch niemand auch nur näherungsweise, und auch die Masse des Top-Quarks war ungewiss. Der damals gerade am CERN im Bau befindliche Beschleuniger LEP hätte das Higgs-Teilchen in den 1990er Jahren entdeckt, wenn es nur ein wenig leichter gewesen wäre. Der Superconducting Supercollider in Texas ebenso, wenn der Bau nicht vom US-Kongress gestoppt worden wäre.

Es ist also nicht absurd, zum jetzigen Zeitpunkt damit zu beginnen, über die nächste Maschine nachzudenken. Es gibt allerdings einen wichtigen Unterschied zwischen der Situation im Jahr 1984 und heute, 2016. Heute gibt es zwar noch eine ganze Liste offener Fragen zur Grundlagenphysik (Dunkle Materie, Antimaterie-Asymmetrie, etc.), allerdings gibt es keine handfesten Argumente, dass diese Phänomene durch einen größeren Teilchenbeschleuniger auch wirklich verstanden werden können (siehe dazu Das Alptraum-Szenario). Im Jahr 1984 waren gerade neue Teilchen entdeckt worden, die W- und Z-Bosonen, die einen klaren Hinweis lieferten, dass die Natur neue Phänomene innerhalb der Reichweite zukünftiger Beschleuniger bereithalten musste, nämlich das Higgs-Boson und seine Wechselwirkungen oder eine Alternative. Nachdem dieses Teilchen am LHC entdeckt wurde, könnte man befürchten, dass die durch Beschleuniger untersuchbaren Naturgesetze bis auf weiteres abgeschlossen sind. Das muss keineswegs so sein, aber durch das Ausbleiben jeglicher Neuentdeckungen des LHC in den Jahren 2015 und 2016 liegt eine gewisse pessimistische Stimmung in der Luft.

Mancher tut sich daher zur Zeit schwer, eine plausibles Physikprogramm für eine neue, größere „Entdeckungsmaschine“ zu formulieren und die Kosten im hohen einstelligen oder zweistelligen Milliardenbereich zu rechtfertigen – am LHC war neben der genaueren Vermessung der bekannten Teilchen die Entdeckung des Higgs (oder Alternativen) die Pflicht, weitere Entdeckungen wären die Kür. Was aber ist das Pflichtprogramm einer auf Entdeckungen getrimmten Nachfolgemaschine des LHC?

Prof. Chen-Ning „Frank“ Yang, der selbst entscheidende Beiträge zur Theorie der starken und schwachen Wechselwirkung sowie zum Verständnis der Paritäts-Asymmetrie der Naturgesetze gemacht hat, rät derzeit vom Bau eines größeren Beschleunigers in China ab (Quelle: Wikimedia Commons).

Zu den prominentesten Zweiflern zählt der im Oktober 94-jährige Nobelpreisträger C.N. Yang – Namensgeber und Emeritus des Yang-Instituts in Stony Brook (USA) und gleichzeitig eine der einflussreichsten Figuren in der chinesischen Grundlagenforschung. Er hat große Probleme mit der Idee, dass die Volksrepublik jetzt den Bau neuer, größerer Ringbeschleuniger angehen sollte, die er kürzlich in einer Debatte darlegte.

Eine englische Zusammenfassung findet sich in diesem Artikel in Science. Dem Artikel lässt sich entnehmen, dass Prof. Yang eben vor allem ein Problem mit der Ungewissheit hat, dass ein neuer, im Vergleich zum LHC um einen Faktor ca. 8 stärkerer Beschleuniger wirklich Entdeckungen machen würde, die die Kosten rechtfertigen. Klar ist Forschung immer die Erforschung des Unbekannten, und es liegt in ihrer Natur, dass man nicht sicher im Voraus sagen kann, was man finden wird. Yang findet es aber fraglich, ob ein stärkerer Beschleuniger das leisten kann, was der Large Hadron Collider (bisher) vergeblich versucht, nämlich neue physikalische Phänomene jenseits der bekannten Standardtheorie zu entdecken. Werden bis zu 20 Milliarden Dollar für eine Großforschungsanlage investiert, wird besonders scharf auf die „Pflicht“-Seite des Programms geschaut, und diese findet Yang offenbar nicht überzeugend und rät stattdessen zu Investitionen, die direkter die sozialen Probleme Chinas angehen.

Die Befürworter des chinesischen Großprojekts, unter ihnen der Direktor des Instituts für Hochenergiephysik, Wang Yifang, sehen dies allerdings anders: Das chinesische Beschleunigerprojekt würde in der vollen Ausbaustufe in einem Tunnel zwei Beschleuniger beherbergen (eine Idee, die schon am CERN für den LHC angedacht und dann wieder verworfen wurde, aber auch für das Europäische 100km-Projekt wieder auf dem Tisch ist). Der erste der beiden chinesischen Beschleuniger, der CEPC, würde Elektronen und ihre Antiteilchen kollidieren und wäre dazu geeignet, die Eigenschaften des Higgs und anderer bekannter Teilchen sehr genau zu vermessen. Die zweite, einem größeren LHC ähnliche Maschine, der SPPC, wäre die eigentliche „Entdeckungsmaschine“. Prof. Wang Yifang und seine Mitstreiter sehen also zumindest eine klare Physikmotivation für die erste, mit 6 Milliarden zu Buche schlagende Ausbaustufe – die Präzisionsvermessung der bekannten Naturgesetze. Auch hier können bahnbrechende Entdeckungen gemacht werden, wenn Abweichungen von der Theorie gefunden werden, auch wenn die Maschine keine neuen Teilchen an sich direkt entdeckt.

In Europa laufen derweil zumindest strategische Vorüberlegungen für den „Future Circular Collider“. Der Bericht soll im Jahr 2018 in die Europäische Strategie für Hochenergiephysik eingebracht werden (siehe die FCC-Seite des CERN). Die Maschinen zur Präzisionsvermessung z.B. des Higgsteilchens wie der chinesische CEPC könnten zudem Konkurrenz durch Linearbeschleuniger wie den Interational Linear Collider ILC bekommen, der möglicherweise in Japan (vielleicht aber doch in Europa, oder vielleicht gar nicht) gebaut wird.

Prof. Yang empfielt, statt auf den Bau immer größerer Beschleuniger der üblichen Bauart auf die Erforschung ganz neuer Beschleunigertechnologien zu setzen. Es gibt tatsächlich einige Beschleunigertechnologien, die auf wesentlich kleinerem Raum als die bisherigen Bauweisen Teilchen zu riesigen Energien beschleunigen können. Eine dieser Technologien ist die sogenannte Plasma Wakefield – Beschleunigung. Das Experiment AWAKE am CERN wird diese Technologie beispielsweise testen. Doch während einige schon von Hochenergiebeschleunigern träumen, die auf Labortische passen, muss noch einiges an Entwicklung passieren, bis solche Anlagen an die Leistungsfähigkeit moderner herkömmlicher Großbeschleuniger heranreichen.


Das Experiment AWAKE am CERN soll eine neue Beschleunigertechnologie testen, die Teilchen auf vergleichsweise kurzen Strecken zu Rekordenergien beschleunigen kann (Quelle: CERN)

Wie es nun tatsächlich nach dem Large Hadron Collider in der experimentellen Teilchenphysik weitergeht, kann noch niemand so genau sagen. Eines ist aber sicher – falls am LHC oder z.B. an einem der zahlreichen Dunkle-Materie-Experimente eine Entdeckung gemacht wird, werden die Karten neu gemischt.

 

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