Reise zum Urknall

Seit zirka 4,6 Milliarden Jahren gibt es die Erde. Das Universum ist ganze 13,8 Milliarden Jahre alt, wie wir aus Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung durch das Planck-Weltraumteleskop wissen. Unmöglich also, zu den Anfängen des Universums zurückzublicken – sollte man meinen. Doch am CERN funktioniert das: Mit den Kollisionsexperimenten, die im weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger laufen, können Forschende bis fast zum Urknall zurückblicken. Und zwar wirklich fast – bis zu einem Billionstel einer Sekunde nach dem Urknall.

«Für uns ist der Large Hadron Collider am CERN eine Zeitmaschine», sagt Ben Kilminster, Teilchenphysiker an der Universität Zürich. «Wir können damit die Bedingungen rekonstruieren, die in unserem Universum herrschten, als dieses noch extrem heiss und dicht war und alle Teilchen sich frei ineinander umwandeln konnten.» Dieser Blick zurück ermöglicht es den Forschenden der CERN-Experimente, verschiedenste Teilchenarten zu vermessen, sogar solche, die sie nie erwartet hätten. Die bekannteste Entdeckung war 2012 das Higgs-Boson. «Damit bestätigten wir eine zentrale Vorhersage des Standardmodells der Teilchenphysik, nämlich dass Elementarteilchen ihre Masse erst durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Boson erhalten», sagt Kilminster. Seine Forschungsgruppe hat den innersten, präzisesten Teil des Detektors, der unter anderem das Higgs-Teilchen nachgewiesen hat, mitentwickelt.

Nun baut Kilminster die neue Detektor-Generation fürs CERN. Denn bald startet dort die nächste Phase: die Aufrüstung des Beschleunigerrings auf den «High-Luminosity LHC», die bis 2030 abgeschlossen sein soll. «Im High-Luminosity LHC wird die Energie der Kollisionen etwa gleich bleiben, aber deren Gesamtzahl wird steigen, die sogenannte Luminosität – um etwa das Zehnfache», sagt Kilminster. So wird der aufgerüstete Collider Millionen von Higgs-Bosonen pro Jahr erzeugen. «Damit lassen sich dann die Higgs-Bosonen genauer untersuchen und womöglich auch ganz neue Teilchen generieren und neue Forschungsfragen angehen.» Beispielsweise zur dunklen Materie oder zu neuer Physik jenseits des Standardmodells.

Denn Kilminsters Ziel ist es nicht etwa, Annahmen zu bestätigen, sondern sie in Zweifel zu ziehen. «Nur mithilfe von Fehlern, von Abweichungen, die nicht ins aktuelle Standardmodell passen, können wir unsere Theorien prüfen und verbessern», sagt der Teilchenphysiker. Er ist sich sicher: «Unser Standardmodell ist nur einer von vielen Schritten auf dem Weg zur physikalischen Wahrheit. So wie Newton ein Schritt für Einstein war.»

In seinem Büro zeigt er ein einzelnes Modul des Detektors, der jetzt am CERN im Einsatz steht, ein etwa drei mal sechs Zentimeter kleines Rechteck aus elektronischen und optischen Schaltungen – viel unscheinbarer, als man es von den Bildern der riesigen Detektoren am CERN kennt. Vereinfacht gesagt bildet ein solches Detektorsystem Schichten aus immer grösser werdenden Röhren um die Teilchen-Kollisionsstelle herum. Und weil sich die in den Kollisionen gebildeten Teilchen sternförmig ausbreiten, muss die innerste Detektor-Röhre die Teilchen am schnellsten und präzisesten registrieren können.

Diese innerste Schicht hat Kilminsters Forschungsgruppe zusammen mit Florencia Canelli, Teilchenphysikerin an der Universität Zürich und am CERN und seit kurzem Fellow der renommierten American Physical Society, entwickelt und mitgebaut – aus vielen Tausenden der kleinen Detektor-Module. Diese zeichnen die in den Kollisionen erzeugten Teilchen ganze 40 Millionen Mal pro Sekunde auf. Das ist nötig, denn ein Kollisionsexperiment erzeugt rund 200 einzelne Kollisionen, die alle innerhalb von nur 25 Nanosekunden, also Milliardstel Sekunden, ablaufen.

Zurzeit entwickelt Kilminsters Team auch für den künftigen High-Luminosity LHC die innerste Detektorschicht. Diese muss erstens viel schneller werden als bisherige Detektoren, um zehnmal mehr Daten pro Zeiteinheit zu registrieren. Zweitens muss sie widerstandsfähiger sein, um der zehnmal höheren Strahlung standzuhalten.

Wenn Kilminster über seine Arbeit spricht, wirkt er ernst, dabei macht sein Büro einen durchaus verspielten Eindruck: Neben dem üblichen Dekor wie Fachbücher oder Bilder seiner Detektoren stehen auf einem Regal auch verschiedene Roboter und Figürchen – alle aus Filmen und Serien für Nerds. Die hätten sich über die Jahre angesammelt, sagt der Teilchenphysiker eher zurückhaltend. Dann zeigt er plötzlich grinsend auf die vorderste Figur, Sheldon aus der Kultserie «Big Bang Theory» mit einem Miniatur-Flipchart, auf dem eine mathematische Formel steht. «Die Formel ist aus einem Kollisionsexperiment, an dem ich gearbeitet habe. Sie war so auch in der Serie zu sehen.»

Die Teilchenphysik ist denn auch eines der wenigen Forschungsfelder, in denen Europa vor den USA und China weltweit klar führend ist. Das liegt am CERN – was Teilchenbeschleuniger angeht, das Nonplusultra. «Da wir die leistungsstärkste Maschine haben, können wir die am tiefsten gehenden Forschungsfragen stellen», sagt Kilminster. Als eines der zwei Gastländer der CERN habe die Schweizer Forschung davon enorm profitiert.

Darauf wollen Kilminster und die UZH nun aufbauen. Darum treiben sie federführend den angedachten nächsten Teilchenbeschleuniger am CERN voran: den Future Circular Collider (FCC). Zuvor wird der High-Luminosity LHC von 2029 bis voraussichtlich 2040 in Betrieb sein. «Danach aber braucht es ein neues Kapitel», sagt Kilminster. Ab 2045 könnte der FCC in Betrieb gehen, so der Plan (siehe Box unten). «Mir ist wichtig, dass die Schweiz mitentscheidet, wie es beim CERN weitergehen soll», betont der Physiker. Er vertritt die Schweiz darum auch in der Europäischen Strategiegruppe für die Teilchenphysik. Schliesslich will er mithelfen, die Zukunft der Elementarteilchenforschung mitzugestalten und Europas führende Rolle darin langfristig zu sichern.

Gleichzeitig ist Kilminster aber auch an ganz anderen Teilchenphysik-Experimenten beteiligt. Zum Beispiel an einem Projekt, bei dem ein spezieller Detektortyp einen einzigen Zweck hat: das Energiespektrum von Kollisionen mit Teilchen der dunklen Materie nachzuweisen. Dazu wird der nur einige hundert Gramm schwere Detektor tief im Untergrund betrieben, zusätzlich umhüllt mit uraltem Blei – etwa solchem aus gesunkenen spanischen Galeonen. «Dieses Blei ist viel weniger radioaktiv als Materialien, die an der Oberfläche der kosmischen Strahlung ausgesetzt waren, wie wir es alle ständig sind», erklärt Kilminster. So hoffen er und die weiteren beteiligten Forschenden, dass sie alle Strahlung abschirmen, die auf den Detektor treffen kann – ausser dunkle Materie. Ein solches Experiment läuft in Kanada, zwei Kilometer unter der Erdoberfläche in einer Mine, ein weiteres startete kürzlich in Frankreich, im Modane-Untergrundlabor in der Mitte eines über zwölf Kilometer langen Autotunnels.

«Gerade die dunkle Materie gibt uns noch Rätsel auf», sagt Kilminster. «Wir wissen, dass sie da ist, aber nicht, woraus sie besteht – aus einem oder aus Dutzenden verschiedener Teilchen.» Auch die neuen Experimente im CERN werden vielleicht Teilchen der dunkle Materie nachweisen können. Zwar sind diese für die Detektoren unsichtbar, messbar wäre aber das Ungleichgewicht, das durch dunkle Materie entsteht, etwa Energieverluste.

Ungelöste Rätsel sind das, was Kilminster antreibt. Er erzählt von den Physikern Ende des 19. Jahrhunderts: «Damals dachten manche, sie hätten alles gelöst – Thermodynamik, Elektrizität, Magnetismus, die Newtonschen Gesetze der Mechanik.» Aber es gab auch Lücken, Dinge, die fast, aber nicht ganz passten. «Wenn kein Forscher diese untersucht hätte, besässen wir heute keine Quantenmechanik, keine Computer, kein GPS», sagt Kilminster. «All dies wurde entwickelt, weil Menschen die ungelösten Rätsel sahen und ihnen nachgingen.» Darin, das merkt man, erkennt er sich wieder.