Cern stoppt den größten Teilchenbeschleuniger der Welt - jetzt beginnt der Mega-Umbau

Am europäischen Kernforschungszentrum Cern bei Genf ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt nach 16 Betriebsjahren in seiner bisherigen Form unlängst abgeschaltet worden. Der Large Hadron Collider (LHC), ein 27 Kilometer langer Ring tief unter der französisch-schweizerischen Grenze, wird für rund vier Jahre umfassend umgebaut. Cern spricht von der umfangreichsten Umbauphase seit dem Bau der Anlage, intern „Long Shutdown 3“ genannt. Ab Juni 2030 soll die Maschine als High-Luminosity-LHC – zu Deutsch etwa: LHC mit hoher Leuchtkraft – wieder anlaufen.

Der LHC war 2010 in Betrieb gegangen. In seinem unterirdischen Ring werden winzige Teilchen, Protonen, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann frontal zur Kollision gebracht. Aus den Trümmern dieser Zusammenstöße lernen Physiker etwas über die Grundbausteine der Materie. Berühmt wurde die Anlage 2012, als die Forschungsteams der beiden großen Detektoren Atlas und CMS die Existenz des Higgs-Bosons nachwiesen – jenes Teilchens, das erklärt, warum andere Teilchen überhaupt eine Masse haben.

Mehr Zusammenstöße statt mehr Energie

Beim Umbau geht es nicht darum, die Teilchen mit noch mehr Wucht aufeinanderprallen zu lassen. Die Energie der Kollisionen bleibt in etwa gleich, bei rund 14 Teraelektronenvolt. Stattdessen sollen die Protonenstrahlen dichter gepackt werden, damit pro Sekunde deutlich mehr Zusammenstöße stattfinden. Fachleute sprechen von einer höheren „Luminosität“. Bis zum Zehnfachen soll diese steigen. Bis Anfang der 2040er Jahre will Cern so etwa zehnmal so viele Daten sammeln wie in der gesamten bisherigen Laufzeit des LHC.

Konkret rechnen die Forschenden mit Daten zu rund 380 Millionen Higgs-Bosonen. Damit lassen sich dessen Eigenschaften weit genauer vermessen als bisher, insbesondere die sogenannte Selbstkopplung, die Aufschluss darüber geben könnte, wie das Higgs-Feld im Universum aufgebaut ist. Auch andere Fragen stehen auf dem Programm: Was verbirgt sich hinter der sogenannten Dunklen Materie, die im Weltall zwar wirkt, aber unsichtbar ist? Und warum besteht das Universum fast ausschließlich aus Materie, während ihr Gegenstück, die Antimaterie, kaum vorkommt?

1,2 Kilometer Technik werden ausgetauscht

Rund 1,2 Kilometer der Beschleunigeranlage werden während des Umbaus ersetzt. An den beiden Stellen, an denen die Protonen in den Detektoren Atlas und CMS aufeinanderprallen, werden neue, besonders leistungsfähige Magnete eingebaut. Sie bestehen aus einer speziellen Verbindung von Niob und Zinn und können stärkere Magnetfelder erzeugen als die bisher verwendeten Magnete. Damit lassen sich die Teilchenstrahlen enger bündeln. Die Entwicklung gilt laut Cern als einer der technisch anspruchsvollsten Teile des Projekts.

Erstmals in einem solchen Beschleuniger kommen zudem sogenannte Crab Cavities zum Einsatz. Der Name spielt auf den Krebsgang an: Diese Bauteile kippen die Teilchenpakete kurz vor dem Aufprall leicht seitwärts, sodass sie sich frontaler treffen und die Ausbeute an Kollisionen steigt. Auch die Stromversorgung, die Kühlung mit flüssigem Helium sowie das Vakuumsystem in dem Ring werden erneuert.

Der Umbau betrifft nicht nur den großen Ring selbst, sondern auch die kleineren Vorbeschleuniger mit Namen wie Linac 4, Proton Synchrotron oder Super Proton Synchrotron. Sie bringen die Protonen erst auf hohe Geschwindigkeit, bevor diese in den LHC eingespeist werden. Nach Cern-Angaben sollen sie teilweise noch bis Ende August 2026 weiterlaufen, bevor auch sie in den Shutdown gehen.

Kritik am Milliardenprojekt

Nicht unumstritten ist unterdessen die Zukunft des Cern insgesamt. Das Forschungszentrum plant für die Zeit nach dem HL-LHC einen noch größeren Nachfolgebeschleuniger, den sogenannten Future Circular Collider mit einem Umfang von rund 91 Kilometern. Die Kosten werden auf mehr als 15 Milliarden Euro geschätzt. Kritiker aus Wissenschaft und Politik fragen, ob sich derartige Summen angesichts knapper Forschungsbudgets rechtfertigen lassen und ob weitere Großbeschleuniger tatsächlich neue Erkenntnisse bringen – oder ob das Geld besser in andere Bereiche der Physik fließen sollte, etwa in kleinere Experimente zur Dunklen Materie oder in Quantentechnologien.

Befürworter halten dagegen, dass Grundlagenforschung in dieser Größenordnung technische Entwicklungen anstößt, die weit über die Physik hinaus wirken – vom World Wide Web, das am Cern erfunden wurde, bis zu medizinischer Bildgebung.

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