Österreich ist seit 60 Jahren Mitglied des Kernforschungszentrums Cern, das fundamentale Fragen des Kosmos erforscht.
Wien. Der Mensch sieht die Welt mit den Augen. Aus einem Meter Entfernung können sie einen halben Millimeter dünne Linien ausmachen. Um Körperzellen zu beobachten, ist schon ein Mikroskop erforderlich, und um die DNA unter die Lupe zu nehmen, ein größeres Elektronenmikroskop.
Das Erbgut aller Lebewesen besteht ebenso wie alle Stoffe aus noch kleineren Einheiten, den Atomen, die in Rastertunnelmikroskopen sichtbar werden. Um in die Welt der kleinsten Teilchen einzutauchen, aus denen der Kosmos entstand, benötigt der Mensch jedoch die größte Maschine der Welt. Am europäischen Teilchenforschungszentrum Cern bei Genf in der Schweiz werden sie erzeugt und mit Präzisionsinstrumenten gemessen. Die Daten helfen bei der Aufklärung, was nach dem Urknall passierte und wie daraus das Universum, wie wir es heute kennen, entstand.
Eine Ausstellung in der Wiener Aula der Wissenschaften veranschaulicht das Cern anlässlich des 60. Jubiläums der österreichischen Mitgliedschaft. Die aufschlussreiche Schau wurde vom Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) konzipiert. Die ÖAW nimmt das Jubiläum auch zum Anlass für eine Wissenschaftswoche bis 12. September in Wien. In der Reihe "Meet the Universe" thematisieren Forscher die großen Fragen der Physik. Was passierte beim Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren? Woraus besteht der Kosmos und wie könnte er enden?
Einige Antworten konnte das 1954 als Antwort auf die US-Atomforschung im Zweiten Weltkrieg von zwölf Ländern gegründete "Centre Europeen pour la Recherche Nucleaire" bereits liefern. Heute ist es mit 23 Mitgliedstaaten, 2500 Mitarbeitern und einem Jahresbudget von 1,1 Milliarden Euro das weltgrößte Forschungszentrum. Die Mitglieder leisten finanzielle Beiträge abhängig vom Bruttoinlandsprodukt. Österreich ist seit 1959 dabei, beschäftigt 90 Forscher in Genf und beteiligt sich mit 22 Millionen Euro oder zwei Prozent am Gesamtbudget.
Durchbruch mit Higgs-Boson
Der Large Hadron Collider, ein 27 Kilometer langer unterirdischer Ring, ist der größte Teilchenbeschleuniger, mit dessen Hilfe der Aufbau von Materie erforscht wird. In 100 Metern Tiefe werden Protonen auf Fast-Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Die Energien simulieren die Verhältnisse kurz nach dem Urknall. Bei den Zusammenstößen entstehen Teilchen, wie sie am kosmischen Start existierten. Ein Durchbruch wurde im Juli 2012 unter österreichischer Beteiligung in den Detektoren Atlas und CMS durch den Nachweis des Higgs-Teilchens erzielt, das allen Planeten, Stoffen und Lebewesen Masse verleiht. Der Physiker Peter Higgs, der es vorhergesagt hatte, erhielt 2013 den Physik-Nobelpreis.
Das Universum besteht jedoch nur zu fünf Prozent aus sichtbarer Materie. Woraus der Rest gemacht ist, ist eines der großen Rätsel. Bekannt ist, dass 25 Prozent Dunkle Materie ist, die keine Lichtwellen aussendet und somit für das Auge nicht sichtbar ist. Von den restlichen 70 Prozent wird angenommen, dass es sich um eine mysteriöse dunkle Energie handelt, die den Kosmos auseinandertreibt.
Das Standardmodell der Physik beschreibt die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Es lässt jedoch sowohl die Gravitation als auch diese dunklen Rätsel außer Acht. Die Hochenergiephysik sucht Erklärungen. Hier kommt die Zukunft des Cern ins Spiel. "Es muss eine neue Physik geben. In welchem Energiespektrum sie zu finden ist und wie sie mit normaler Materie interagiert, wissen wir aber noch nicht", sagte Cern-Direktorin Fabiola Gianotti am Rande der Eröffnung der Wissenschaftswoche am Donnerstagnachmittag zur "Wiener Zeitung".
Derzeit ist der LHC für Wartungsarbeiten abgeschaltet. Parallel wird an einem Ausbau des Beschleunigers mit stärkeren Magneten gearbeitet. Der HiLumi LHC soll 2025 fertig sein und die Zahl der Protonenkollisionen von einer auf fünf Milliarden pro Sekunde erhöhen. Zudem wird ein neuer, noch größerer Beschleuniger am Cern angedacht. Die LHC-Nachfolge könnte sich im Mai 2020 entscheiden. Bis dahin sollte die europäische Strategie für Teilchenphysik überarbeitet sein. Derzeit liegen zwei Design-Studien vor: ein Linearbeschleuniger für Kollisionen von Elektronen und Positronen, genannt CLIC (Compact Linear Collider), und der 100 Kilometer lange, ringförmige Future Circular Collider (FCC).
Beide Konzepte haben überzeugendes Potenzial", betont Gianotti: "Einerseits wollen wir das Higgs-Teilchen präziser studieren. Es ist anders als die anderen 16 Partikel, die wir entdeckt haben. Aufgrund seiner einzigartigen Art und Weise, mit den anderen Elementarteilchen zu interagieren, könnte es das Tor zu einer neuen Physik aufstoßen." Mit Hilfe von bekannter Materie ließen sich auch unbekannte Materieformen verstehen.
Suche nach Theorie für alles
Weiters gilt es zu klären, warum das All heute fast nur aus Materie besteht. Kurz nach dem Urknall existierte gleich viel Materie wie Antimaterie. "Die Antimaterie - also die Materie mit entgegengesetzter Ladung - verschwand. Das ist zwar gut, weil die Materieformen sich auslöschen, wenn sie kollidieren. Gäbe es beide noch immer, wären wir nicht hier. Aber wir wissen nicht, warum es so gekommen ist", erklärt die Cern-Chefin.
Physiker wünschen sich eine Theorie für alles, die so wie das Standardmodell einen direkten Bezug zwischen Materie und Kräften erklärt, und Phänomene wie Gravitation und Dunkle Materie berücksichtigt. Auf einer Skala von eins bis zehn "befinden wir uns bei der Suche danach etwa bei drei", räumt die Physikerin ein.
Eine elegante Erweiterung des Standardmodells wäre die Supersymmetrie. "Es ist eine schöne Theorie, die viele Fragen beantworten würde", sagt sie. "Aber im Energiespektrum, das wir derzeit erforschen, konnten wir sie bisher nicht nachweisen."