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Teilchenphysik
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Laurent Seematter (Text), Mark Henley (Fotos), 5. Juli 2016
Im Kontrollraum des Large Hadron Collider (LHC) angekommen, fühlen wir uns wie auf der Kommandobrücke einer Weltraummission. Auf Dutzenden von Monitoren sind Farbgrafiken und Zahlenreihen zu sehen. Die Wissenschaftler, die diese Mission leiten, tragen eine grosse Verantwortung: den zuverlässigen und sicheren Betrieb des grössten Teilchenbeschleunigers der Welt sicherstellen. Ziel der Mission: die kleinsten Bestandteile der Materie erforschen.
Ziel dieser Versuche ist es, die Gesetze des Universums zu entschlüsseln, indem man die Reaktionen im Mikrokosmos der Teilchen beobachtet.
Im LHC-Beschleuniger
In einem 27 km langen Tunnel, gebaut unter französischem Boden vor den Toren Genfs, zirkulieren Protonen in einer Ringbahn mit zwei Rohren bei einer Temperatur von -271,3 °C in einem Vakuum. Sie werden von starken Elektromagneten angetrieben und erreichen nahezu Lichtgeschwindigkeit. An vier Standorten entlang des Beschleunigers zeichnen sechs unterirdische Labore die Phänomene auf, die bei der Kollision der Protonen entstehen. Ziel dieser Versuche ist es, die Gesetze des Universums zu entschlüsseln, indem man die Reaktionen im Mikrokosmos der Teilchen beobachtet.
Mike Lamont, Betriebsleiter des LHC-Teilchenbeschleunigers, unterhält sich angeregt mit seinen Kollegen. Mike hat seinen Doktor der Physik an der Universität Liverpool gemacht und arbeitet seit über 20 Jahren am CERN. Er war an der Konzeption des Beschleunigers beteiligt und kennt ihn wie seine eigene Westentasche. Heute ist eine kleine Störung aufgetreten und jede Minute zählt. Er muss mit seinen Kollegen den Protonenkreislauf so schnell wie möglich wiederherstellen, damit die Versuche fortgeführt werden können.
«Dank dieser Maschine konnten wir 2012 das Higgs-Boson nachweisen.»Hans Peter Beck, Physiker
Sein Kollege Georges-Henry Hemelsoet, Ingenieur und Betriebstechniker, erklärt uns das Diagramm, das auf einem der zahlreichen Monitore erscheint: «Alle Daten aus dem Beschleuniger werden von Computern verarbeitet, die unter anderem Position und Umlaufbahn der Protonenstrahlen überwachen.»
Teilchen und medizinische Bildgebung
Ein anderer Standort, eine andere Kommandostation mit einer weiteren Reihe von flimmernden Bildschirmen. Hinter der Glasfront des Besucherzentrums tippen einige Wissenschaftler auf die Tastaturen ihrer Computer ein. Von diesem Kontrollraum aus überwacht ein Team von Wissenschaftlern ATLAS, eine Art riesigen Scanner mit 25 Metern Durchmesser und 45 Metern Länge. Dieser erkennt Teilchen, die entstehen, wenn die im LHC-Beschleuniger zirkulierenden Protonenstrahlen kollidieren.
«Dank dieser Maschine konnten wir 2012 das Higgs-Boson nachweisen, dessen Existenz in den sechziger Jahren postuliert wurde», erklärt uns Hans Peter Beck, Professor für Physik an der Universität Bern und Mitglied des ATLAS-Forscherteams. Seiner Ansicht nach ist die Grundlagenforschung, die hier geleistet wird, ihre Kosten mehr als wert: «Die 10 Milliarden, die in den Super-Beschleuniger investiert wurden, erscheinen zwar wie ein gewaltiger Betrag, sie ermöglichen jedoch nicht nur ein besseres Verständnis der Funktionsweise des Universums, sondern auch wichtige technologische Fortschritte.»
Ein Beispiel: ein digitales medizinisches Bildgebungsverfahren mit geringer Strahlendosis geht auf hochsensible Sensoren zurück, die in den Laboren des CERN entwickelt wurden. Auch andere Bereiche des modernen Ingenieurwesens wie Supraleitfähigkeit, Kryotechnik und Informatik konnten von CERN-Entwicklungen profitieren.
Ein digitales medizinisches Bildgebungsverfahren mit geringer Strahlendosis geht auf hochsensible Sensoren zurück, die in den Laboren des CERN entwickelt wurden.
Digitale Bibliothek
Zurück im CERN-Hauptgebäude mit der typischen Pavillonarchitektur der fünfziger Jahre. Durch angelehnte Türen schaut man in Büros, in denen sich Papierstapel auftürmen, in anderen räsonieren kleine Gruppen über Gleichungen, die bisher noch nicht gelöst werden konnten. Wir gehen durch lange Gänge, in denen eine entspannte und trotzdem konzentrierte Stimmung herrscht, bevor wir die von Jens Vigen geführte Bibliothek erreichen.
Der Norweger, der bereits seit 22 Jahren im CERN arbeitet, öffnet uns die Tür zu seiner Welt: «Von den 90’000 Titeln in unserer Bibliothek gibt es zwei Drittel mittlerweile in digitaler Form. Bei den wissenschaftlichen Zeitschriften sind gedruckte Versionen bereits ganz verschwunden.» Diese Entwicklung überrascht nicht, waren es doch zwei CERN-Wissenschaftler, nämlich der Physiker Tim Berners-Lee und der Ingenieur Robert Cailliau, die der digitalen Revolution den Weg bereiteten, um die Kommunikation zwischen Wissenschaftlern zu erleichtern.
Anfang der 90er-Jahre schufen CERN-Forscher mit der Erfindung der Programmiersprache HTML und des HTTP-Protokolls die Grundlagen für das World Wide Web.
Anfang der Neunzigerjahre schufen sie mit der Erfindung der Programmiersprache HTML und des HTTP-Protokolls die Grundlagen für das World Wide Web. Dennoch steht die Bibliothek als Arbeitsplatz bei Wissenschaftlern hoch im Kurs. «Unsere Räume sind rund um die Uhr geöffnet und die Forscher kommen gerne hierher, um ihre Kollegen zu treffen», erklärt uns Jens Vigen. Das Internet kann zwischenmenschliche Kontakte nicht ersetzen, die für den Fortschritt der Forschung unentbehrlich sind.
Der grosse Computerraum
Die Labore des CERN generieren mit ihrer leistungsstarken Technik auf der Suche nach dem unendlich Kleinen gewaltige Datenmengen. Die digitalen Bilder der Kollisionen, die im LHC stattfinden, kommen jedes Jahr auf etwa fünfzig Petabyte, was ungefähr 15 Millionen Filmen im High-Definition-Format entspricht.
Maite Barroso Lopez, die einen Hochschulabschluss in Informatik der Polytechnischen Universität Madrid hat und seit 2016 stellvertretende Leiterin der Abteilung für Informationstechnologie des CERN ist, führt uns an Hunderten von Schränken vorbei, an denen unzählige rote und grüne Dioden blinken: «Zusätzlich zu den Tausenden von Prozessoren hier im CERN verfügen wir noch über eine Erweiterung unseres Rechenzentrums im Wigner-Forschungsinstitut für Physik in der Nähe von Budapest.»
Die Labore des CERN generieren mit ihrer leistungsstarken Technik auf der Suche nach dem unendlich Kleinen gewaltige Datenmengen.
Aber das ist noch nicht alles. Alle im CERN gesammelten Daten werden via Internet an ein Netz von Partneruniversitäten übermittelt, die sie in mehr als 170 Rechenzentren in etwa 40 Ländern speichern und die Ergebnisse der Versuche im LHC analysieren. Dadurch haben über 10’000 Physiker in der ganzen Welt nahezu sofort Zugriff auf die Daten. Auf einem Bildschirm stellt eine Anwendung von Google Earth die Datenströme dar, die vom CERN ausgehen und sich in alle Welt verteilen.
Von Physik zu Zumba
Einmal pro Woche lässt Rachel Bray ihre Kollegschaft zu Zumba-Rhythmen schwitzen, bevor sie ihren Tag in der Abteilung Engineering beginnt, «Meine ersten Erfahrungen mit den Freizeitvereinen des CERN habe ich auf der Skipiste gemacht. Eine grossartige Gelegenheit, um mein Netzwerk aufzubauen. Als ich aus England gekommen bin, kannte ich in Genf niemanden.»
Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des CERN kommen aus den unterschiedlichsten Ländern, es sind über hundert Nationen vertreten. Sie gehen ihren Hobbys gerne gemeinsam mit ihren Kollegen oder anderen interessierten Bewohnern der Region nach: vom Kampfsport über die Fotovoltaik bis hin zur Malerei – das Angebot des CERN ist ebenso vielfältig wie die etwa 10’000 Personen, die an seinen verschiedenen Standorten arbeiten.
Die von Wolken verdeckte Sonne verschwindet bereits langsam hinter den braunen Bergrücken des Juras. Haben die Protonenstrahlen im Teilchenbeschleuniger ihre schwindelerregenden Umdrehungen bereits wieder aufgenommen? Am Ende unserer Reise ins Herzen des CERN sind unsere Neuronen ganz schön in Wallung geraten beim Versuch, sich das Feuerwerk der kollidierenden Teilchen unter unseren Füssen vorzustellen.
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