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Wer nach Unbekanntem sucht, der weiss in der Regel nicht, welchen Weg er gehen muss, um das Unbekannte zu finden. Vor diesem Dilemma stehen auch Wissenschaftler, die in bisher unbekannte Gebiete der Elementarteilchenphysik vorstossen wollen. Und doch müssen sie sich darauf verständigen, welche Experimente in den nächsten Jahren und Jahrzehnten den grössten Erkenntnisgewinn versprechen. Zu diesen Zweck arbeiten die Schweizer Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker gegenwärtig an einer neuen Forschungs-Roadmap.
Es ist 14 Jahre her, als sich die an Schweizer Hochschulen und Forschungsinstituten tätigen Teilchenphysiker zum ersten Mal auf eine Roadmap verständigten. Das 96-seitige Dokument trug den nüchternen Titel 'Status and Outlook of Research and Education'. Die Autoren referierten darin die laufenden Forschungsaktivitäten an Schweizer Universitäten einschliesslich sowie des Paul Scherrer Instituts (, Villigen/AG). Darüber hinaus verständigten sie sich auf eine Palette von grösseren und kleineren Experimenten, an denen sich Schweizer Forscherinnen und Forscher in den bevorstehenden Jahren und Jahrzehnten beteiligen würden.
Schwerpunkte in der Spitzenforschung
Schon damals war klar: Obwohl die Schweiz trotz ihrer begrenzten Grösse bei verschiedenen Forschungsaktivitäten in der ersten Liga mitspielt, kann das Land nicht an allen Forschungsinitiativen beteiligt sein. Die Teilchenphysik bezieht ihre Legitimation – neben den Aktivitäten im theoretischen Gebiet – aus der Kraft des Experiments. Die Experimente einschliesslich der zugehörigen Infrastrukturen werden heute oft durch aufwändige Kollaborationen erstellt und betrieben, die erhebliche Mittel erfordern. Entsprechend müssen sich die Schweizer Forscher auf gewisse Schwerpunkte verständigen, in denen sie zur Spitzenforschung beitragen wollen.
Als die Roadmap 2004 erschien, war ein solcher Schwerpunkt zum Beispiel die bevorstehende Forschung am neuen CERN-Teilchenbeschleuniger: Der Large Hadron Collider () war damals im Bau und sollte binnen weniger Jahre in Betrieb gehen. 2009 war es so weit, und drei Jahre später glänzten die Hochenergiephysiker mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens. Mit dem LHC hatten sie jenes Teilchen nachgewiesen, das der Brite Peter Higgs und weitere theoretische Physiker bereits im Jahr 1964 vorausgesagt hatten.
Zeit für einen Blick in die Zukunft
Die Roadmap von 2004 ist mit der Higgs-Entdeckung nicht hinfällig geworden, denn der LHC wird zwei Jahrzehnte weiterlaufen und – hoffentlich – noch viele bahnbrechende Erkenntnisse in der Welt der Elementarteilchen ermöglichen. Trotzdem zeigt dieses Beispiel: Teilchenphysiker müssen ihre strategischen Ziele in regelmässigen Abständen dem aktuellen Forschungsstand anpassen. “Seit der letzten Roadmap sind nun rund 15 Jahre vergangen. Heute ist es an der Zeit, unseren Blick in die Zukunft zu richten und neu zu definieren, in welchen Forschungsgebieten und mit welchen Experimenten wir uns als Schweizer Teilchenphysiker einbringen wollen”, sagt Prof. Michele Weber, Mitglied des Executive Board von CHIPP (Swiss Institute of Particle Physics), der Dachorganisation, die alle in der Schweiz tätigen Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker einschliesslich der Astroteilchenphysiker versammelt.
Nach Auskunft von Michele Weber ist es keine Selbstverständlichkeit, dass die Akteure eines so vielgestaltigen Forschungsgebiets wie die Teilchenphysik in der Lage sind, an einen Tisch zu sitzen und in einem diskursiven Prozess die künftigen Arbeitsschwerpunkte zu fixieren. Genau dieser Aufgabe haben sich Anfang April gegen Hundert Wissenschaftler gestellt. Sie trafen sich im SBB-Tagungszentrum 'Centre Loewenberg' bei Murten zu einem einwöchigen Workshop. Zum Auftakt sprach Bruno H. Moor, Leiter der Abteilung Internationale Forschungs- und Innovationszusammenarbeit im Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI). Die Schweiz sei stolz, das Gastland des CERN zu sein, sagte Moor, und betonte dessen Bedeutung für die Schweizer Wissenschaftslandschaft unter Einbezug von CHIPP und der Roadmap. Er ermunterte die versammelten Naturwissenschaftler, bottom up die Prioritäten der künftigen wissenschaftichen Arbeit festzulegen. Damit schaffen sie auch die Grundlage für wichtige Finanzierungsbeiträge durch das SBFI und andere öffentliche Geldgeber.
Einblick in drei Teildisziplinen
Teilchenphysik besteht aus drei Pfeilern: Der erste versammelt die Physik, die auf Experimente mit Strahlen hoher Energie und/oder hoher Intensität baut. Die herausragende Forschungseinrichtung der Hochenergiephysik ist das CERN, während die Experimente mit Strahlen hoher Intensität und tiefer Energie in der Schweiz insbesondere am PSI eine feste Heimat haben. Der zweite Pfeiler ist die Neutrinophysik. Sie versucht dem Wesen der elektrisch neutralen und nur schwer zu detektierenden Neutrinos auf die Schliche zu kommen. Von Neutrinos weiss man erst seit relativ kurzer Zeit, dass sie eine Masse haben, was die aktuellen Theorien herausfordert und den Weg für langfristige Forschungsprogramme ebnet. Der dritte Pfeiler schliesslich ist die Astroteilchenphysik. Sie untersucht astronomische Fragestellungen, indem sie ihren Blick nicht in erster Linie auf Galaxien und Sterne, sondern auf kosmische Teilchen richtet.
Bei dem Wokshop in Murten informierten Vertreterinnen und Vertreter der drei Teildisziplinen über die laufenden Arbeiten an mehreren Dutzend Experimenten, an denen die Schweiz beteiligt ist. Zugleich skizzierten sie die für die nächsten Jahre und Jahrzehnte geplanten Experimente und Einrichtungen, an deren Vorbereitung zur Zeit konzeptionell, aber auch durch den Bau von Teilkomponenten schon intensiv gearbeitet wird. „Diese Präsentationen und die zugehörigen Diskussionen dienten der Standortbestimmung“, sagt Tatsuya Nakada, der Vorsitzende des CHIPP Executive Board. „Murten war der Startpunkt eines intensiven Diskussionsprozesses, der im September in einen zweiten Workshop münden wird und an dessen Ende dann die neue Roadmap stehen wird. Die Roadmap ist über die Schweizer Grenzen hinaus von Bedeutung. Sie ist nämlich zugleich der Input der Schweizer Teilchenphysik zur Europäischen Strategie für Teilchenphysik, die im Frühjahr 2020 vom CERN-Rat verabschiedet werden soll und für die Weiterentwicklug des CERN von existenzieller Bedeutung ist.“
Wenn der LHC ausser Betrieb geht
Ein grosser Teil der Arbeit im laufenden Strategieprozess liegt also noch vor den Teilchenphysikern. Hierzu gehört insbesondere die heikle Aufgabe, aus dem Strauss interessanter Forschungsansätze und Experimente jene auszuwählen, bei denen Schweizer Forscherinnen und Forscher ihr Knowhow optimal zum Tragen bringen können. Wie anspruchsvoll diese Entscheidungen sind, zeigt exemplarisch die Frage, auf welche Grossforschungsanlage die Hochenergiephysiker setzen wollen, wenn der LHC voraussichtlich 2035 ausser Dienst geht. Alain Blondel brach beim Workshop in Murten eine Lanze für den Future Circular Collider (). Dabei handelt es sich um einen 100 km langen, ringförmigen Tunnel, der – so die Vision – ein breites Forschungsprogramm ermöglichen könnte, indem er – zeitlich gestaffelt oder nicht – einen Elektron-Positron-Collider mit sehr hoher Luminosität und Präzision, aber relativ niedriger Energie bis zu 400 GeV beherbergt, und/oder einen 100 TeV-Proton-Proton-Collider, falls dereinst leistungsstarke 16-Tesla-Magnet zur Verfügung stehen. Im Endausbau liesse der FCC mit 100 TeV eine sieben Mal höhere Kollisionsenergie als der LHC zu.
Nach Auskunft von Blondel, auf den die Idee des FCC massgeblich zurückgeht, liesse sich der neue Beschleuniger der Topklasse in der ersten Ausbaustufe zum Beispiel für die weitere Charakterisierung des Higgs-Bosons und eine breite Palette weiterer Fragestellungen nutzen, darunter eventuell der Nachweis eines schweren, rechtsdrehenden Neutrinos. Nach dem Vollausbau wäre er dann sogar geeignet, Erkenntnisse über die Wechselwirkung von zwei Higgs-Teilchen zu gewinnen, welche eine einzigartige Eigenschaft dieser Teilchen darstellt.
Chinesische Ambitionen
Trotz solch verlockender Perspektiven ist der Bau des FCC noch keineswegs gesetzt. Die technischen Hürden der Umsetzung sind hoch, und die Finanzierung des Multi-Milliarden-Euro-Projekts steht in den Sternen. Kommt hinzu, dass das Vorhaben gemeinsam evaluiert werden muss mit den Linearbeschleunigern, die in Japan (International Linear Collider/) und vom CERN (Compact Linear Collider/) angedacht sind. Ganz zu schweigen von den Ambitionen Chinas, dem nachgesagt wird, seine Reputation als Wissenschaftsmacht mit dem Bau eines Grossbeschleunigers ähnlich dem FCC unter Beweis stellen zu wollen. In einer solchen Gemengelage aus technischen, finanziellen und politischen Argumenten den richtigen Weg zu finden, ist überaus anspruchsvoll. Die Schweizer Teilchenphysik steht vor Monaten sehr herausfordernder Diskussionen. Indem sie diesen Weg einschlägt, beweist die Gemeinschaft der Teilchen- und Astroteilchenphysiker ihre Stärke, unter dem Schirm von CHIPP einen solchen Prozess umzusetzen.
Autor: Benedikt Vogel