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Eine Illustration zeigt, wie der künftige Kreisbeschleuniger den Large Hadron Collider in den Schatten stellt (Bildnachweis: CERN)

Die Planungen für den Nachfolger des leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers der Welt, den Large Hadron Collider (LHC), sind in vollem Gange.

Der neue „Atomzertrümmerer“, der Future Circular Collider (FCC), wird den LHC in Größe und Leistung in den Schatten stellen. Er wird Teilchen mit so viel Energie zusammenschmettern, dass Wissenschaftler sagen, dass er in der Lage sein könnte, die geheimnisvollsten Entitäten unseres Universums zu untersuchen: Dunkle Energie und dunkle Materie.

Die Betreiber des LHC am CERN haben der Presse am Montag (5. Februar) die Ergebnisse einer „Halbzeitüberprüfung“ ihrer FCC-Machbarkeitsstudie vorgestellt. Die Machbarkeitsstudie begann im Jahr 2021 und soll 2025 abgeschlossen werden. Die bisherigen Ergebnisse sind das Ergebnis von drei Jahren Arbeit, in denen Wissenschaftler und Ingenieure aus der ganzen Welt die Platzierung des Rings des neuen Beschleunigers, die Implementierung der FCC-Anlage, Konzepte für Detektoren und Finanzierungsaspekte festgelegt haben.

Das FCC wird unter der Zuständigkeit Frankreichs und der Schweiz stehen, genau wie der LHC, aber der zukünftige Beschleuniger wird sich über 90,7 Kilometer erstrecken und damit mehr als dreimal so lang sein wie der derzeitige Teilchenbeschleuniger des CERN, der 27 Kilometer lang ist. Der LHC ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt.

Ein kleiner Teil des fast 17 Meilen langen LHC-Teilchenbeschleunigers, der vom FCC in den Schatten gestellt werden wird. (Bildnachweis: Robert Lea)

Der FCC wird auf die gleiche Weise wie der LHC arbeiten, indem er geladene Teilchen mit Hilfe von supraleitenden Magneten um eine Schleife herum beschleunigt und sie dann zusammenstößt, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern.

Wissenschaftler können grundlegende physikalische Phänomene untersuchen, indem sie Schauer von Sekundärteilchen beobachten, die entstehen, wenn Teilchen wie Protonen zusammenstoßen. Doch während der LHC bei voller Leistung Energien von etwa 13 Terraelektronenvolt (TeV) erreichen kann, soll der FCC laut CERN Energien von bis zu 100 TeV erreichen können.

„Unser Ziel ist es, die Eigenschaften der Materie im kleinsten Maßstab und bei höchster Energie zu untersuchen“, sagte CERN-Generaldirektorin Fabiola Gianotti bei der Präsentation des Zwischenberichts am Dienstag (6. Februar) in Genf.

Warum brauchen Teilchenbeschleuniger mehr Leistung?

Die bisherige Krönung des LHC ist zweifellos die Entdeckung des Higgs-Bosons, des kraftübertragenden Teilchens eines Feldes namens Higgs-Feld, das das Universum durchdringt und die Massen der meisten anderen Teilchen bestimmt.

Der bahnbrechende Nachweis des Higgs-Bosons durch zwei LHC-Detektoren wurde am 4. Juli 2012 bekannt gegeben und gilt als Vervollständigung des Standardmodells der Teilchenphysik, das die beste Beschreibung des Universums, seiner Teilchen und ihrer Wechselwirkungen auf subatomarer Ebene darstellt.

Doch das Standardmodell bedarf noch einiger Anpassungen – und seit 2012 nutzen Wissenschaftler den LHC, um nach Physik zu suchen, die über das Modell hinausgeht, um diese Anpassungen vorzunehmen. Der Erfolg war bisher begrenzt. Diese Suche wird einen Schub erhalten, wenn die Aufrüstung des LHC mit hoher Luminosität abgeschlossen ist, was bedeutet, dass der Teilchenbeschleuniger mehr Kollisionen durchführen kann und den Wissenschaftlern mehr Möglichkeiten bietet, exotische Physik zu entdecken.

Ein Higgs-Boson zerfällt in einer Teilchenkollision, die vom ATLAS-Detektor am LHC am 18. Mai 2012 aufgezeichnet wurde. (Bildnachweis: ATLAS)

Die beiden wichtigsten Ausreißer des Standardmodells (auch bekannt als der Grund, warum einige dieser Änderungen notwendig sind) sind dunkle Materie und dunkle Energie.

Diese Phänomene, die manchmal auch als „dunkles Universum“ bezeichnet werden, geben den Wissenschaftlern so viele Rätsel auf, weil die dunkle Energie etwa 68 % der Energie und Materie des Universums ausmacht, während die dunkle Materie etwa 27 % dieser Kontinente ausmacht. Beide können jedoch nicht gesehen werden, da sie nicht mit dem Licht wechselwirken, und auch durch andere Formen des direkten Nachweises konnte sie noch niemand aufspüren. Das bedeutet, dass die Materie und Energie, die wir verstehen und nachweisen können, nicht mehr als 5 % des Inhalts des Universums ausmachen, und wir haben kaum eine Vorstellung davon, was etwa 95 % des Universums tatsächlich ausmacht.

Und um diese Aspekte des Universums zu erforschen, müssen möglicherweise Teilchen mit viel mehr Energie zusammengeschlagen werden, als der LHC mit seiner hohen Leuchtkraft in der Lage ist.

Zunächst einmal kann dunkle Materie keine „Standardmaterie“ sein, wie die Atome, aus denen die Dinge bestehen, die wir täglich um uns herum sehen, wie Sterne, Planeten und unsere Körper. Erinnern Sie sich daran, dass sie nicht mit Licht wechselwirkt? Nun, Protonen, Neutronen und Elektronen – kollektiv bekannt als „Baryonen“ – tun dies. Die dunkle Materie muss also etwas anderes sein.

Die einzige Möglichkeit, wie Wissenschaftler auf das Vorhandensein dunkler Materie schließen können, ist ihre Wechselwirkung mit der Schwerkraft und die Wirkung, die diese auf die baryonische Materie und damit auf das Licht hat.

Die dunkle Energie ist sogar noch problematischer. Sie ist die Kraft, die nach Ansicht der Wissenschaftler die Beschleunigung der Expansion des Universums antreibt.

Es handelt sich um eine Expansionsperiode, die von der anfänglichen Inflation des Universums, die durch den Urknall ausgelöst wurde, getrennt ist. Nachdem diese frühe Expansion fast zum Stillstand gekommen war, begann das Universum in einer späteren Epoche auf unerklärliche Weise wieder zu expandieren. Diese Expansionsrate beschleunigt sich bis zum heutigen Tag, wobei die dunkle Energie als Erklärung für diesen Vorgang herangezogen wird.

Wie wir bereits besprochen haben, wissen die Wissenschaftler jedoch nicht, was dunkle Energie eigentlich ist.

Um zu verstehen, warum das beunruhigend ist, stellen Sie sich vor, dass Sie ein Kind auf einer Schaukel anschieben. Der Urknall ist so etwas wie Ihr erster und einziger Schubs, der die Schaukel in Bewegung setzt. Die Schaukel dreht sich vielleicht noch eine Weile weiter, auch ohne Ihr Zutun, dann kommt sie zum Stehen. Stellen Sie sich dann vor, dass sie sich plötzlich wieder in Bewegung setzt, obwohl Sie nur dastehen. Und nicht nur das, sie schwingt auch immer schneller und erreicht immer höhere Punkte. Dies ist vergleichbar mit dem, was die dunkle Energie mit der Struktur des Raums macht.

CERN hofft, dass die Hochenergiekollisionen des FCC die Natur dieses anhaltenden, späten Universumsvorstoßes und die Teilchen, aus denen die dunkle Materie besteht, enthüllen könnten.

Es wird jedoch noch einige Zeit dauern, bis dieser zukünftige Teilchenbeschleuniger bereit ist, mit der Untersuchung des dunklen Universums zu beginnen.

Der Zeitplan und die Kosten des Future Circular Collider

Im Jahr 2028, drei Jahre nach Abschluss der FCC-Machbarkeitsstudie, werden die CERN-Mitgliedsstaaten zusammenkommen, um zu entscheiden, ob der FCC grünes Licht erhält. Sollte der künftige Collider grünes Licht erhalten, wird laut CERN Mitte der 2030er Jahre mit dem Bau begonnen.

Das FCC wird in mehreren Stufen fertiggestellt werden. Die erste Stufe ist ein Elektron-Positron-Collider (FCC-ee), der negativ geladene Elektronen, ihre positiven Antiteilchen, die Positronen, und andere leichte Teilchen zusammenstoßen wird. CERN fügt hinzu, dass FCC-ee im Jahr 2045 in Betrieb genommen werden soll.

Die zweite Maschine des FCC wird ein Protonen-Kollisionsbeschleuniger (FCC-hh) sein, der neben dem FCC-ee in demselben evakuierten Tunnel unter den französisch-schweizerischen Alpen und dem Genfer See steht. Dieser Teil würde laut CERN frühestens 2070 in Betrieb gehen.

Auf der CERN-Pressekonferenz legte Gianotti einige der Kosten des FCC dar und sagte, dass allein die erste FCC-ee-Stufe schätzungsweise 17 Mrd. USD kosten würde.

Der Generaldirektor des CERN rechtfertigte die Kosten, indem er hinzufügte, dass das FCC die einzige Maschine sei, die es der Menschheit ermöglichen würde, den großen Sprung in der Erforschung der Materie zu machen, der nötig sei, um die Geheimnisse des dunklen Universums zu entschlüsseln.