Large Hadron Collider – LHC

Der Large Hadron Collider – kurz LHC – am Forschungszentrum CERN ist der derzeit größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger. Mit ihm gewinnen Physiker einzigartige Einblicke in die Welt der kleinsten Teilchen und in die dort wirkenden Kräfte. So gelang im Jahr 2012 mit dem Nachweis des Higgs-Teilchens am LHC ein Durchbruch in der Teilchenphysik. Seitdem entwickeln Forscher den LHC stetig weiter, um die bereits bekannten Bausteine des Universums noch besser zu verstehen und um rätselhaften Phänomenen wie der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen.

Wie ist unsere Welt aufgebaut? Und was hält sie im Innersten zusammen? Diesen und weiteren fundamentalen Fragen gehen Forscher mit dem Teilchenbeschleuniger LHC auf den Grund. Dazu werden Protonen – die positiv geladenen Bausteine der Atomkerne – in dem unterirdischen, rund 27 Kilometer langem Tunnel auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. In einem der vier großen Detektoren – ALICE, ATLAS, CMS und LHCb – stoßen die Protonen dann zusammen. Die Energien, die bei solchen Kollisionen frei werden, sind so hoch, dass die Protonen nicht nur zerstört werden. Sondern es entstehen aufgrund der dabei wirkenden Kräfte auch neue Teilchen, deren Spuren sich in den Detektoren nachverfolgen lassen.

CMS-Detektor

Seit etwa fünfzig Jahren existiert eine theoretische Beschreibung aller Bausteine der uns bekannten Materie und der Kräfte, die zwischen ihnen wirken – das Standardmodell der Teilchenphysik. Um diese Theorie zu überprüfen, versuchen Physiker seit Jahrzehnten, die einzelnen Elementarteilchen an Teilchenbeschleunigern nachzuweisen. Auf dieser Suche gelang im Jahr 2012 eine Sensation am LHC: Sowohl im ATLAS- als auch im CMS-Experiment wiesen Physiker erstmals das Higgs-Boson nach. Dieses Elementarteilchen verleiht über den sogenannten Higgs-Mechanismus allen anderen Elementarteilchen ihre Masse. Doch der Nachweis des Higgs-Boson ist nicht genug – nun gilt es, die Eigenschaften des Teilchens ganz genau zu untersuchen. Außerdem sind Physiker weiteren unbekannten Teilchen, etwa Kandidaten für die bislang rätselhafte Dunkle Materie, auf der Spur. Am LHC wollen sie Dunkle Materie unter Laborbedingungen produzieren und studieren.

Dafür werden sowohl der Beschleuniger selbst als auch seine Detektoren ständig weiterentwickelt und in mehrjährigen Umbau- und Wartungsphasen auf den neuesten Stand gebracht. Auch während der letzten Betriebspause zwischen den Jahren 2018 und 2021 fanden daher am LHC keine Kollisionen statt. Doch seit dem Frühjahr 2022 ist der Teilchenbeschleuniger wieder in Betrieb und liefert in seiner dritten Betriebsphase – dem sogenannten Run 3 – mit höherer Leistung und besseren Detektoren nun wieder enorme Datenmengen. Ab dem Jahr 2029 soll der LHC zum „High-Luminosity LHC“ ausgebaut werden – einem Teilchenbeschleuniger mit noch höheren Kollisionsraten. Damit sollen zukünftig etwa 15 Millionen Higgs-Bosonen im Jahr erzeugt und analysiert werden. Und auch andere extrem seltene Prozesse lassen sich dann, so hoffen die Wissenschaftler, in den Kollisionsdaten entdecken.