Er ist der leistungsstärkste Beschleuniger der Welt und das derzeit aufregendste Unterfangen der Teilchenphysik: der Large Hadron Collider LHC, ein gigantischer, unterirdischer Ringbeschleuniger mit 27 Kilometern Umfang beim Forschungszentrum CERN in Genf. Der LHC feuert Protonen mit Rekordenergien aufeinander und kann so völlig neue Materiebausteine erzeugen – wie im Jahr 2012 das langgesuchte Higgs-Teilchen. DESY ist an den LHC-Experimenten beteiligt.

Die gängige Teilchentheorie – das Standardmodell der Teilchenphysik – beschreibt die Vorgänge im Mikrokosmos ausgezeichnet. Dennoch hat das Modell zahlreiche Lücken; es wirft Fragen auf, die eine umfassende Theorie der Bausteine und Kräfte im Universum eigentlich beantworten sollte. Wie kommen die Elementarteilchen zu ihrer Masse? Woraus bestehen die unbekannte dunkle Materie und dunkle Energie, die 96 Prozent des Universums ausmachen? Warum gibt es im Kosmos mehr Materie als Antimaterie? Wie sah das Universum in der ersten Sekunde nach dem Urknall aus? Gibt es mehr als drei Raumdimensionen?

Um diese Rätsel zu lösen und den Weg zu einer „Weltformel“ zu ebnen, brauchen die Physiker experimentelle Ergebnisse bei wesentlich höheren Energien, als sie bisherige Teilchenbeschleuniger liefern konnten. Dank der Rekordenergien des LHC hoffen sie, eine ganze Reihe dieser Fragen endlich beantworten zu können. Denn mit den hochenergetischen Teilchenzusammenstößen stellen die Forscher im LHC die Bedingungen nach, die im Universum winzige Sekundenbruchteile nach dem Urknall herrschten. Damit wirkt der LHC wie eine Zeitmaschine, die es den Physikern ermöglicht, Milliarden von Jahren bis an den Anfang unseres Universums zurückzublicken.

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens

Zwei Jahre nach Beginn der Datennahme verzeichneten die LHC-Experimente bereits einen spektakulären Erfolg: 2012 verkündeten sie die Entdeckung des Higgs-Teilchens, nach dem die Physiker fast 50 Jahre lang gesucht hatten. In den 1960er Jahren stellten der schottische Physiker Peter Higgs und andere eine Theorie auf, die erklärt, wie Elementarteilchen zu ihrer Masse kommen. Demzufolge durchzieht ein spezielles Feld den Kosmos, das ähnlich wirkt wie Honig auf einen Löffel: Das Feld bietet den Teilchen einen gehörigen Widerstand und macht sie dadurch „schwer“. Mit der weltweit aufsehenerregenden Entdeckung des dazugehörigen Higgs-Teilchens bestätigten die LHC-Physiker, dass dieser Higgs-Mechanismus tatsächlich stimmt. Im Herbst 2013 erhielten der belgische Physiker François Englert und Peter Higgs für ihre Vorhersage den Nobelpreis für Physik.

Die LHC-Forscher arbeiten nun daran, die Eigenschaften des neuen Teilchens genauer zu bestimmen. Sie wollen klären, ob es sich exakt um das im Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagte Higgs-Teilchen handelt oder ob es womöglich andere Eigenschaften besitzt, die Hinweise auf „neue Physik“ jenseits des Standardmodells geben könnten.

Von SUSY-Teilchen zu Extradimensionen

Die größte Wissenschaftsmaschine der Welt könnte noch ganz andere, bislang spekulative Phänomene aufspüren. Faszinierend wäre etwa die Entdeckung von supersymmetrischen Teilchen, auch SUSY-Teilchen genannt. Diese könnten im Universum eine tragende Rolle spielen: Kraft ihrer Gravitation könnten sie die Galaxien zusammenhalten wie unsichtbarer Klebstoff – und damit erklären, woraus die dunkle Materie im Universum besteht. Und womöglich entdeckt der LHC, dass unsere Welt nicht nur vierdimensional ist – drei Raumrichtungen und die Zeit. Stattdessen könnte der Kosmos deutlich mehr Dimensionen besitzen. Diese allerdings wären derart versteckt, dass es schon einen Superbeschleuniger wie den LHC braucht, um überhaupt Indizien für ihre Existenz aufzuspüren.

Zahlen und Fakten

Proton-Proton-Speicherring bei CERN in Genf
Kann alternativ mit schweren Ionen betrieben werden
Umfang: 27 km
Lage: 100 Meter unter der Erde im Grenzgebiet zwischen Frankreich und Schweiz
Forschungsbetrieb: seit 2009
Maximale Energie je Protonenstrahl: 7 Tera-Elektronenvolt (TeV)
Experimente: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf, TOTEM