Leistungsstärkster Beschleuniger der Welt ist der Protonenbeschleuniger LHC in Genf. Als „Entdeckungsmaschine“ wird der LHC erste Einsichten in das Neuland hoher Energien liefern. Die großen Rätsel des Universums werden sich jedoch nur in Verbindung mit einer weiteren „Präzisionsmaschine“ lösen lassen – einem Linearbeschleuniger, in dem Elektronen und Positronen bei höchsten Energien zusammenstoßen. DESY beteiligt sich maßgeblich an der Entwicklung eines solchen Beschleunigers, dem International Linear Collider ILC, der die Entdeckungen des LHC vervollständigen wird.

Präzisionswerkzeug bei höchsten Energien

Die Teilchenphysiker weltweit sind sich einig, dass die Entdeckungen des derzeit leistungsstärksten Beschleunigers der Welt, des Large Hadron Collider LHC beim Forschungszentrum CERN in Genf, nur durch einen Elektron-Positron-Beschleuniger vervollständigt werden können. Mit seinen einzigartigen Präzisionsmessungen würde ein solcher Beschleuniger es ermöglichen, die Geheimnisse der Teraskala – jenem Energiebereich von Billionen Elektronenvolt (Teraelektronenvolt), in dem die Physiker entscheidende neue Entdeckungen erwarten – in all ihren Facetten auszuleuchten. Ein solches Zukunftsprojekt ist der International Linear Collider ILC, an dessen Entwicklung auch DESY mitwirkt: ein etwa 35 Kilometer langer Linearbeschleuniger, in dem Elektronen und Positronen mit Energien von 500 bis etwa 1000 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt, GeV) kollidieren.

Der ILC besteht aus zwei sich gegenüber liegenden Linearbeschleunigern, in denen die Elektronen und ihre Antiteilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander zurasen. Supraleitende Resonatoren bringen die Teilchen auf immer höhere Energien, bis sie in der Mitte der Rennstrecke mit großer Wucht aufeinander prallen. Die Teilchenstrahlen kollidieren 14 000 Mal pro Sekunde mit Elektronen-Rekordenergien von 500 GeV. Jede dieser Kollisionen produziert zahlreiche neue Teilchen, die von zwei großen Detektoren registriert werden. Die derzeitige Planungsgrundlage sieht eine Erweiterung des ILC auf 50 Kilometer Länge und eine Energie von 1000 GeV in der zweiten Phase des Projekts vor.

Im Gegensatz zu Protonenbeschleunigern wie dem LHC in Genf, in dem zusammengesetzte Teilchen miteinander kollidieren, prallen im ILC punktförmige Elektronen auf ihre Antiteilchen, die ebenfalls punktförmigen Positronen. Sie vernichten sich gegenseitig und verwandeln sich in Energie, aus der neue Teilchen entstehen. Zwar sind die dabei erreichbaren Energien geringer als bei Protonenkollisionen, doch da die Anfangsbedingungen bei der Teilchenerzeugung im ILC genau bekannt sind und keine „Reste“ der Stoßpartner verbleiben, ist das Ergebnis viel einfacher auszuwerten als beim LHC. Der ILC ist damit eine echte Präzisionsmaschine und ergänzt den Protonenbeschleuniger LHC, der eher darauf spezialisiert ist, neue Teilchen überhaupt erst aufzuspüren, auf ideale Weise.

Rätselhaftes Universum

In jüngster Vergangenheit haben Experimente und Beobachtungen eine überraschende Erkenntnis zutage gebracht: Wir können nur vier Prozent des Universums erklären. Die Wissenschaftler nehmen an, dass die verbleibenden 96 Prozent aus unbekannter dunkler Materie und dunkler Energie bestehen und das Universum somit viel rätselhafter und vielfältiger ist als ursprünglich vermutet.

Dank seiner hohen Energien und seiner unerreichten Präzision wird der ILC einen völlig neuen Zugang zu den Geheimnissen des Kosmos ermöglichen, der mit heutigen Anlagen unerreichbar ist. Gemeinsam könnten LHC und ILC einige der größten Rätsel des Universums lösen. Mit den Entdeckungen des LHC als Wegbereiter würde der ILC die fehlenden Teile des Puzzles liefern – und Antwort geben auf die zentralen Fragen unseres Jahrhunderts zur Natur von Materie, Energie, Raum und Zeit sowie zur dunklen Materie, dunklen Energie und Existenz von Extradimensionen.

DESY in Spitzenposition

Der ILC soll als globales Projekt gebaut und betrieben werden. Weltweit gab es mehrere Vorschläge für eine solche Anlage, die sich durch die Wahl der Beschleunigertechnologie unterschieden. Nach intensiver Begutachtung entschied das Komitee, das die Teilchenphysik weltweit vertritt: Für den künftigen Linearbeschleuniger wird die supraleitende TESLA-Technologie eingesetzt, die DESY und seine internationalen Partner gemeinsam entwickelt haben.

Diese Technologie kommt auch bei dem Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY und dem Röntgenlaser European XFEL zum Einsatz, der derzeit in Hamburg und Schleswig-Holstein gebaut wird – ein Beispiel für erfolgreiche Synergien bei der Mehrfachnutzung einer komplett neuen Technologie. Die Voraussetzungen bei DESY sind also ausgezeichnet, um bei der Weiterentwicklung der supraleitenden Beschleunigertechnologie weiterhin an vorderster Front mitzuwirken.

Darüber hinaus beteiligen sich die DESY-Forscher auch an der Entwicklung weiterer wichtiger Elemente des ILC-Beschleunigers, zumeist im Rahmen internationaler Projekte wie der TESLA Technology Collaboration oder von EU-Projekten. Auch an der Konzeption und Entwicklung der Hochpräzisionsdetektoren, die die Teilchenkollisionen im ILC aufzeichnen sollen, wirken die DESY-Forscher maßgeblich mit.