Bereits 2008 zappelte ein Protonenstrahl erstmals um den Large Hadron Collider (LHC), den weltweit stärksten Teilchenbeschleuniger. Jetzt, ein Jahrzehnt später, ist es Zeit, eine Bestandsaufnahme dessen zu machen, was wir dank dieser Einrichtung gelernt haben und was vor uns liegt.
Diese Bilanzierung umfasst sowohl zukünftige Forschungen, die der LHC durchführen kann, als auch mögliche neue Einrichtungen, die Partikel bei Energien kollidieren könnten, die weit über das hinausgehen, was der LHC erreichen kann. Es wurden zwei oder vielleicht drei mögliche Ersetzungen für den LHC vorgeschlagen. Schauen wir uns also an, wo wir sind und wo wir im letzten Jahrzehnt angekommen sind.
Die Geschichte des LHC ist sowohl berauschend als auch turbulent. Die Ereignisse reichen von katastrophalen Schäden an den riesigen Magneten des Instruments in den ersten Betriebstagen bis zu einem phönixartigen Aufstieg aus dieser Tragödie, gefolgt von soliden und aufregenden Entdeckungen, einschließlich der Entdeckung von das Higgs-Boson. Dieser Fund brachte Peter Higgs und Francois Englert den Nobelpreis ein, wie sie das Teilchen vor über einem halben Jahrhundert vorhergesagt hatten. Es ist ungewöhnlich, dass die Welt die Nachrichten der Teilchenphysik gespannt verfolgt, aber die Ankündigung der Entdeckung von Higgs führte zu Nachrichtensendungen auf der ganzen Welt.
Neue Physik finden
Auch die Physiker saßen am Rand ihrer Sitze und warteten auf unerwartete Entdeckungen. Seit fast einem halben Jahrhundert haben Wissenschaftler das aktuelle theoretische Verständnis des Verhaltens subatomarer Materie erarbeitet. Dieses Verständnis wird als Standardmodell der Teilchenphysik bezeichnet.
Das Modell erklärt das beobachtete Verhalten der Moleküle und Atome gewöhnlicher Materie und sogar der kleinsten bekannten Bausteine, die jemals beobachtet wurden. Diese Teilchen werden Quarks und Leptonen genannt, wobei sich Quarks in den Protonen und Neutronen befinden, aus denen der Atomkern besteht, und Elektronen das bekannteste Lepton sind. Das Standardmodell erklärt auch das Verhalten aller bekannten Kräfte mit Ausnahme der Schwerkraft. Es ist wirklich eine außergewöhnliche wissenschaftliche Leistung.
Das Standardmodell erklärt jedoch nicht alle Dinge der theoretischen Physik. Es erklärt nicht, warum die Quarks und Leptonen in drei verschiedenen, aber nahezu identischen Konfigurationen zu existieren scheinen, die als Generationen bezeichnet werden. (Warum drei? Warum nicht zwei? Oder vier? Oder eins? Oder 20?) Dieses Modell erklärt nicht, warum unser Universum vollständig aus Materie besteht, wenn das einfachste Verständnis von Albert Einsteins Relativitätstheorie besagt, dass das Universum auch enthalten sollte eine gleiche Menge Antimaterie.
Das Standardmodell erklärt nicht, warum Studien des Kosmos darauf hindeuten, dass die gewöhnliche Materie der Atome nur 5 Prozent der Materie und Energie des Universums ausmacht. Es wird angenommen, dass der Rest aus dunkler Materie und dunkler Energie besteht. Dunkle Materie ist eine Form von Materie, die nur die Schwerkraft und keine der anderen fundamentalen Kräfte erfährt, während dunkle Energie eine Form der abstoßenden Schwerkraft ist, die den Kosmos durchdringt.
Vor den ersten Operationen des LHC hofften Physiker wie ich, dass der Atomzerstörer uns helfen würde, diese rätselhaften Fragen zu beantworten. Die am häufigsten zitierte Kandidatentheorie zur Erklärung dieser Rätsel wurde als Supersymmetrie bezeichnet. Es legt nahe, dass alle bekannten subatomaren Partikel "Superpartner" -Partnerpartikel haben. Diese könnten wiederum eine Erklärung für die Dunkle Materie liefern und einige andere Fragen beantworten. Physiker haben jedoch keine Supersymmetrie beobachtet. Darüber hinaus haben LHC-Daten die einfachsten Theorien zur Supersymmetrie ausgeschlossen. Was hat der LHC also erreicht?
Der LHC hat viel getan
Abgesehen von dieser ganzen Sache mit dem Higgs-Boson hat der LHC Daten für seine vier großen experimentellen Kooperationen gespeist, was zu mehr als 2.000 wissenschaftlichen Arbeiten führte. Innerhalb des LHC wurden Partikel mit einer Energie ineinander geschlagen, die 6,5-mal höher ist als die des Fermilab Tevatron, der ein Vierteljahrhundert lang den Titel des stärksten Teilchenbeschleunigers der Welt trug, bis der LHC diese Krone eroberte.
Diese Tests des Standardmodells waren sehr wichtig. Jede dieser Messungen hätte mit Vorhersagen nicht übereinstimmen können, was zu einer Entdeckung geführt hätte. Es stellt sich jedoch heraus, dass das Standardmodell eine sehr gute Theorie ist und bei LHC-Kollisionsenergien genauso genaue Vorhersagen getroffen hat wie bei den Energieniveaus im früheren Tevatron.
Also, ist das ein Problem? In einem sehr realen Sinne lautet die Antwort nein. In der Wissenschaft geht es schließlich genauso darum, falsche neue Ideen zu testen und abzulehnen wie darum, die richtigen zu validieren.
Andererseits ist nicht zu leugnen, dass Wissenschaftler weitaus aufgeregter gewesen wären, Phänomene zu finden, die zuvor nicht vorhergesagt worden waren. Entdeckungen dieser Art treiben das menschliche Wissen voran und gipfeln in der Umschreibung von Lehrbüchern.
Die LHC-Geschichte ist noch nicht vorbei
Also, was jetzt? Hat der LHC seine Geschichte zu Ende erzählt? Kaum. In der Tat freuen sich die Forscher auf Verbesserungen der Ausrüstung, mit denen sie Fragen untersuchen können, die sie mit der aktuellen Technologie nicht beantworten können. Der LHC wurde Anfang Dezember 2018 wegen zweijähriger Renovierungs- und Modernisierungsarbeiten geschlossen. Wenn das Gaspedal im Frühjahr 2021 seinen Betrieb wieder aufnimmt, kehrt es mit einem leichten Energieanstieg zurück, verdoppelt jedoch die Anzahl der Kollisionen pro Sekunde. Unter Berücksichtigung zukünftig geplanter Upgrades haben LHC-Wissenschaftler bisher nur 3 Prozent der erwarteten Daten erfasst. Während es viele Jahre dauern wird, alle Ergebnisse zu sichten, ist derzeit geplant, etwa 30-mal mehr Daten aufzuzeichnen, als bisher erhalten wurden. Mit so viel mehr Daten hat der LHC noch viel zu erzählen.
Obwohl der LHC wahrscheinlich noch 20 Jahre in Betrieb sein wird, ist es durchaus sinnvoll, auch zu fragen: "Was kommt als nächstes?" Teilchenphysiker denken darüber nach, einen nachfolgenden Teilchenbeschleuniger zu bauen, der den LHC ersetzt. In Anlehnung an die LHC-Tradition würde eine Möglichkeit darin bestehen, Protonenstrahlen mit umwerfenden Energien zusammenzustoßen - 100 Billionen Elektronenvolt (TeV), was viel größer ist als die Spitzenleistung des LHC von 14 TeV. Um diese Energien zu erreichen, sind jedoch zwei Dinge erforderlich: Erstens müssten wir Magnete bauen, die doppelt so stark sind wie diejenigen, die Partikel um den LHC schieben. Das gilt als herausfordernd, aber erreichbar. Zweitens brauchen wir einen weiteren Tunnel, ähnlich wie der LHC, der jedoch weit über dreimal so groß ist, mit einem Ballparkumfang von 100 Kilometern, der etwa viermal so groß ist wie der des LHC.
Aber wo wird dieser große Tunnel gebaut und wie wird er wirklich aussehen? Welche Strahlen kollidieren und mit welcher Energie? Das sind gute Fragen. Wir sind im Entwurfs- und Entscheidungsprozess nicht weit genug, um Antworten zu erhalten, aber es gibt zwei sehr große und versierte Gruppen von Physikern, die über die Probleme nachdenken und jeweils einen Vorschlag für einen neuen Beschleuniger erstellt haben. Einer der Vorschläge, der größtenteils von europäischen Forschungsgruppen vorangetrieben wird, sieht den Bau eines großen zusätzlichen Beschleunigers vor, der sich höchstwahrscheinlich im CERN-Labor außerhalb von Genf befindet.
Unter einer Idee würde eine Einrichtung dort einen Elektronenstrahl und Antimaterie-Elektronen kollidieren. Aufgrund der Unterschiede zwischen beschleunigenden Protonen und Elektronen - ein Elektronenstrahl verliert mehr Energie um die kreisförmige Struktur als ein Protonenstrahl - würde dieser Strahl den 61 Meilen langen Tunnel verwenden, aber mit geringerer Energie arbeiten als Protonen. Ein anderer Vorschlag würde denselben 61 Meilen langen Beschleuniger verwenden, um Protonenstrahlen zu kollidieren. Ein bescheidenerer Vorschlag würde den aktuellen LHC-Tunnel wiederverwenden, jedoch mit stärkeren Magneten. Diese Option würde nur die Kollisionsenergie über das verdoppeln, was der LHC jetzt kann, aber es ist eine kostengünstigere Alternative. Ein anderer Vorschlag, der größtenteils von chinesischen Forschern befürwortet wird, sieht eine völlig neue Einrichtung vor, die vermutlich in China gebaut wurde. Dieser Beschleuniger würde ebenfalls ungefähr 61 Meilen entfernt sein und Elektronen- und Antimaterie-Elektronen zusammenstoßen, bevor er ungefähr 2040 auf Proton-Proton-Kollisionen umschaltet.
Diese beiden potenziellen Projekte befinden sich noch in der Diskussion. Schließlich müssen die Wissenschaftler, die diese Vorschläge machen, eine Regierung oder eine Gruppe von Regierungen finden, die bereit sind, die Rechnung zu bezahlen. Bevor dies jedoch geschehen kann, müssen die Wissenschaftler die Fähigkeiten und Technologien ermitteln, die erforderlich sind, um diese neuen Einrichtungen zu ermöglichen. Beide Gruppen haben kürzlich eine umfassende und gründliche Dokumentation ihrer Entwürfe veröffentlicht. Das reicht nicht aus, um die vorgeschlagenen Einrichtungen zu errichten, aber es reicht aus, um sowohl die geplanten Leistungen der zukünftigen Labors zu vergleichen als auch zuverlässige Kostenvorhersagen zu erstellen.
Die Untersuchung der Grenzen des Wissens ist ein schwieriges Unterfangen, und es kann viele Jahrzehnte dauern, von den ersten Träumen vom Bau einer Anlage dieser Größenordnung über den Betrieb bis zur Stilllegung der Anlage. Anlässlich des 10-jährigen Jubiläums des ersten Strahls im LHC lohnt es sich, eine Bestandsaufnahme darüber zu machen, was die Anlage erreicht hat und was die Zukunft bringen wird. Es sieht für mich so aus, als ob es spannende Daten für die nächste Generation von Wissenschaftlern geben wird. Und vielleicht, vielleicht lernen wir noch ein paar der faszinierenden Geheimnisse der Natur.
Don Lincoln ist Physikforscher bei Fermilab. Er ist der Autor von "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die Sie umhauen werden"(Johns Hopkins University Press, 2014), und er produziert eine Reihe von naturwissenschaftlichen Bildung Videos. Folge ihm auf Facebook. Die in diesem Kommentar geäußerten Meinungen sind seine.
Don Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science beigetragen Expertenstimmen: Op-Ed & Insights.
