Am 4. Juli war der Jubel groß. In allen Medien war das Thema präsent.
Das lang ersehnte Higgs-Teilchen sei endlich gefunden worden, oder zumindest ein neues Teilchen. Forscher am europäischen Kernforschungszentrums CERN verkündeten die vermeintliche Sensation.

Zuvor waren in sämtlichen Blogs im Internet bereits Gerüchte kursiert, dass an dem besagten Tag die Entdeckung des Higgs-Teilchens verkündet werden würde.

Das Higgs-Teilchen oder Higgs-Boson wurde erstmals 1964 postuliert, wobei das zugehörige Higgs-Feld als maßgeblich dafür angesehen wird, dass alle Teilchen ihre Masse erhalten. Letztlich steht und fällt das Standardmodell der Teilchenphysik mit der Existenz oder Nichtexistenz des Higgs-Bosons.
Daher war es auch von Anfang an eins der primären Ziele der Wissenschaftler am weltgrößten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, einen experimentellen Nachweis für die Existenz des Higgs-Bosons zu finden.

Bei einem Seminar, das am 4. Juli am CERN abgehalten wurde, dem Tag, an dem auch in Melbourne in Australien die diesjährige Internationale Konferenz über Hochenergiephysik ICHEP2012 begann, präsentierten Forscher des ATLAS und des CMS Experiments auf einer Pressekonferenz ihre neuesten Ergebnisse in der Suche nach dem lang ersehnten Higgs-Teilchen.

So erklärte die Sprecherin der ATLAS Kollaboration Fabiola Gianotti.:
“Wir beobachten in unseren Daten deutliche Signale eines neuen Teilchens
im Signifikanzbereich von 5 Sigma in der Masseregion um 126 Gigaelektronenvolt (GeV). …. Aber es ist noch etwas mehr Zeit vonnöten, um die Ergebnisse zur Veröffentlichung vorzubereiten.”

Joe Incandela, der Sprecher des CMS Experiments, äußerte sich ähnlich.:
“Die Ergebnisse sind vorläufig, aber das Signal, das wir bei 5 Sigma um 125 GeV herum beobachten, ist überwältigend. Dabei handelt es sich tatsächlich um ein neues Teilchen.
Wir wissen, dass es ein Boson ist, und es ist das schwerste jemals gefundene Boson.”

Doch was bedeutet es, wenn die Forscher von einem deutlichen Signal bei 5 Sigma sprechen?

In der Wissenschaft ist es üblich, einen Effekt als nachgewiesen zu betrachten, wenn ein bestimmtes Sigma-Niveau (oder “Signifikanz-Niveau”) erreicht ist.

Es geht dabei um die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Besonderheit, die in den Daten auftritt oder die man in seinen Daten zu sehen glaubt, eben nicht auf einen neuen Effekt oder auf das Vorhandensein eines neues Teilchens zurückzuführen ist, sondern lediglich auf statistische Fluktuationen.
Im Fall von 5 Sigma liegt diese Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei dem beobachteten Ergebnis nur um eine statische Fluktuation des Untergrunds handelt, bei nur 0.00006%.

Die ATLAS-Kollaboration formuliert es folgendermaßen.: Eine Signifikanz des Signals bei 5 Sigma bedeutet,
“dass nur ein Experiment in 3 Millionen ein offensichtliches Signal dieser Stärke in einem Universum ohne Higgs sehen würde.”

Auch wenn die Forscher zwar den Nachweis eines Teilchens verkündet haben, so
hielten sie sich dennoch mit der Äußerung noch zurück, dass es sich tatsächlich bei dem neuen Teilchen um das Higgs handelt.
Nach dem Debakel mit den überlichtschnellen Neutrinos, welches sogar zum Rücktritt des Leiters der OPERA-Kollaboration geführt hatte, ist man offenbar etwas vorsichtiger geworden.
So heißt es einhellig, es seien noch weitere Daten und weitergehende Untersuchungen vonnöten, um die Eigenschaften des neuen Teilchens zu bestimmen.
Die Ergebnisse basieren auf Daten, die 2011 und 2012 aufgenommen wurden, wobei die Daten von 2012 noch analysiert werden.

Bis dahin lässt sich die zentrale Botschaft des CERN am 4. Juli nur so beschreiben, dass ETWAS entdeckt wurde. Ob es sich dabei tatsächlich um das lang ersehnte Higgs-Teilchen handelt, steht noch in den Sternen.

Im September letzten Jahres waren heiße Diskussionen entbrannt, als von Physikern verlautbart wurde, dass im Rahmen des OPERA-Experiments im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso Neutrinos gemessen worden seien, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegten.
Dies hatte für großen Aufruhr gesorgt.
Im März diesen Jahres folgte dann die Ernüchterung. Mitglieder der OPERA-Kollaboration selbst präsentierten plötzlich zwei mögliche Messfehlerquellen, die zu einer Überschätzung der Fluggeschwindigkeit der Neutrinos geführt haben könnten, gaben aber gleichsam zu bedenken, dass noch weitere Messungen durchgeführt werden müssten, um endgültige Aussagen machen zu können.
Am 8. Juni wurden schließlich die Ergebnisse dieser Messungen bei der 25. Internationalen Konferenz über Neutrinophysik und Astrophysik in Kyoto von CERNS Forschungsdirektor Sergio Bertolucci präsentiert.
Das Ergebnis war eindeutig.: Auch Neutrinos bewegen sich nicht schneller Licht.

Die Nachricht der Entdeckung überlichtschneller Neutrinos hatte sich letztes Jahr wie ein Lauffeuer in den Medien verbreitet. Dies ist kaum verwunderlich, denn hätte sich diese Entdeckung tatsächlich bewahrheitet, würde dies nicht nur im krassen Widerspruch zur Speziellen Relativitätstheorie stehen, sondern hätte womöglich zu ganz neuer Physik führen können.

Was war passiert?
Teilchenphysiker vom OPERA-Experiment (Oscillation Project with Emulsion tracking Apparatus) im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso hatten im September letzten Jahres die Ergebnisse von Messungen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht, die darauf hindeuteten, dass sich Neutrinos mit Überlichtgeschwindigkeit bewegten.

Das OPERA-Experiment besteht aus einem unterirdischen Detektor im Grand Sasso-Gebirgsmassiv in der Nähe von Rom.
Mit seiner Hilfe werden Neutrinos gemessen, die 730 km weit entfernt am europäischen
Kernforschungszentrum CERN in Genf in der Schweiz erzeugt werden.
Die Ergebnisse der Wissenschaftler beruhten auf der Beobachtung von über 15.000 Neutrinoereignissen seit 2009 und zeigten, dass die Neutrinos den Weg rund 60 Nanosekunden schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zurücklegten und damit das natürliche kosmische Geschwindigkeitslimit überstiegen, eine vermeintliche Sensation.

Damals hatten die Forscher die Ergebnisse veröffentlicht, nachdem sie laut eigener Angaben nach monatelangen Analysen und Gegenproben keinen instrumentellen Effekt gefunden hatten, der das Resultat erklären konnte. Die Veröffentlichung der Ergebnisse sollte andere Arbeitsgruppen dazu anhalten, weitere unabhängige Messungen durchzuführen, um die Ergebnisse zu überprüfen und um auch die Suche nach möglichen Fehlerquellen zu motivieren.

Die Erklärungen und Spekulationen, wie es dazu kommen konnte, waren zahlreich –zahlreiche Veröffentlichungen folgten – und reichten bis zur Forderung neuer Physik!

Die Erhöhung der Kollisionsenergie führt zu einer Maximierung des Entdeckungspotenzials des LHC, wie es Sergio Bertolucci, CERNs Forschungsdirektor, formuliert. Die Wahrscheinlichkeit, gewisse hypothetische Teilchen nachzuweisen, soll so erhöht werden, die bei den höheren Energien in größerer Vielzahl entstehen könnten.
Sowohl die sog. supersymmetrischen Teilchen (zu jedem Teilchen des Standardmodells existiert laut der Theorie der Supersymmetrie ein supersymmetrisches Partner-Teilchen) könnte dies betreffen, aber auch das lang gesuchte Higgs-Teilchen, über dessen Existenz oder Nichtexistenz man noch in diesem Jahr genaue Aussagen machen will.

Der LHC soll noch bis Ende dieses Jahres laufen, bis er dann schließlich für längere Zeit abgeschaltet wird, um ihn Ende 2014 mit noch höherer Energie pro Teilchenstrahl von 6.5 TeV betreiben zu können und auf seine Maximalmarke von 7 TeV pro Teilchenstrahl hochzufahren.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Seit Sommer letzten Jahres heißt es immer wieder, der Nachweis des Higgs-Teilchens stehe kurz bevor.
Bei der Teilchenphysik-Konferenz, der „Europhysics Conference on High Energy Physics“, Ende Juli 2011 in Grenoble, Frankreich, z. B. wurde dies vollmundig verkündet.
Die Detektoren des LHC am CERN in der Schweiz, des weltgrößten und leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers, und auch des Tevatrons am Fermilab in den USA, des zweitgrößten Teilchenbeschleunigers, der bis Ende September letzten Jahres noch in Betrieb war, hatten ähnliche Hinweise auf das Higgs-Teilchen entdeckt.
Auf einer Konferenz Ende August 2011, dem Lepton Photon Meeting in Mumbai, Indien, wurden dagegen ganz andere Töne laut. Von dort verlautete es, dass das Higgs-Boson vielleicht überhaupt nicht existiert.

Spuren des Higgs

Möchte man dem renommierten britischen Physiker Stephen Hawking Glauben schenken, wird das Higgs-Teilchen tatsächlich niemals gefunden werden. Stephen Hawking hatte vor ein paar Jahren gewettet, dass weder der LHC noch irgendein anderer Teilchenbeschleuniger jemals das Higgs-Teilchen finden werden.
Als er diese für viele Physiker provokante Äußerung kundtat, wurde er belächelt. Hat der renommierte Physiker vielleicht recht?

Die Suche nach dem Higgs geht weiter, aber wahrscheinlich nicht mehr allzu lange!
Wenn sich herausstellen sollte, dass das Higgs-Teilchen nicht existiert, würde dies zu weitreichenden Konsequenzen führen.
Das Standardmodell der Elementarteilchen ist zwar eine sehr erfolgreiche Theorie, würde dann aber nicht als Prototyp für eine umfassendere und vollständigere Theorie der Materie Verwendung finden können.

Eine Nichtexistenz des Higgs-Teilchens würde das Standardmodell als hinreichende Theorie für viele Phänomene ausschließen, z. B. kann ein Standardmodell ohne Higgs nur Gültigkeit für masselose Teilchen haben. Somit wäre etwa die Existenz eines das gesamte Sein durchdringenden Higgs-Feldes ausgeschlossen, was auch weitreichende Konsequenzen für die Kosmologie hätte.

Im Dezember letzten Jahres waren die Ergebnisse der Kollaborationen des ATLAS und des CMS-Detektors, zwei der Detektoren, die Bestandteil des LHC sind und in denen die Elementarteilchen zur Kollision gebracht werden, bei einem Seminar präsentiert worden.
Nun wurden die Ergebnisse zur Veröffentlichung im Journal „Physics Letters B“ eingereicht. Laut dieser soll das Higgs-Boson, sollte es existieren, eine Masse im Bereich von 116 bis 131 GeV gemäß ATLAS-Experiment und 115 bis 127 GeV gemäß CMS-Experiment aufweisen.
Beide Experimente hatten bereits Hinweise auf das Higgs-Teilchen im Massenbereich von 124 bis 126 GeV gefunden, aber diese seien nach Aussage der beteiligten Wissenschaftler noch nicht aussagekräftig genug, um die Entdeckung wirklich dingfest zu machen.

Higgs-Bosonen sind, sollten sie existieren, sehr kurzlebig und können in vielen verschiedenen Weisen wieder zerfallen. Die Entdeckung würde darauf beruhen, dass man die Teilchen beobachtet, in die das Higgs-Teilchen zerfällt, eher als das Higgs-Teilchen selbst.

Auch CERNs Forschungsdirektor Sergio Bertolucci äußerte sich erwartungsvoll für die nahe Zukunft.:
„Unsere Analyse des Standardmodell-Higgs mit Daten, die bisher aufgenommen wurden, lässt uns für das Jahr 2012 in einer sehr spannungsvollen Position zurück. Mit den Daten, die wir dieses Jahr noch aufnehmen werden, werden wir definitiv in der Lage sein, ein Standardmodell-Higgs zu bestätigen oder auszuschließen.“

Dieses Jahr wird es sicherlich spannend werden, so oder so!

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Seit gestern, nur wenige Tage, nachdem die Protonenkollisionen im LHC beendet wurden, kreisen nun Bleiionen (Bleiatome, die ihrer Elektronen beraubt wurden) im Beschleuniger.
Der LHC ist in eine neue Phase eingetreten.
Mit der Umstellung auf Blei wird beabsichtigt, Materie in einem Zustand zu erforschen, wie er in den Anfängen unseres Universums kurz nach dem Urknall vorlag. Ein sog. Quark-Gluon-Plasma soll erzeugt werden, um so einen tieferen Einblick in die starke Wechselwirkung, eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen der Natur, zu erhalten, die die Quarks in Protonen und Neutronen zusammenhält.

Mit Aufnahme der Bleiionenkollisionen am 7. November wurde nun ein nächster Rekord im LHC aufgestellt, ein Temperatur- und Dichterekord.
Die Forscher erzeugten subatomare, zehn Milliarden Grad heiße “Mikro-Feuerbälle”.
Laut David Evans von der Universität Birmingham, der am ALICE-Detektor des LHC arbeitet, habe man hiermit die “höchsten Temperaturen und größten Dichten, die jemals in einem Experiment erreicht worden sind” erzeugt.
Durch den “Mini-Urknall” erhoffen sich die Wissenschaftler Einblicke in die ersten Mikrosekunden nach dem Urknall.
Bei den erreichten Temperaturen schmelzen sogar Protonen und Neutronen, die Bausteine, aus denen Atome zusammengesetzt sind und die wiederum aus Quarks bestehen. Folge ist ein heißes Plasma aus Quarks und Gluonen, ähnlich wie es im Universum kurz nach dem Urknall vorhanden war.

Voraussichtlich bis zum 6. Dezember werden noch Bleikollisionen stattfinden.
Nach einer Wartungspause des LHC sollen dann ab Februar 2011 wieder Protonenexperimente stattfinden.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Kollisionen im CMS-Detektor

Ein großer Tag für die Teilchenphysik. Hiermit beginnt nun das eigentliche Forschungsprogramm am LHC, der seit mehr als 15 Jahren der Traum vieler Physiker ist und bisher weit mehr als 4 Milliarden Euro verschlungen hat.

Die Forscher hatten am Dienstag drei Anläufe gebraucht, bis kurz nach 13 Uhr die lang ersehnte Kollision bei 7 TeV in allen vier Detektoren zustande kam.
Über die folgenden Stunden konnten die beiden Teilchenstrahlen stabil auf ihrer Bahn im 27 km langen Beschleunigerring gehalten werden und immer wieder kollidieren.
Über Live Webcast und auf Twitter konnte man die Ereignisse verfolgen.
Um 6:30 Uhr hieß es auf Twitter:

“Die Experimente haben nun eine halbe Million Ereignisse geliefert! Mehr als drei
Stunden stabile und kollidierende Teilchenstrahlen. WOW!”

Um 6:54 Uhr wurden die Energien schließlich wieder heruntergefahren, und man verabschiedete sich für den Tag.

Kollision im ATLAS-Detektor

Videos zu den Ereignissen am Dienstag, die mit großer Begeisterung und Jubel aufgenommen wurden, und zur Pressekonferenz sind auf der CERN-Webseite zu finden.

Nun sind Tür und Tor geöffnet für neue Physik: die Entdeckung des Higgs-Teilchens etwa, welches allen Teilchen des Standard-Modells seine Masse verleiht und welches schon so lange von Physikern auf der ganzen Welt gesucht wird, oder anderer neuer Teilchen wie den supersymmetrischen Teilchen oder weiterer Raumdimensionen über die uns bekannten drei hinaus. Auch die Bedingungen kurz nach dem Urknall könnten uns bald in ganz neuem Licht erscheinen, ebenso die geheimnisvolle Dunkle Materie, die den Großteil der Materie im Universum ausmacht, deren Ursprung wir aber nicht kennen, ganz zu schweigen von der Suche nach einer großen vereinheitlichten Theorie der Physik.

Doch bevor uns oder vielmehr den Wissenschaftlern die Ergebnisse klar vor Augen liegen, wird noch einige Zeit vergehen, denn zunächst müssen in den nächsten 18-24 Monaten bei der Kollisionsenergie von 7 TeV riesige Mengen Daten aufgenommen werden, und diese zu analysieren und auszuwerten, wird einige Zeit in Anspruch nehmen.

Nach einer Pause im Jahr 2012 wird der LHC dann erst 2013 auf seine höchstmögliche Kollisionsenergie von 14 TeV hochgefahren.
Einige fundamentale Ergebnisse werden so wohl noch eine Weile auf sich warten lassen müssen.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Mit 3.5 TeV pro Teilchenstrahl übertreffen die im LHC erreichten Energien den bisherigen Rekordhalter, den Tevatron am Fermilab in den USA (0.98 TeV pro Strahl), bereits um mehr als das Dreifache. Auch ihren eigenen Weltrekord von 1.18 TeV pro Strahl, den die LHC-Forscher letzten Herbst erreicht hatten, topten sie somit um fast das Dreifache.

Der LHC-Speicherring [Quelle: CERN]

Das nächste Ereignis, die beiden gegenläufigen Teilchenstrahlen mit jeweils 3.5 TeV pro Strahl zur Kollision zu bringen, wird bereits mit Spannung erwartet. Dies wird voraussichtlich am 30. März stattfinden.
Damit würde dann eine Kollisionsenergie von insgesamt 7 TeV erreicht, die Hälfte der maximal im LHC möglichen Energien.
Die Forscher hoffen, bei dieser Kollisionsenergie bereits neue Physik erschließen zu können, vielleicht neue Teilchen zu entdecken.

Laut CERN wird der LHC in der Folgezeit für 18 bis 24 Monate mit einer kurzen Unterbrechung im Winter 2010 bei dieser Energie weiter betrieben.
2012 pausiert der LHC dann für etwa ein Jahr, in der Vorbereitungen getroffen werden, um 2013 die höchstmöglichen Kollisionsenergien von 14 TeV zu erreichen.

Die Entdeckung des mysteriösen bisher nur theoretisch vorhergesagten Teilchens, des Higgs-Teilchens, das auf wundersame Weise allen Teilchen im Universum seine Masse verleiht, rückt in immer greifbarere Nähe. Dieses Teilchen zu finden, ist eins der Hauptziele der Forscher am LHC.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Die Welt ist wieder einmal nicht in einem nimmersatten Schwarzen Loch verschwunden und unwiederbringlich verloren, so wie einige Stimmen unser Schicksal prophezeiten, wenn in dem 27 km langen Beschleuniger Protonen bei hohen Energien aufeinandergeschossen werden.

Wie auf Twitter berichtet wird, kreiste um 4:10 Uhr mitteleuropäischer Zeit am Sonntagmorgen nach zwei Monaten Wartungspause der erste Protonenstrahl dieses Jahres in beiden Richtungen im Beschleunigerring.

Der LHC-Speicherring [Quelle: CERN]

Nachdem der LHC am 20. November letzten Jahres seinen langersehnten Betrieb nach über einjähriger Reparaturzeit nach einem Zwischenfall 2008 wieder aufgenommen hatte, konnte er bereits 10 Tage später Energien erreichen, die den bisher leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, den Tevatron am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in den USA, übertrumpften.
Den Forschern war es gelungen, die beiden gegenläufigen Teilchenstrahlen im LHC auf jeweils 1.18 TeV zu beschleunigen, eine Energie, die die erreichbaren Strahlenergien im Tevatron um 0.2 TeV übertrifft.
Nun wird voraussichtlich ab Ende dieses Monats die Energie pro Teilchenstrahl auf 3.5 TeV, entsprechend einer Kollisionsenergie der beiden gegenläufigen Teilchenstrahlen LHC von 7 TeV, hochgefahren.

Im Science Magazin vom 12. Februar wird die weitere Marschroute der Wissenschaftler erläutert.
Demnach wird der LHC dieses Jahr nur bei Kollisionsenergien von 7 TeV laufen, also der Hälfte seiner maximal möglichen Energie von 14 TeV, obwohl die Wissenschaftler ursprünglich vor hatten, den Beschleuniger dieses Jahr bereits auf etwa 70 % seiner maximalen Kollisionsenergie zu bringen. Auch im darauffolgenden Jahr 2011 wollen die Forscher lediglich bei dieser vorübergehenden Maximalenergie bleiben.
2012 soll der LHC sogar ganz pausieren, damit erneut alle elektrischen Verbindungen zwischen den supraleitenden Magneten, die die Teilchen auf ihrer Kreisbahn halten, auf ihre Funktionsfähigkeit untersucht und ersetzt werden können.
Die Wissenschaftler wollen sichergehen, dass der LHC wirklich „fit“ genug ist, um die höchstmöglichen Energien von 14 TeV auszuhalten, damit bei den hohen Kollisionsenergien keinerlei Zwischenfälle auftreten, wie es etwa 2008 geschah, als der Beschleuniger erstmalig seinen Betrieb aufgenommen hatte. Damals kam bereits neun Tage später das Aus. Eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen zwei supraleitenden Magneten hatte zu großen Beschädigungen und dem Auslaufen von Helium in den Beschleunigertunnel geführt. Der LHC war über ein Jahr lang lahmgelegt.

Nach der Pause 2012 soll der LHC dann endlich 2013 auf seine höchstmögliche Kollisionsenergie von 14 TeV hochgefahren werden.

So wird die Entdeckung des sog. „Gottesteilchens“, des Higgs-Bosons, von dem angenommen wird, dass es den Teilchen des Standardmodells seine Masse verleiht, wohl noch eine Weile auf sich warten lassen müssen, wenn nicht doch Forscher am Fermilab den CERN-Wissenschaftlern zuvorkommen sollten.

Zunächst wollen die Forscher am LHC bis Ende 2011 bei verminderter Energie möglichst große Datenmengen aufnehmen, so dass die Chance besteht, andere neue Teilchen zu finden, wie sie etwa von der Theorie der sog. Supersymmetrie vorhergesagt werden, nach der zu jedem Teilchen ein Gegenpart, ein supersymmetrisches Teilchen, existieren soll.
Oder vielleicht könnten weitere Raumdimensionen, sog. Extradimensionen, die über die drei Raumdimensionen, die wir kennen, hinausgehen, entdeckt werden. Die Stringtheorie bzw. die Stringtheorien sagen z. B. 6 oder 7 zusätzliche Raumdimensionen vorher. Die Entdeckung solcher Raumdimensionen könnte wiederum zur Erzeugung von Schwarzen Löchern in Miniaturform führen.

Es bleibt auf jeden Fall spannend!

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Klepsydra

Das Wasser wurde so daran gehindert auszulaufen. Aber welche Rolle spielte dabei die Luft? Empedokles Schlussfolgerung war zunächst: Es existiert etwas, was wir als Luft bezeichnen würden. Die nächste Folgerung war die: Wenn Luft existiert, so müsste dieses „Element“ aus etwas Kleinstem, Unteilbarem bestehen.
Denn wäre Luft aus beliebig kleinen, also letztlich auch unendlich kleinen Teilen zusammengesetzt, könnte die Klepsydra so nie funktionieren.
Man könnte die Klepsydra nie so gut mit einem Finger abdichten, dass auch die unendlich kleinen Teile der Luft nicht in die Klepsydra schlüpfen würden.
Da das Abdichten des oberen Endes der Klepsydra aber funktionierte, waren die unteilbaren Teile der Luft offenbar zu groß, um durch die Dichtung hindurchzuschlüpfen. Die Luft bestand demnach also in diesem Sinne aus Atomen.
Man hätte ein ähnliches Experiment auch mit Gefäßen durchführen können, die man auf ihre Dichtigkeit bezüglich Flüssigkeitsausfluss getestet hätte. Da aber die Luft „unsichtbar“ ist, glaubte Empedokles, wenn die Bestandteile der Luft schon so klein wären, dass man sie nicht sehen könnte, dass diese dann bestimmt die besten Kandidaten wären, auf die die Beschreibung „atomos“ passen könnte.
Diese Vorstellung von Atomen hatte, nicht zuletzt durch jahrhundertelange kirchliche Indoktrination, weit über 2000 Jahre nahezu unverändert Bestand.

Erst 1869 gelang es Mendeleev, aus den bis dato bekannten chemischen Elementen eine Systematik zu formen, die als „Periodensystem“ bekannt ist. Das Periodensystem weist den chemischen Elementen die unterscheidbaren Eigenschaften Masse und Ladung zu und ordnet sie danach an. Die kleinste Masseneinheit ist dabei die sog. Atommasse u, so dass die Massen aller Elemente als ein ganzzahliges Vielfaches von u benannt werden.

Das Periodensystem der Elemente

Ebenso wird für jedes Element die Ordnungszahl als ganzzahliges Vielfaches von 1 benannt.
Die Tatsache, dass sich alle bekannten Elemente derart in ein Schema einordnen ließen, deutete daraufhin, dass die Elemente eine Unterstruktur besitzen bzw. dass sich die Elemente offenbar aus dem Vielfachen von kleinsten Teilen „konstruieren“ lassen.
Zu Mendeleevs Zeit waren viele der heute bekannten chemischen Elemente noch gar nicht entdeckt worden. Das Periodensystem wies dort jeweils eine Lücke auf, so dass vorhergesagt werden konnte, dass dann – vorausgesetzt das Periodensystem ist richtig – in der Natur ein chemisches Element existieren musste, welches genau in diese Lücke passt.
Die Schlussfolgerung war, chemische Elemente setzen sich aus kleineren Bausteinen, den sog. Nukleonen zusammen.

Der LHC-Speicherring [Quelle: CERN]

Am Montag wurde nun euphorisch aus der CERN-Zentrale berichtet, dass der LHC nach 10 Tagen Betrieb bereits den Rekord des bisher leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers, des Tevatron am Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia (Fermilab), Illinois, USA gebrochen hat.
Den Forschern gelang es am Montagmorgen kurz nach Mitternacht, die beiden gegenläufigen Teilchenstrahlen im LHC auf jeweils 1.18 TeV zu beschleunigen, wohingegen im Tevatron nur Energien pro Teilchenstrahl von 0.98 TeV erreichbar sind.
Und dies ist nur der erste Schritt. In der Folgezeit – allerdings nicht vor nächstem Jahr – soll der LHC diese Strahlenergie des Tevatron um mehr als das Siebenfache überschreiten. 7 TeV pro Teilchenstrahl werden angestrebt. Bei der Kollision von zwei Teilchenstrahlen wird dann insgesamt eine Kollisionsenergie von 14 TeV frei werden.

Der Speicherring der Superlative

In dem in mehrerlei Hinsicht gigantischen Speicherring LHC, auf Deutsch „großer Hadronen Speicherring“, werden zwei Teilchenstrahlen aus elektrisch geladenen Hadronen, in diesem Fall Protonen oder Bleiionen, auf 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die beiden Teilchenstrahlen, die in entgegengesetzter Richtung in den LHC eingebracht werden, umrunden den Speicherring so lange, bis die gewünschte Energie erreicht wird, um dann an vier genau bestimmten Orten im Beschleuniger, an denen sich Detektoren befinden, zur Kollision gebracht zu werden. Bei jeder stattfindenden Kollision kommt dann Einsteins berühmte Formel E = mc² zum Tragen, gemäß derer Masse in Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt ebenso Energie in Masse. Ein Teil der resultierenden Kollisionsenergie wird dann gemäß Einsteins Energie-Masse-Äquivalenz in Masse umgewandelt, d. h. in kurzeitig existierende instabile Teilchen, die in nur Milliardstel Sekundenbruchteilen wieder in stabile und dann im Detektor nachweisbare Teilchen zerfallen.

LHC Umgebung

Der LHC besitzt einen Umfang von rund 27 km und befindet sich in einem Tunnel unter der schweizerisch-französischen Grenze nahe Genf. Die Tiefe des Tunnels variiert in Abhängigkeit von der Topologie der Landschaft zwischen 50 und 175 m.

Mehr als 9000 Magnete an der Zahl, von denen die größten – supraleitende Dipolmagnete – gut 15 m lang sind, halten die geladenen Teilchenstrahlen aufgrund der Wirkung der Lorentzkraft auf ihren Bahnen entlang des Speicherrings. Des Weiteren müssen die Teilchenstrahlen, die jeweils aus mehreren Tausend Teilchenpaketen bestehen, welche wiederum jeweils etwa 100 Milliarden Teilchen enthalten, stets senkrecht zur Flugrichtung fokussiert werden, damit die Teilchenpakete so kompakt wie möglich gehalten werden.

Der LHC und seine vier Detektoren.

Wenn die Teilchenpakete sich kreuzen, was im Mittel im LHC etwa 30 Millionen mal pro Sekunde passiert, finden bis zu 600 Millionen Teilchenkollisionen pro Sekunde statt.
Treffen zwei Teilchen aus zwei gegenläufigen Strahlen aufeinander, wird beim Zusammenprall als Gesamtenergie die Summe der Teilchenenergien in der Reaktion umgesetzt.
Da geladene Ionen wie etwa die Bleiionen viele im Atomkern gebundene Protonen besitzen, ist die Kollisionsenergie von Bleiionenstrahlen sogar noch höher. Bei Blei 207 mit 82 Protonen im Atomkern wird so pro Bleiatomkern eine Energie von rund 1150 TeV umgesetzt. Diese Energien sind sowohl für Protonen, als auch für andere geladene Teilchen bisher noch niemals im Labor erzielt worden.
Doch muss man sich vor Augen halten, dass die Energien im TeV-Bereich (1 Tera-Elektronen- volt entspricht 1000 000 000 000 eV) verglichen mit alltäglichen Größenordnungen überraschenderweise sehr niedrig sind.
Eine fliegende Mücke besitzt leicht auch eine Bewegungsenergie von etwa 1 TeV.
Und klatscht ein Kind in die Hände, ist die Gesamtenergie dieser Kollision wahrscheinlich sogar höher als eine Kollision von Protonen im LHC.
Doch das Besondere an einer Kollision von Teilchenstrahlen im LHC ist darin zu sehen, dass die Gesamtenergie der Kollision hier auf einen nahezu unvorstellbar kleinen Raum konzentriert bzw. fokussiert ist, wodurch die Energiekonzentration ungleich höher ist.
Somit wird z. B. ein extrem dichter Materiezustand erzeugt, der den Bedingungen des frühen Universums kurz nach dem Urknall sehr nahe kommt.