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Der Teilchenbeschleuniger am CERN sucht Dunkle Materie

Anna Schughart 27.12.2017 Lesezeit 5 Min

Der Teilchenbeschleuniger des europäischen Kernforschungszentrums Cern gehört zu den berühmtesten Forschungsanlagen der Welt. Doch nach der Entdeckung des Higgs-Teilchen ist es still um ihn geworden. Hat er seine Aufgabe etwa schon erfüllt? Nein, er ist auf der Suche nach Dunkler Materie.

Hin und wieder gibt es neue Gerüchte. Dann heißt es, die Wissenschaftler, die mit dem Large Hadron Collider (LHC) arbeiten, würden bald verkünden, dass sie ein ganz neues Teilchen, ja vielleicht sogar eine komplett neue Physik entdeckt haben. Der große Durchbruch ist bisher ausgeblieben. Wonach genau suchen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen überhaupt?

Unter anderem nach Dunkler Materie, erklärt Karl Jakobs von der Universität Freiburg. Der Elementarteilchenphysiker ist Sprecher der ATLAS-Kollaboration und leitet seit März das ATLAS-Experiment. ATLAS ist der Name eines der Teilchendetektoren am LHC. Die Wissenschaftler, die damit arbeiten, gehören zur ATLAS-Kollaboration. Im Interview erklärt Jakobs, wie die Suche nach neuen Teilchen funktioniert und was das mit der Dunklen Materie zu tun hat.

WIRED: Die Entdeckung des Higgs-Bosons liegt nun schon einige Jahre zurück. Seitdem ist es still um den Teilchenbeschleuniger geworden. Hat er denn damit schon seine Arbeit getan?
Karl Jakobs: Auf keinen Fall. Wir arbeiten jetzt daran, die Eigenschaften des Higgs-Teilchens möglichst präzise zu vermessen. Der zweite Schwerpunkt ist die Suche nach neuen Teilchen beziehungsweise nach einer neuen Physik. Wir haben zwar gut funktionierende Theorien wie die Relativitätstheorie und die Quantentheorie, aber trotzdem gibt es noch ein paar Knackpunkte. Große offenen Fragen wie zum Beispiel die Frage nach der Natur der Dunklen Materie.

Karl Jakobs ist Sprecher der ATLAS-Kollaboration und leitet seit März das ATLAS-Experiment. ATLAS ist der Name eines der Teilchendetektoren am LHC.

WIRED: Sie wollen mit dem Teilchenbeschleuniger Dunkle Materie finden?
Jakobs: Mit unserer Standardtheorie können wir gerade einmal fünf Prozent der Energiedichte des Universums erklären. Es muss also im Universum Dunkle Materie geben, für die wir mit unseren bisherigen Modellen keine Erklärung haben. Eine Theorie lautet, dass ein supersymmetrisches Teilchen für die Dunkle Materie verantwortlich ist. Deshalb stehen diese Teilchen ganz oben auf unserer Liste.

WIRED: Was genau sind denn supersymmetrische Teilchen?
Jakobs: Die Supersymmetrie ist eine Erweiterung des Standardmodells, die sehr schöne Eigenschaften hat. Man muss sich das wie eine Spiegelwelt vorstellen: Jedem Teilchen, das wir heute kennen, würden wir ein supersymmetrisches Partnerteilchen zuordnen. Die Teilchenzahl würde sich also verdoppeln. Wenn Sie Optimist sind, können Sie sagen: Die Hälfte der Teilchen – wie zum Beispiel Elektronen oder Quarks – haben wir schon gefunden. Wenn Sie Pessimist sind, dann sagen Sie natürlich: Ein supersymmetrisches Teilchen war aber noch nicht dabei.

WIRED: Und eines dieser Teilchen könnte der Stoff sein, aus dem Dunkle Materie ist?
Jakobs: Ja, das sogenannte lightest, supersymmetric particle, LSP. Diese leichtesten, supersymmetrischen Teilchen können beim Urknall entstanden sein und seitdem in großen Mengen im Universum vorhanden sein. Wir hoffen, dass wir sie mit genügend Energie im Teilchenbeschleuniger herstellen können.

WIRED: Wie funktioniert das?
Jakobs: Hier am LHC nutzen wir dazu Protonen, die wir auf ganz, ganz hohe Energie beschleunigen und dann miteinander kollidieren lassen. Die Energie, die bei der Kollision entsteht, kann neue Teilchen erzeugen. Einige dieser neuen Teilchen haben aber nur eine ganz kurze Lebensdauer, sie zerfallen in einem Bruchteil einer milliardstel Sekunde wieder in die bekannten Standardteilchen. Sollten zum Beispiel schwere supersymmetrische Teilchen erzeugt werden, würden sie in leichtere Teilchen zerfallen und am Ende der Kette würde das stabile LSP auftauchen.

WIRED: Wie finden Sie heraus, dass neue Teilchen entstanden sind?
Jakobs: Beim Higgs-Teilchen haben wir dafür die Zerfallsprodukte gemessen und rekonstruiert, aus welchem Teilchen sie stammten. Bei den Dunkle-Materie-Teilchen ist das schwieriger, weil sie nur ganz, ganz schwach wechselwirken. Die leichtesten supersymmetrischen Teilchen verlassen den Detektor und tragen dabei Energie und Impuls weg. Wir müssen also indirekt darauf schließen, dass solche Teilchen entstanden sind, indem wir uns die Energie- und Impulsbilanz anschauen.

WIRED: Wenn sie verletzt ist, also etwas „fehlt“, dann sind supersymmetrische Teilchen entstanden?
Jakobs: Fast. Solche Ereignisse sehen wir jeden Tag. Sie tauchen auch auf, wenn Teilchen, die wir schon kennen – wie zum Beispiel Neutrinos – produziert werden. Wir müssen also abschätzen, ob wir die fehlende Energie mit der Standardtheorie erwarten würden oder nicht. Wenn man einen deutlichen Überschuss sieht, dann ist etwas Neues entstanden und das könnten supersymmetrische Teilchen sein. Aber auch in dem Fall muss man noch sehr viele weitere Messungen machen, um das wirklich zu beweisen.

WIRED: Haben Sie schon einmal eine Messung gemacht, die auf supersymmetrische Teilchen hindeutet?
Jakobs: Die gibt es immer wieder. Aber bisher haben sich die Anzeichen mit mehr Daten immer wieder normalisiert. Wir haben bislang keine Abweichung gemessen, die alarmierend wäre. Aber wir hoffen, dass wir mit immer mehr Messdaten vom LHC irgendwann einen Überschuss sehen, der nicht weggeht, sondern sich stabilisiert und ganz klar erhärtet.

WIRED: Was würde die Entdeckung eines supersymmetrischen Teilchens bedeuten?
Jakobs: Das würde das Weltbild der Physik revolutionieren. Man braucht unbedingt eine Physik jenseits der Standardtheorie, um zum Beispiel die Dunkle Materie zu erklären. Bislang gibt es dazu nur Theorien, aber keine gesicherten Beweise. Die Entdeckung von supersymmetrischen Teilchen wäre also eine große Sensation.

WIRED: Aber ist es nicht auch möglich, dass es diese Teilchen überhaupt nicht gibt?
Jakobs: Diese Möglichkeit gibt es natürlich auch. Es kann sein, dass das alles eine schöne Theorie ist, die in der Natur nicht realisiert ist. Aber das wäre auch eine große Erkenntnis. Es kann ja nicht immer nur darum gehen, dass man neue Teilchen entdeckt.

WIRED: Wären Sie nicht enttäuscht, wenn der LHC keine supersymmetrischen Teilchen finden würde?
Jakobs: Ich bin erst mal Wissenschaftler und da geht es darum, herauszufinden, was in der Natur realisiert ist. Es wäre natürlich schöner, wenn man sagen könnte: Wunderbar, wir haben die Supersymmetrie entdeckt. Aber das muss nicht so kommen. Es gibt ja noch andere Modelle, die die Dunkle Materie erklären wollen.