Das Large Hadron Collider-Experiment zur Herstellung von Quark

Seit 30 Jahren versuchen Physiker auf der ganzen Welt zu rekonstruieren, wie lebensspendende Teilchen im sehr frühen Universum entstanden sind. ALICE ist ihre bisher größte Leistung.

Von Rahul Rao | Veröffentlicht am 31. August 2023, 6:00 Uhr EDT

NORMALERWEISE, Die Erschaffung eines Universums ist nicht die Aufgabe des Large Hadron Collider (LHC). Der größte Teil der bahnbrechenden Wissenschaft – zum Beispiel das Aussondern und Verfolgen von Higgs-Bosonen – findet beim größten Teilchenbeschleuniger der Welt statt, wenn er bescheidene Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit abfeuert.

Aber etwa einen Monat lang gegen Ende eines jeden Jahres stellt der LHC seine Munition von Protonen auf Kugeln um, die etwa 208-mal schwerer sind: Bleiionen.

Wenn der LHC diese Ionen aufeinanderprallen lässt, können Wissenschaftler – wenn sie alles richtig verstanden haben – einen flüchtigen Blick auf ein flüchtiges Tröpfchen eines Universums erhaschen, wie es ein paar Millionstel Sekunden nach dem Urknall aufgehört hat zu existieren.

Dies ist die Geschichte des Quark-Gluon-Plasmas. Nehmen Sie ein Atom, irgendein Atom. Ziehen Sie die wirbelnden Elektronenwolken ab, um seinen Kern, den Atomkern, freizulegen. Dann zerteilen Sie den Kern fein in seine Grundbestandteile, Protonen und Neutronen.

Als Physiker Anfang des 20. Jahrhunderts zum ersten Mal einen Atomkern spalteten, war dies alles, was sie erreichten. Protonen, Neutronen und Elektronen bildeten die Masse des gesamten Universums – nun ja, diese, plus Striche kurzlebiger elektrisch geladener Teilchen wie Myonen. Aber Berechnungen, primitive Teilchenbeschleuniger und kosmische Strahlung, die auf die Erdatmosphäre trifft, enthüllten eine weitere Menagerie esoterischer Teilchen: Kaonen, Pionen, Hyperonen und andere, die klingen, als würden sie Außerirdischen übersinnliche Kräfte verleihen.

Es erschien dem Universum ziemlich unelegant, so viele Grundzutaten zu präsentieren. Physiker fanden bald heraus, dass einige dieser Teilchen überhaupt keine Elementarteilchen waren, sondern Kombinationen noch kleinerer Teilchen, die sie mit einem Wort benannten, das teilweise von James Joyces Finnegans Wake inspiriert war: Quarks.

Quarks gibt es in sechs verschiedenen „Geschmacksrichtungen“, aber der Großteil des beobachtbaren Universums besteht nur aus zwei: Up-Quarks und Down-Quarks. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark; ein Neutron, zwei nach unten und eines nach oben. (Die anderen vier, in aufsteigender Reihenfolge ihrer Schwere und Flüchtigkeit: Strange-Quarks, Charm-Quarks, Beauty-Quarks und das Top-Quark.)

An dieser Stelle endet die Zutatenliste. Normalerweise kann man in unserer Welt ein Proton oder Neutron nicht in Quarks zerlegen; In den meisten Fällen können Quarks nicht alleine existieren. Doch in den 1970er-Jahren hatten Physiker einen Ausweg gefunden: die Dinge aufzuheizen. An einem Punkt, den Wissenschaftler Hagedorn-Temperatur nennen, werden diese subatomaren Teilchen zu einer hochenergetischen Suppe aus Quarks und den noch winzigeren Teilchen, die sie zusammenkleben: Gluonen. Wissenschaftler nannten diese Suppe Quark-Gluon-Plasma (QGP).

Es ist ein verlockendes Rezept, denn Quarks und Gluonen können normalerweise nicht alleine existieren und es ist eine Herausforderung, sie aus den größeren Teilchen zu rekonstruieren, die sie bilden. „Wenn ich Ihnen Wasser gebe, ist es sehr schwierig, die Eigenschaften von [Wasserstoff- und Sauerstoffatomen] zu bestimmen“, sagt Bedangadas Mohanty, Physiker am indischen National Institute of Science Education and Research und am CERN. „Ebenso kann ich Ihnen Protonen, Neutronen, Pionen geben … aber wenn Sie wirklich die Eigenschaften von Quarks und Gluonen untersuchen möchten, brauchen Sie sie kostenlos in einer Box.“

Dies ist kein Rezept, das Sie im heimischen Ofen ausprobieren können. In Einheiten der Alltagswelt beträgt die Temperatur in einem hadronischen System etwa 3 Billionen Grad Fahrenheit – 100.000 Mal heißer als im Zentrum der Sonne. Das beste Gerät für diese Aufgabe ist ein Teilchenbeschleuniger.

Aber nicht jeder Teilchenbeschleuniger reicht aus. Sie müssen Ihre Partikel mit ausreichend Energie verstärken. Und als sich Wissenschaftler daran machten, QGP zu entwickeln, war LHC nur ein Traum aus ferner Zukunft. Stattdessen verfügte CERN über einen älteren Collider, der nur etwa ein Viertel des LHC-Umfangs ausmachte: das Super Proton Synchrotron (SPS).

Wie der Name schon sagt, wurde SPS entwickelt, um Protonen auf feste Ziele zu schleudern. Doch Ende der 1980er Jahre beschlossen Wissenschaftler, die Protonen durch schwere Ionen – Bleikerne – auszutauschen und zu sehen, was damit möglich wäre. In den 1990er Jahren glaubten CERN-Forscher in einem Experiment nach dem anderen, etwas mit den Kernen geschehen zu sehen.

„Zu unserer Überraschung sah es bereits bei diesen relativ niedrigen Energien so aus, als würden wir ein Quark-Gluon-Plasma erzeugen“, sagt Marco van Leeuwen, Physiker am Niederländischen Nationalen Institut für Subatomare Physik und am CERN. Im Jahr 2000 behauptete sein Team, sie hätten „überzeugende Beweise“ für diese Leistung.

Für die kurzen Aufflackern, für die die Quantenmaterie auf der Welt existiert, können Physiker beobachten, wie das Plasma in sogenannten „kleinen Knallen“ materialisiert.

Auf der anderen Seite des Atlantiks hatten CERNs Kollegen am Brookhaven National Laboratory auf Long Island ihre Versuche mit gleichermaßen Optimismus und Unsicherheit durchgeführt. Die Unsicherheit ließ um die Jahrtausendwende nach, als Brookhaven den Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) einschaltete, ein Gerät, das speziell für die Erzeugung von QGP entwickelt wurde.

„RHIC schaltete sich ein und wir befanden uns tief im Quark-Gluon-Plasma“, sagt James Dunlop, Physiker am Brookhaven National Laboratory.

Daher gibt es heute weltweit zwei große QGP-Fabriken: CERN und Brookhaven. Mit diesem Kolliderpaar können Physiker beobachten, wie das Plasma für die kurzen Flacker, für die die Quantenmaterie auf der Welt existiert, in sogenannten „kleinen Knallen“ materialisiert.

Je näher Sie dem Urknall kommen, desto weniger ähnelt das Universum Ihrem vertrauten. Zum jetzigen Zeitpunkt hat das James-Webb-Weltraumteleskop möglicherweise Galaxien aus der Zeit rund 320 Millionen Jahre nach dem Urknall beobachtet. Wenn Sie weiter zurückgehen, erreichen Sie buchstäblich ein dunkles Zeitalter – eine Zeit vor den ersten Sternen, als es außer dem kosmischen Hintergrund kaum etwas gab, das das Universum erhellte.

In diesem schattigen Zeitalter weicht die Astronomie immer mehr der subatomaren Physik. Gehen Sie sogar noch weiter zurück, nur 380.000 Jahre nach dem Urknall, und Elektronen verbinden gerade ihre Kerne, um Atome zu bilden. Gehen Sie immer wieder zurück; Das Universum wird immer kleiner, dichter und heißer. Sekunden nach dem Urknall haben sich Protonen und Neutronen noch nicht zu Kernen verbunden, die komplexer als Wasserstoff sind.

Gehen Sie noch weiter zurück – etwa eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall – und das Universum ist heiß genug, dass Quarks und Gluonen getrennt bleiben. Es ist eine Miniaturversion dieses Universums, das Physiker erschaffen wollen.

In Bürogebäuden wie dem äußerst modernistischen Gebäude mit Blick auf das Besucherzentrum des CERN rätseln Physiker über dieses Universum. Wenn Sie aus dem Fenster dieses Gebäudes schauen, sehen Sie möglicherweise die Endstation einer Genfer Straßenbahnlinie. Cornavin, der Hauptbahnhof der Stadt, ist nur 20 Minuten entfernt.

Die CERN-Physiker Urs Wiedemann und Federico Antinori treffen mich in ihrem Büro. Wiedemann ist von Natur aus theoretischer Physiker; Antinori ist ein Experimentator und leitet Schwerionen-Kollisionsläufe. Das Studium des QGP erfordert die Talente beider.

„Die Existenz von Quark-Gluon-Plasma haben wir nachgewiesen“, sagt Antinori. „Am interessantesten ist es zu verstehen, um welche Art von Tier es sich handelt.“

Ihre Kollegen, die QGP zum ersten Mal entwickelt haben, erwarteten beispielsweise, eine Art Gas zu finden. Stattdessen verhält sich QGP wie eine Flüssigkeit. Tatsächlich verhält sich QGP wie eine sogenannte perfekte Flüssigkeit, also eine Flüssigkeit mit nahezu keiner Viskosität. (Ja, das frühe Universum könnte, ganz kurz, eine Art überhitzter Ozean gewesen sein. Viele Schöpfungsmythen könnten einen entfernten Spiegel im Inneren eines Teilchenbeschleunigers finden.)

Sowohl Antinori als auch Wiedemann sind besonders daran interessiert, die Entstehung der Flüssigkeit zu beobachten, die Zerreißung von Atomkernen. Einige Wissenschaftler nennen den Prozess einen „Phasenübergang“, als ob die Erzeugung von QGP so wäre, als würde man Schnee schmelzen, um flüssiges Wasser zu erzeugen. Doch die Umwandlung von Protonen und Neutronen in QGP ist weit mehr als nur das Schmelzen von Eis. Es schafft einen Übergang in eine ganz andere Welt mit grundlegend anderen Gesetzen der Physik. „Die Symmetrien der Welt, in der wir leben, verändern sich“, sagt Wiedemann.

Dieser Übergang vollzog sich im sehr frühen Universum in umgekehrter Reihenfolge, als es über die Hagedorn-Temperatur abkühlte. Die Quarks und Gluonen verklumpten und bildeten die Protonen und Neutronen, die wiederum die Atome bildeten, die wir heute kennen und lieben.

Doch Physikern fällt es schwer, diesen Prozess mathematisch zu verstehen. Sie kommen näher, indem sie QGP-Kollisionen im Labor untersuchen.

QGP ist auch ein Labor für die starke Atomkraft. Eine der vier Grundkräfte des Universums – neben der Schwerkraft, dem Elektromagnetismus und der schwachen Kernkraft, die bestimmte radioaktive Prozesse steuert – ist die starke Kernkraft, die die Teilchen im Herzen der Atome zusammenhält. Die Gluonen im Namen von QGP sind die Werkzeuge der starken Atomkraft. Ohne sie würden sich geladene Teilchen elektromagnetisch abstoßen und Atome würden sich selbst zerreißen.

Doch obwohl wir ziemlich viel über Schwerkraft und Elektromagnetismus wissen, bleibt das Innenleben der starken Kernkraft ein Geheimnis. Darüber hinaus wollen Wissenschaftler mehr über die Rolle der starken Atomkraft erfahren.

„Man kann sagen: ‚Ich verstehe, wie ein Elektron mit einem Photon interagiert‘“, sagt Wiedemann, „aber das bedeutet nicht, dass man versteht, wie ein Laser funktioniert.“ Das bedeutet nicht, dass Sie wissen, warum diese Tabelle nicht zusammenbricht.“

Um solche Dinge zu verstehen, müssen sie wiederum schwere Ionen zusammenstoßen.

Mit SPS könnten Wissenschaftler Tröpfchen von QGP untersuchen und bestätigen, dass sie existieren. Aber wenn sie tatsächlich hineinschauen und sehen wollten, wie ihre Eigenschaften wirken – um sie zu untersuchen –, bräuchten sie etwas Stärkeres.

„Es war klar“, sagt Antinori, „dass man zu höheren Energien gehen musste, als an der SPS verfügbar waren.“

Wenn man vom CERN-Campus nach Frankreich fährt, ist es unmöglich zu erkennen, dass dieses grüne und angenehme Tal – unter der Anmut des Jura-Gebirges – auf einem 17 Meilen langen Ring aus supraleitenden Magneten und Stahl liegt. Um diesen Ring herum sind verschiedene Experimente und Detektoren verteilt. Die Suche nach QGP findet in einem solchen Detektor statt.

Die Straße dorthin führt durch das glitzernde Dörfchen Saint-Genis-Pouilly, in dem viele Mitarbeiter des CERN leben. Am idyllischen Rand steht eine Ansammlung von Industriequadern und Kühltürmen.

Abgesehen von einem Wandgemälde an der Wellblechfassade mit Blick auf einen Parkplatz macht der Komplex nicht wirklich darauf aufmerksam, dass Wissenschaftler hier nach QGP suchen – dass eines dieser lagerhausähnlichen Gebäude der äußere Kokon eines großen Ionenkollider-Experiments namens, nun ja, ist. Ein Large Ion Collider Experiment (ALICE).

CERN-Physikerin Nima Zardoshti begrüßt mich unter diesem Wandgemälde: ALICEs Detektor, der QGP-Beobachter, abgebildet auf einem pastellfarbenen Wandgemälde. Zardoshti führt mich hinein, vorbei an einem Kontrollraum, der in einer Dokumentation über die Mondlandung nicht fehl am Platz wäre, um eine mit Blech bedeckte Ecke und hinaus zu einem Abgrund. Ein Betonschild bedeckt es mehrere Stockwerke tiefer. „Dieser Beton stoppt die Strahlung“, erklärt er.

Darunter, unsichtbar für den Blick, befindet sich das Original, eine Maschine von der Größe eines kleinen Gebäudes, die fast so viel wiegt wie der Eiffelturm. Der Detektor befindet sich mehr als 180 Fuß unter der Erde und ist über einen Minenaufzug erreichbar. Während der LHC in Betrieb ist, darf niemand dort hinuntergehen, mit Ausnahme der Feuerwehr des CERN, die schnell eingreifen muss, wenn radioaktive oder gefährliche Stoffe brennen.

Die schweren Ionen, die in dieser Maschine kollidieren, stammen nicht aus diesem Gebäude. Mehrere Meilen entfernt befindet sich das alte SPS, das zum ersten Sprungbrett des LHC umgebaut wurde. SPS beschleunigt Bündel von Bleikernen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Sobald sie fertig sind, entlädt sie der kürzere Collider in den längeren.

Aber im Gegensatz zu SPS führt LHC keine Experimente mit festen Zielen durch. Stattdessen erzeugt ALICE einen magnetischen Druck, der in entgegengesetzte Richtungen rasende Bleibalken so antreibt, dass sie heftig frontal zusammenstoßen.

Bleiionen ergeben feine Zutaten. Ein Blei-208-Ion hat 82 Protonen und 126 Neutronen, und beides sind „magische Zahlen“, die dazu beitragen, dass die Kerne so kugelförmig werden, wie sie nur sein können. Kugelförmige Kerne erzeugen bessere Kollisionen. (Auf der anderen Seite des Atlantiks verwendet Brookhavens RHIC Goldionen.)

ALICEs Detektor ist keine Kamera; QGP ist nicht wie ein Lichtball, den man „sehen“ kann. Wenn diese Bleiionen bei hoher Energie kollidieren, kommt es zu einem QGP-Blitz, der sich in einem perfekten Sturm kleinerer Teilchen auflöst. Anstatt auf Licht zu achten, beobachtet der Detektor, wie die Teilchen kaskadierend davonfliegen.

Bei einer Proton-Proton-Kollision könnten ein paar Dutzend Teilchen entstehen – vielleicht sogar hundert, wenn Physiker Glück haben. Bei einer Schwerionenkollision entstehen mehrere Tausend.

Wenn schwere Ionen kollidieren, erzeugen sie einen Blitz aus QGP und stachelige Jets aus „normaleren“ Teilchen: oft Kombinationen schwerer Quarks, wie Charm- und Beauty-Quarks. Die Jets durchdringen das QGP, bevor sie den Detektor erreichen. Physiker können rekonstruieren, wie das QGP aussah, indem sie diese Jets untersuchen und wie sie sich während ihres Durchgangs veränderten.

Zuerst krachen diese Partikel durch Siliziumchips, die den Pixeln in Ihrem Smartphone nicht unähnlich sind. Anschließend passieren die Teilchen eine Zeitprojektionskammer: einen mit Gas gefüllten Zylinder. Noch immer mit hoher Energie streifend, schießen sie durch die Gasatome wie Meteore durch die obere Atmosphäre. Sie lösen Elektronen aus ihren Atomen und hinterlassen leuchtende Spuren, die die Kammer aufnehmen kann.

Für Fans von Geräten der Teilchenphysik ist die Zeitprojektionskammer ALICE etwas Besonderes. „Es ist super nützlich, aber der Nachteil daran – und warum andere Experimente es nicht verwenden – ist, dass es sehr langsam ist“, sagt Zardoshti. „Der Vorgang dauert meiner Meinung nach etwa eine Millionstelsekunde.“

ALICE erzeugt jede Sekunde etwa 3,5 Terabyte an Daten – etwa das Äquivalent von drei abendfüllenden Spielfilmen. Physiker verarbeiten diese Daten, um das QGP zu rekonstruieren, das die Teilchen erzeugt hat. Viele dieser Daten werden direkt hier verarbeitet, aber viele werden auch von einem riesigen globalen Computernetzwerk verarbeitet.

Die Teilchenphysik ist ein Bereich, der sich immer um Jahrzehnte in die Zukunft erstreckt. Während ALICE im Jahr 2010 in Betrieb genommen wurde, hatten Physiker bereits in den frühen 1990er Jahren damit begonnen, es zu entwerfen, Jahre bevor Wissenschaftler QGP überhaupt entdeckt hatten.

Eine ihrer aktuellen großen Fragen ist, ob sie QGP herstellen können, indem sie Ionen zerschlagen, die kleiner als Blei oder Gold sind. Mit Xenon ist ihnen das bereits gelungen; Später in diesem Jahr wollen sie es mit einer noch dürftigeren Substanz wie Sauerstoff versuchen. „Wir wollen sehen: Wo ist der Übergang, wo wir dieses Material herstellen können?“ sagt Zardoshti. „Ist Sauerstoff schon zu leicht?“ Sie erwarten, dass das lebensspendende Element wirkt. Aber in der Teilchenphysik kann man erst im Nachhinein sichere Erkenntnisse gewinnen.

Längerfristig haben die Stewards von ALICE große Pläne. Nach 2025 wird der LHC für mehrere Jahre wegen Wartungs- und Modernisierungsarbeiten abgeschaltet, was die Energie des Colliders steigern wird. Parallel zu diesen Modernisierungen erfolgt eine umfassende Erneuerung des ALICE-Detektors, deren Installation bereits im Jahr 2033 geplant ist. All dies ist viele Jahre im Voraus genau geplant.

Die Verantwortlichen des CERN wagen den Entwurf eines Geräts für eine noch fernere Zukunft, einen Future Circular Collider, der mehr als dreimal so groß sein würde wie der LHC und erst in den 2050er Jahren online gehen würde. Niemand ist sich noch sicher, ob es klappen wird; Sollte dies der Fall sein, müsste eine Investition von mehr als 20 Milliarden Euro sichergestellt werden.

Höhere Energien, größere Kollider und empfindlichere Detektoren sorgen für stärkere Werkzeuge im Arsenal der QGP-Beobachter. Die Partikel, nach denen sie suchen, sind winzig und unglaublich kurzlebig, und sie benötigen diese Werkzeuge, um mehr davon zu sehen.

Doch während Teilchenphysiker Milliarden von Euro und jahrzehntelange Anstrengungen aufgewendet haben, um Fragmente des sehr frühen Universums wieder in die Realität umzusetzen, glauben einige Astrophysiker, dass das Universum möglicherweise denselben Eifer an den Tag gelegt hat.

Anstelle eines Teilchenbeschleunigers kann das Universum auf ein weitaus leistungsfähigeres Gerät zurückgreifen: einen Neutronenstern.

Wenn ein riesiger Stern, der viel größer ist als die Masse unserer Sonne, sein Leben in einer spektakulären Supernova beendet, beginnt der verbleibende Kernsplitter einzustürzen. Der Kern darf nicht zu groß sein, sonst kollabiert er schwarzes Loch. Aber wenn die Masse genau richtig ist, werden im Kern Drücke und Temperaturen erreicht, die Atomkerne in Quarks zerreißen könnten. Es ist wie das ALICE-Experiment im großen Maßstab in einer natürlicheren Umgebung – dem widerspenstigen Universum, in dem alles begann.

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Rahul Rao ist seit Anfang 2021 ein ehemaliger Praktikant und beitragender Wissenschaftsautor für Popular Science. Er befasst sich mit Physik, Weltraum, Technologie und deren Schnittstellen untereinander und allem anderen. Kontaktieren Sie den Autor hier.