LHC-Nachfolger: Die 100 Kilometer lange Traummaschine

Voller Selbstbewusstsein plädieren Europas Teilchenphysiker für den Bau eines neuen, riesigen Beschleunigers - obwohl es kleinere, günstigere, schnellere Alternativen geben würde. Die Strategie ist riskant. Alexander Stirn kommentiert.

von Alexander Stirn

Baubarbeiten am LHC im Jahr 2018 — © Julien Marius Ordan, CERN (Ausschnitt)

Ein 100 Kilometer langer Tunnel? So lang wie die Strecke zwischen Hamburg und Bremen? Das klingt ein bisschen größenwahnsinnig, und doch wollen Europas Teilchenphysiker genau solch ein Vorhaben in Angriff nehmen. Rund um Genf wollen sie einen 100 Kilometer langen, ringförmigen Tunnel bauen, vollgepackt mit einem extrem leistungsstarken Teilchenbeschleuniger. Wobei: Streng genommen wollen sie zunächst nur eine Studie starten, um die Machbarkeit ihres Mammutprojekts auszuloten. So zumindest die offizielle Lesart.

Nach mehrjährigen Diskussionen hat das Genfer Forschungszentrum CERN am Freitag eine neue Strategie für Europas Teilchenphysik vorgestellt. Herausgekommen ist ein Maximalkompromiss, der größte gemeinsame Nenner. Genauer gesagt: der größte derzeit denkbare Teilchenbeschleuniger, der Ende des kommenden Jahrzehnts den Large Hadron Collider (LHC) ablösen soll.

Dabei hätte es auch andere Wege in die Zukunft gegeben: kleiner, schneller, günstiger. Dennoch entschied sich die Physik für den ganz großen Wurf – und das, obwohl unklar ist, wie sich solch ein Beschleuniger finanzieren lässt, vor allem aber, wonach er überhaupt suchen soll.

Teilchenphysik in der Sackgasse

Das Problem: Die Physik steckt in einer Sackgasse, und der LHC konnte den Ausweg bislang nicht finden. Als der 27-Kilometer lange Ringbeschleuniger, vermarket als »Weltmaschine«, im November 2009 seine Arbeit aufnahm, hatte er ein klar kommuniziertes Ziel: Der LHC sollte das so genannte Higgs-Boson entdecken, das letzte noch fehlende Teilchen in einem physikalischen Theoriegebilde namens Standardmodell. Mitte 2012 hatte der Beschleuniger diese Aufgabe mit Bravour erledigt. Das Higgs war gefunden.

Nur: Das Standardmodell, so überzeugend und kohärent es erscheinen mag, kann die Welt nicht erklären. In ihm ist zum Beispiel kein Platz für die hypothetische Dunkle Materie, die Galaxien zusammenhalten soll. Es muss also eine Physik jenseits dieses Standardmodells geben, und der LHC – das war seine zweite große Aufgabe – sollte Hinweise darauf entdecken.

Bislang ist er daran gescheitert: »Viele Fragen sind noch offen«, sagt CERN-Generaldirektorin Fabiola Gianotti bei einem Online-Pressebriefing kurz nach Bekanntgabe der Strategie. Was sie nicht sagt: Offen ist auch die Frage, ob eine 100-Kilometer-Maschine überhaupt etwas zur Klärung all dieser Probleme beitragen kann oder ob auch sie nur altbekannte Teilchen produzieren würde. Das macht es nicht einfacher, solch ein Vorhaben gegenüber Politik und Gesellschaft zu verkaufen.

Eine »Higgs-Fabrik«

In ihrer Strategie versuchen die Physiker daher den neuen Beschleuniger als »Higgs-Fabrik« zu vermarkten. Er soll das scheue Teilchen, das im LHC nur sporadisch auftritt, in rauen Mengen produzieren, so dass die Forscher es im Detail studieren können. »Höchste Priorität« habe dies, heißt es in der Strategie.

Eine reine Higgs-Manufaktur, wenn auch nicht so leistungsfähig wie die 100-Kilometer-Variante, ließe sich aber deutlich schneller und günstiger bekommen: Seit 2013 entwickelt Japan mit europäischer Hilfe das Konzept eines neuen Linearbeschleunigers, International Linear Collider (ILC) genannt. Mit einer geplanten Länge zwischen 20 und 50 Kilometern könnte er genügend Energie zum Studium des Higgs-Bosons bereitstellen. Allerdings scheint die japanische Regierung derzeit keinen großen Drang zu verspüren, etwa sechs Milliarden Euro für den ILC zur Verfügung zu stellen. Geld aus Europa könnte das womöglich ändern.

Linearbeschleuniger CLIC kommt in neuer Strategie nicht vor

Parallel arbeitet das CERN seit mehr als einem Jahrzehnt an einem eigenen Linearbeschleuniger, dem Compact Linear Collider (CLIC). Dank neuer Technologien könnte er auf etwa elf Kilometer Länge ausreichend Energie zur Higgs-Produktion erzeugen. Er ließe sich aus dem laufenden CERN-Etat finanzieren, und mit seinem Bau könnte bereits im Jahr 2026 begonnen werden – zu einem Zeitpunkt, an dem die Machbarkeitsstudie zum großen Ringbeschleuniger gerade erst reif wäre für eine Entscheidung. Trotzdem wird der CLIC in der Kurzfassung der neuen Strategie mit keinem Wort erwähnt. Auch Halina Abramowicz, Leiterin der Strategiegruppe, erzählt, auf CLIC angesprochen, lieber allgemein von Forschungsaktivitäten an neuen Beschleunigertechnologien, die wichtiger Teil der Strategie seien.

Der CLIC, so scheint es, ist tot. Es lebe der FCC, der Future Circular Collider, die umjubelte Higgs-Fabrik. Dieses Etikett ist allerdings nur ein Teil der Wahrheit: Um massenhaft Higgs-Bosonen zu erzeugen, genügt es, im 100 Kilometer langen Tunnel Elektronen und Positronen miteinander kollidieren zu lassen. Wenn der Tunnel aber schon einmal da ist, so der Hintergedanke der Physiker, könnten dort auch schwerere Protonen auf Crashkurs gebracht werden – wie im LHC, nur mit zehnfacher Energie. Die Higgs-Fabrik, wie in der neuen Strategie herbeigeschrieben, soll somit Türöffner sein zum riesigen Protonenbeschleuniger. Zur Traummaschine der Physik.

Diesen Traum haben die Europäer jedoch nicht allein. Auch China will einen bis zu 100 Kilometer langen Ringbeschleuniger bauen und Physiker aus aller Welt zur Forschung daran einladen. Es ist ein heikles Thema – politisch, aber auch fachlich, da China bislang kaum Erfahrung mit solchen Anlagen hat. Ursula Bassler, Präsidentin des CERN-Rats, antwortet daher lieber ausweichend, wenn sie nach China gefragt wird. Bassler sagt: »Die neue Strategie zeigt nicht zuletzt den Stolz der CERN-Mitgliedsländer, dass unser Labor führend ist in der Teilchenphysik – und ihren Willen, dass es dabei bleibt.«

Europa will die Maßstäbe setzen, das Tempo vorgeben. Und es will sich dabei nicht vom Kurs abbringen lassen. Nicht von China, und auch nicht von Corona: »Sicherlich gibt es Befürchtungen, dass Investitionen nun zurückgefahren werden«, sagt Generaldirektorin Gianotti. »Wenn uns die Pandemie jedoch eines gelehrt hat, dann, dass Wissenschaft einen wichtigen Stellenwert hat, dass die Menschen auf sie hören und auch die meisten Regierungen. Ich hoffe, das bleibt so.« Es ist ein hehrer Gedanke, der sich – angesichts geschätzter Kosten von mehr als 20 Milliarden Euro für den FCC – in der wirtschaftlichen Post-Corona-Realität erst noch bewähren muss. Immerhin: Mit der Machbarkeitsstudie, über deren Umsetzung in fünf bis sieben Jahren entschieden werden soll, hat sich die Teilchenphysik nun etwas Zeit gekauft.

Jedenfalls ist der FCC eine riskante Wette auf die Zukunft. Er ist aber auch ein selbstbewusstes Statement: Europas Physiker, die sich stets mit den kleinsten Teilchen der Welt beschäftigen, wollen sich nicht mit Kleinigkeiten zufriedengeben. Sie wollen die ganz, ganz große Lösung.