Große Geheimnisse
Auf der Suche nach den großen Geheimnissen
Die Wissenschaft wird geprägt von den Wissenschaftler:innen in verschiedenen wissenschaftlichen Einrichtungen. Eine der wichtigsten Komponenten ist die Neugierde des Menschen – der Wunsch zu erforschen, um mehr zu wissen.
Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit den kleinsten Bausteinen der Materie und deren Wechselwirkungen. Ein einheitliches physikalisches Bild von diesem Mikrokosmos ist Voraussetzung für ein grundlegendes Verständnis aller Naturvorgänge.
Um diese kleinsten Bausteine zu erforschen, braucht man große Teilchenbeschleuniger. Sie erzeugen aus bekannten Teilchen neue, uns noch unbekannte Teilchen. Diese werden von gigantischen Detektoren nachgewiesen und exakt vermessen. Jede Sekunde müssen die Eigenschaften von Milliarden von Teilchen bestimmt werden, obwohl diese oft nur für Bruchteile von Sekunden existieren. Dazu brauchen wir modernste Technologien, die meist neu entwickelt werden müssen. So können wir unser Wissen über die kleinsten Bausteine des Universums erweitern. Das dabei erworbene Knowhow kann auch in anderen Bereichen eingesetzt werden, zum Beispiel in der Medizin für neue Therapiemöglichkeiten.
Big Data
Am LHC prallen alle 25 Nanosekunden – also 40 Millionen Mal pro Sekunde – Pakete aus jeweils 100 Milliarden Protonen aufeinander. Hiervon werden ca. 200 Kollisionen pro Sekunde aufgenommen. In einem Jahr fällt so ein Datenvolumen von 25 Petabyte, also 25 Millionen Gigabytes, an. Dies entspricht mehr als einer Million DVDs pro Jahr.
Diese Datenflut wird von tausenden Wissenschaftler:innen auf der ganzen Welt analysiert – eine enorme Herausforderung an Datenspeicherung und Rechenleistung. Am Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) sind über 170 Rechenzentren in über 40 Ländern beteiligt. Täglich führt es mehr als 2 Millionen Rechenaufträge aus, und die globalen Übertragungsraten lagen zuletzt regelmäßig über 60 GB/s. Diese Zahlen werden im Laufe der Zeit noch steigen, da Rechenressourcen und neue Technologien weltweit immer besser verfügbar werden.
DESY betreibt standortübergreifend in Hamburg und Zeuthen ein sogenanntes Tier-2-Zentrum, das große Rechen- und Speichersysteme für die LHC-Experimente zur Verfügung stellt.
Teilchenbeschleuniger
Wie Einsteins berühmte Formel E = mc2 zeigt, gibt es eine direkte Beziehung zwischen Energie und Masse. Dieses Prinzip wird bei Teilchenbeschleunigern benutzt, wo Teilchen mit sehr hoher kinetischer Energie kollidieren und so neue, schwere Teilchen produzieren. Der derzeit größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt ist der Large Hadron Collider (LHC) am CERN.
Der LHC ist ein Kreisbeschleuniger. Hier werden Protonen entlang einer kreisförmigen Bahn auf immer höhere Energie – bis fast auf Lichtgeschwindigkeit – beschleunigt. Starke Magnete halten die Teilchen auf der Kreisbahn. Die Teilchen werden in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt und an bestimmten Punkten – den vier großen Experimenten – zur Kollision gebracht. Aufgrund der hohen Energie prallen die Teilchen nicht nur voneinander ab, sondern es finden auch Teilchenumwandlungen statt. Die in der Bewegung gespeicherte Energie kann durch den Zusammenstoß in Masse umgewandelt werden. So können neue Teilchen, sogar mit einer höheren Masse als der der Ursprungsteilchen, entstehen.
Umfang des Beschleuniger-Rings: 27 km
Lage: 50 – 175 Meter unter der Erdoberfläche in der Nähe von Genf
Betriebstemperatur der Magnete: –271,25 °C
Teilchen-Kollisionen: 40 Millionen pro Sekunde
Geschwindigkeit der Teilchen: 11.245 Umrundungen pro Sekunde (beinahe Lichtgeschwindigkeit)
Supraleitung
Elektronen leiten den Stromtransport durch elektrische Leiter. Diese laufen jedoch nicht ohne Verluste ab. Die erzeugte Wärme entspricht der Reibung der Elektronen im metallischen Leiter. Bei sehr niedrige Temperaturen jedoch (ca. unter -260°C ) gehen solche Metalle sprunghaft in einen supraleitenden Zustand über und die Elektronen bewegen sich reibungs- und verlustfrei durch den Leiter. Dieser Effekt wurde bereits 1911 entdeckt. Erst 1957 fand man die Theorie zur Beschreibung, basierend auf der Quantentheorie: ab einer gewissen Sprungtemperatur bilden sich jeweils Elektronen-Paare (sogenannte Cooper-Paare) im Leiter aus, die sich nun gemeinsam mit niedrigst möglicher Energie (d.h. im Grundzustand) durch den Leiter bewegen können. Die Elektronen-Paare führen sich sozusagen gegenseitig durch den Leiter und verhindern so jegliche Reibungen mit den anderen Elektronen und Ionen.
Suprafluidität
Suprafluidität ist ein Phänomen, das bei flüssigem Helium auftritt: bei ca. 2 Grad über dem absoluten Nullpunkt, d.h. bei ca. -271°C, kann flüssiges Helium quasi reibungsfrei durch allerkleinste Kapillaren fließen. Wenn ein Glasgefäss in einen Behälter mit suprafluidem Helium getaucht wird dann setzt das Helium alles daran, den Flüssigkeitsspiegel in beiden Behältern auf dieselbe Höhe zu bringen und fließt sogar die Wände hoch!
Mit dieser Eigenschaft zeichnet sich flüssiges Helium als ideales Kühlmittel aus, das sich schnell und gleichmäßig an die zu kühlenden Materialien anschmiegt.
Um diese überraschende Eigenschaft zu erklären, geht man von einem Zwei-Fluid-Modell aus, bei dem Helium gleichzeitig aus zwei Anteilen besteht, einem normalen und einem suprafluidem. Auf quantenmechanischem Niveau erklärt man diese Eigenschaft mit der Bose-Einstein-Kondensation, nach der die Helium-Atome ab einer bestimmten Temperatur alle in einen gleichen, niedrigsten Grundzustand gehen können und sozusagen keine Reibung mehr verspüren.
CERN – Forschung als völkerverbindendes Zukunftsprojekt
Die Europäische Organisation für Kernforschung CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ist das weltgrößte und bedeutendste Zentrum für Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Teilchenphysik.
Das Forschungszentrum liegt an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz, nahe der Stadt Genf, und ist eine Internationale Organisation ähnlich der UNO.
Seine Aufgabe ist die Erforschung der grundlegenden Gesetze des Universums. CERN entwickelt und baut komplexe Forschungsinfrastruktur wie den LHC-Beschleuniger und stellt diese für wissenschaftliche Experimente zur Verfügung. CERN bietet Wissenschaftler:innen jeder Nationalität die Chance, bei der Gewinnung neuer Erkenntnisse mitzuwirken und sich darüber auszutauschen.
Gründung: 1954
Deutschland ist Gründungsmitglied und heute größter Beitragszahler.
Mitgliedsstaaten: 23
Mitarbeiter:innen: ca. 3.400
Darüber hinaus forschen mehr als 17.000 Wissenschaftler:innen von Universitäten und Forschungseinrichtungen aus fast über 100 Nationen am CERN.
Feinfühlige Giganten
Ein Teilchendetektor ist ein Gerät zur Vermessung von Teilchen.
Am Beschleuniger werden rund um den Kollisionsort der Teilchen riesige Teilchendetektoren aufgebaut. Diese messen die Eigenschaften der neu entstandenen Teilchen. Jede Sekunde müssen etwa eine Milliarde Teilchen von fast 40 Millionen Kollisionen exakt vermessen werden. Dazu verwendet man verschiedene Detektorsysteme, die für die Bestimmung von unterschiedlichen Eigenschaften der Teilchen optimiert sind. Die Detektorsysteme sind wie die Schalen einer Zwiebel angeordnet und zeichnen die auftreffenden Teilchen als Ereignisse auf. Der überwiegende Anteil von neu entstandenen Teilchen ist den Forscherinnen und Forschern bereits sehr gut bekannt. Nur ganz selten entstehen weniger erforschte oder sogar bis dahin unbekannte Teilchen. Daher laufen Experimente wie das CMS-Experiment 24 Stunden pro Tag, ca. 300 Tage pro Jahr.
Blick in den CMS-Detektor am Large Hadron Collider
Größenvergleich CMS
Protonen-Fußball
High-Speed-Karussell mit Knalleffekt
Teilchenbeschleunigung zum Ausprobieren
Selfie-Spot
Unter den Häusern, Gärten und Parks in Hamburg-Bahrenfeld liegt der 6,3 Kilometer lange und in bis zu 25 Meter Tiefe gelegene Tunnel des HERA-Beschleunigers. HERA war bis 2007 in Betrieb, mit seiner Hilfe wurde vor allem die Natur des Protons erforscht. Heute ist er Teil vieler DESY-Führungen.
Marcel Große
Beschleuniger3 (2022)
Wissenschaftliche Verfahren sind Basis der ergebnisoffenen künstlerischen Experimente von Marcel Große. In seinen Versuchsanordnungen setzt er eine Fülle von Materialien ein: von Vorrichtungen aus Laborsituationen über Klempnereibedarf bis hin zu Druckluftbehältern aus dem Fahrzeugbau. Letztere sind auch Bestandteile seines aktuellen Beschleunigers3, der durch die Apparaturen der Teilchenphysik zur Simulation des kosmischen Urknalls und der Messung Dunkler Materie inspiriert ist. Bei Große folgt die damit verbundene Teilchenkollision in Höchstgeschwindigkeit indes einem eigenen, unberechenbaren System: Drei gegenüberliegende Drucklufttanks werden simultan in einem geschlossenen Raum entladen. Die so entstehende Druckwelle verteilt Farbpartikel, die hier auf Lithografie-Steine prallen. Analoge Prints ersetzen digitale Aufzeichnungsmethoden: eine Kooperation mit der Lithografie-Werkstatt des Museums. In seinen Arbeiten ist Große der Sichtbarmachung von Prozessen auf der Spur. Das Unerwartete wird dabei stets miteinbezogen, mögliches Scheitern inklusive. Analog zur Forschung liegt für den Bildhauer und Installationskünstler das erkenntnisleitende Prinzip in der produktiven Abweichung: der Ausnahme, die neue Regeln schreibt.
