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Universität Basel

12. März 2014

Ein Teilchenbeschleuniger der Superlative

Mit dem Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider wurde 2012 am CERN das Higgs-Teilchen entdeckt. Auch wenn dieser Ringbeschleuniger noch zwanzig Jahre in Betrieb sein wird, denken Physiker bereits jetzt über den Bau einer neuen, noch grösseren Anlage nach. Mit dem Future Circular Collider sollen Teilchenkollisionen von noch höherer Energie möglich werden sollen. Stefan Antusch, Professor für Theoretische Physik an der Universität Basel, erläutert im Interview Stand und Zielsetzung des Projekts.


Herr Antusch, der Large Hadron Collider (LHC) wird noch 20 Jahre in Betrieb sein. Trotzdem zerbrechen sich die Teilchenphysiker bereits den Kopf über den Bau eines noch grösseren Teilchenbeschleunigers. Warum diese Eile?

Stefan Antusch: Grossforschungsanlagen in der Teilchenphysik muss man sehr langfristig planen. Die Planungen für den Teilchenbeschleuniger LHC, der 2009 in Betrieb ging, reichen bis in die 80er-Jahre des letzten Jahrhunderts zurück, sie dauerten also rund 25 Jahre. Für den Bau eines neuen Teilchenbeschleunigers müssen neue Technologien entwickelt werden; das braucht viel Vorlauf. Zudem ist jetzt ein günstiger Zeitpunkt, über einen neuen Beschleuniger nachzudenken, der den LHC in 20 Jahren ablösen könnte. Die Entdeckung des Higgs-Teilchens 2012 am LHC liefert uns nämlich Erkenntnisse, die eine wichtige Grundlage bilden für die Konzeption eines neuen Beschleunigers.

Welches sind die Eckpunkte des geplanten Future Circular Collider, kurz FCC? In welchem Verhältnis stehen diese Eckwerte zum LHC?

Der Teilchenbeschleuniger FCC soll wie der LHC in einem unterirdischen Tunnel untergebracht werden. Dieser Tunnel soll allerdings etwa dreimal so lang werden wie jener des LHC, nämlich 80 bis 100 Kilometer. Im FCC sollen Protonen beschleunigt, aufeinander geschossen und damit zur Kollision gebracht werden, um die bei der Kollision neu entstehenden Teilchen untersuchen zu können. Die Kollisionsenergie soll beim FCC 100 Teraelektronenvolt betragen, das ist fast zehnmal so viel wie beim LHC. Der Tunnel des neuen Beschleunigers könnte aber auch für andere Zwecke genutzt werden, zum Beispiel um Elektronen und Positronen aufeinanderprallen zu lassen. Dieses Experiment würde sich ausgezeichnet eignen, um die verschiedenen Zerfallskanäle des Higgs-Teilchens mit hoher Genauigkeit zu untersuchen.

Was wird der FCC können, was der LHC nicht kann?

Dank der viel höheren Kollisionsenergie im FCC könnten womöglich neue Elementarteilchen und neue Wechselwirkungen entdeckt werden. Wir wissen, dass das Standardmodell der Teilchenphysik noch keine endgültigen Antworten über den Aufbau der Materie liefert. Wir hoffen, mit dem FCC Antworten zu bekommen, die über das Standardmodell, unsere derzeitige Elementarteilchentheorie, hinausweisen.

Vor einigen Tagen gab es in Genf ein Kick-off-Meeting zum neuen Beschleuniger-Projekt. Welche Fragen wurden dort diskutiert? Mit welchem Ergebnis?

Nun, das Treffen markierte den Start zu einer Konzeptstudie. Diese soll zeigen, ob ein neuer Teilchenbeschleuniger machbar ist und welche Anforderungen für ihn gelten müssen, damit er einen maximalen physikalischen Erkenntnisgewinn bringt. Eine wichtige technische Frage betrifft beispielsweise die Weiterentwicklung der supraleitenden Magnete. Diese Magnete, die die Teilchen im Ringbeschleuniger auf ihrer Bahn halten, müssen deutlich leistungsfähiger werden, wenn der FCC realisiert werden soll.

Dass ein solcher Beschleuniger Milliarden verschlingen würde, ist absehbar. Mit welchen Argumenten wollen Sie der Öffentlichkeit plausibel machen, dass die Physiker ein so teures Experiment brauchen?

Natürlich wird der FCC nicht ganz billig werden. Ein Blick in die Vergangenheit zeigt, dass Teilchenbeschleuniger aber eine gute Investition sind. Zum einen ermöglichen sie spektakuläre physikalische Erkenntnisse und schaffen so die Basis, dass die Grundlagenforschung vom Fleck kommt. Solche Beschleuniger sind aber auch wichtig für neue technologische Entwicklungen. Auch aus diesem Projekt – das ist heute schon absehbar – werden etliche Spin-offs hervorgehen, die technologische Neuerungen kommerzialisieren und so auch für einen kurzfristigen, wirtschaftlichen Nutzen sorgen werden.

Sie sind nicht Experimentalphysiker, sondern theoretischer Physiker. Was fasziniert Sie persönlich am FCC-Projekt?

Der FCC würde die experimentellen Daten liefern, damit wir Theoretiker verbesserte Theorien über die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte entwickeln können. Hinzu kommen die bisher ungelösten Fragen, was dunkle Materie ist oder warum die gemäss dem Standardmodell masselosen Neutrinos trotzdem eine Masse haben. Auch möchten wir die Gravitationskraft in unsere Modelle mit einbeziehen, was bisher im Standardmodell noch nicht realisiert ist. Zudem stehen wird bei der Erforschung des Higgs-Teilchens erst am Anfang.

Die Physik an der Universität Basel hat als ersten Schwerpunkt die Nano- und Quantenphysik, eine Fachrichtung, auf der auch grosse Hoffnungen für kommerzielle Anwendungen ruhen. Einen zweiten Schwerpunkt bilden Kosmologie und Teilchenphysik. Welche Disziplin wird die Welt in den nächsten 25 Jahren mehr verändern – die Teilchenphysik oder die Nano-/Quantenphysik?

Beide Bereiche befinden sich zurzeit in einer rasanten Entwicklung und werden meiner Einschätzung nach wichtige Auswirkungen für die Zukunft haben. Die Nano- und Quantenphysik ist sehr viel näher an der kommerziellen Anwendung, und wird sicher grosse Veränderungen bewirken. Die Teilchenphysik legt in dieser Zeit möglicherweise die Grundlage für die nächste technologische Revolution. Bis zur Anwendung dauert es dann allerdings vermutlich länger als 25 Jahre. Aber auch schon in den nächsten Jahren könnten neue Erkenntnisse, zum Beispiel durch weitere Entdeckungen am LHC, das physikalische Weltbild entscheidend verändern.

Welches sind die zentralen Beiträge, die Schweizer Physiker an den FCC leisten werden?

Viele Schweizer Gruppen machen experimentelle und theoretische Arbeiten, die mit dem FCC in Beziehung stehen. Am Kick-off-Meeting waren denn auch viele Physiker von Schweizer Instituten dabei. Um Ihre Frage im Detail zu beantworten, ist es aber noch zu früh.

Sollten keine neuen Gross-Beschleuniger gebaut werden – ist die Teilchenphysik dann am Ende?

Zwar gibt es auch andere Experimente, mit denen die Physik wichtige neue Erkenntnisse gewinnen kann. Für die Zukunft der Teilchenphysik ist es aber unerlässlich, dass wir Experimente mit sehr hohen Energien durchführen können. Ich kann mir nicht vorstellen, dass der LHC der letzte Grossbeschleuniger war, der gebaut wurde.


Das Interview führte Dr. Benedikt Vogel für die Website www.teilchenphysik.ch, wo es zuerst veröffentlicht wurde; es wurde hier leicht gekürzt.

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