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Big Science

• In der Großforschung geht es um die Grundbausteine der Materie, um die Anfänge des Universums, aber auch um die Erschließung neuer Energiequellen.
• Dafür müssen finanzielle und personelle Ressourcen auf internationaler Ebene gebündelt werden.
• Planung, Bau und Betrieb von derlei Großprojekten nehmen oft Jahrzehnte in Anspruch.

Apparaturen, die auf einen Tisch passen, prägten bis vor wenigen Jahrzehnten das Bild der Laborforschung. Doch mittlerweile erfordert die Untersuchung der grundlegenden Rätsel der Natur immer aufwändigere Versuchsanordnungen. Manche übersteigen die Möglichkeiten einzelner Institute oder sogar Länder – sie lassen sich nur verwirklichen, wenn mehrere Staaten jahrelang gemeinsam daran arbeiten. Die hier beschriebenen Projekte aus der Physik verdeutlichen die heutige Dimensionen der Großforschung.

Im Jahr 2008, nach 15 Jahren Bauzeit, nahm das Europäische Teilchenforschungs­zentrum CERN nahe Genf die größte Forschungsanlage der Welt in Betrieb – den Large Hadron Collider (LHC)1. Tausende von Technikern und Wissenschaftlern installierten den über drei Milliarden Euro teuren Teilchenbeschleuniger in einem ringförmigen Tunnel mit 27 Kilometer Umfang in rund 100 Meter Tiefe.

Blick in den ATLAS-Detektor (a toroidal LHC apparatuS) rund zwei Jahre vor seinem Einbau. Die Personen unten links im Bild (Pfeil) illustrieren die Dimensionen von ATLAS. Bild vergrößern
Blick in den ATLAS-Detektor (a toroidal LHC apparatuS) rund zwei Jahre vor seinem Einbau. Die Personen unten links im Bild (Pfeil) illustrieren die Dimensionen von ATLAS. [weniger]

Vor allem Protonen, also Bausteine des Atomkerns, sollen hier auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, so dass schließlich je zwei Partikelbündel in entgegengesetzter Richtung durch den Tunnel rasen. Wenn sie miteinander kol­lidieren – etwa 40 Millionen Mal pro Sekunde –, entsteht eine Art Feuerwerk im Mikrokosmos. Die Forscher beobachten dabei mittels haushoher Detektoren unzählige neue Teilchen, von denen viele gleich wieder in andere Partikel zerfallen. Da sich dies fortsetzt, entstehen ganze ­Teilchenschauer. Bei den Kollisionen ­treten so hohe Energiedichten auf, wie sie 0,000 000 000 000 000 000 1 Sekunden nach dem Urknall herrschten! Die Forscher hoffen, auf diese Weise auf neue Elementarteilchen und neue fundamentale Naturgesetze zu stoßen.

Der LHC stellt die Ingenieure vor rie­sige Herausforderungen: Unter anderem müssen sie Tausende von metergroßen Hochleistungsmagneten aus supraleitendem Material auf minus 271 Grad Celsius kühlen – die gleiche Temperatur wie in den dunkelsten Zonen des Weltalls. Ende 2009 registrierten die vier gigantischen Detektoren erste Daten – und läuteten damit eine neue Ära der Teilchenphysik ein. Der größte dieser Detektoren, ATLAS2,3, wiegt mehr als 7000 Tonnen und ist das Gemeinschaftswerk von 2800 Wissenschaftlern aus rund 160 Instituten in 36 Ländern. Er registriert die Flugbahnen und Energien der aus der Kollisionszone herauslaufenden Teilchen und erlaubt so Rückschlüsse auf die Identität der Partikel.

 
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