„Der Future Circular Collider ist der beste Ansatz“
Interview mit Marumi Kado über die Zukunft der Teilchenphysik und den Ursprung von allem
Für viele Menschen ist die Teilchenphysik ungreifbar und abstrakt. Das wohl bekannteste Teilchen ist das Higgs-Teilchen, das umgangssprachlich auch als Gottesteilchen bezeichnet wird. Es wurde im Jahr 2012 von Forschenden am Large Hadron Collider des Cern aus seinem Versteck gelockt. Was ist seitdem geschehen? Marumi Kado erklärt, worum es in der Teilchenphysik geht, wo sie heute steht und welche großen Fragen auf der Mission, die Welt und ihre Bausteine zu verstehen, noch unbeantwortet sind. Kann eine noch größere ringförmige Maschine mit 100 Kilometern Umfang des Rätsels Lösung näherkommen?
Interview: Tobias Beuchert
Herr Kado, die Menschen haben in ihrem Alltag wenig mit Teilchenphysik zu tun. Warum sollten sie sich dafür interessieren?
Die moderne Physik hat alles verändert. Wir haben begonnen, das Universum als Ganzes zu verstehen und wie das Große mit dem Kleinen zusammenhängt. Aber sollte das die Menschen interessieren? Sollten sie mehr darüber wissen? Das ist eine philosophische Frage, die weit über meine Kompetenz hinausgeht. Ich habe keine gute Antwort darauf! Und es gibt derzeit sicher auch andere Themen, die den Alltag der Menschen viel stärker beeinflussen als die Teilchenphysik.
Aber ist es nicht so, dass sich die Öffentlichkeit bereits dafür interessiert? Als wir das Higgs-Teilchen entdeckt haben, bin ich zur Pressekonferenz nach Melbourne gereist. Dieses „Gottesteilchen” war in allen Nachrichten. Alle haben darüber gesprochen, sogar der Grenzbeamte am Flughafen hat mich danach gefragt. Jedes Mal, wenn ich öffentliche Vorträge halte, spüre ich große Begeisterung im Publikum.
Und gerade weil die Dinge so faszinierend sind, haben die Menschen ja auch Fragen. Teilchenphysik kann schwer verständlich und abstrakt wirken. Ich bin froh, dass wir bei der Max-Planck-Gesellschaft Wissenschaftskommunikatorinnen und -kommunikatoren haben, deren Job und Expertise es ist, zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit zu vermitteln. Und es ist unsere Aufgabe als Wissenschaftler, Menschen an großartigen wissenschaftlichen Errungenschaften teilhaben zu lassen.
Um was geht es in Ihrer Arbeit und was ist der aktuelle Stand in der Teilchenphysik?
Wir wissen bereits ziemlich viel. Wir alle bestehen aus Atomen, Atome bestehen aus Elektronen und Atomkernen. In den Kernen tummeln sich Protonen und Neutronen, die wiederum aus Quarks und Gluonen bestehen. Um die Natur auf diesen kleinsten Skalen zu untersuchen, muss man viel Energie konzentrieren und Materie in ihre Bestandteile zerlegen.
Wir wollen dahin, wo das Universum kurz nach dem Urknall war: Da war es extrem heiß, energiegeladen und das Universum bestand nur aus Teilchen. Auf der Erde beschleunigen wir Protonen in einer 27 Kilometer langen Ringröhre und lassen sie im Large Hadron Collider (LHC) am Cern, der Europäischen Organisation für Kernforschung, aus zwei genau entgegengesetzten Richtungen aufeinanderprallen. Die Bewegungsenergie eines einzigen Protonenstrahls ist vergleichbar mit der eines ICEs, der mit etwa 150 Stundenkilometern fährt. Die Strahlen bestehen jeweils aus 3000 Protonenbündeln und jedes Bündel enthält 100 Milliarden Protonen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander zu bewegen. Wenn dieser Protonenzug im LHC außer Kontrolle geriete, wäre das eine Katastrophe.
Auf diese Weise erreichen wir also Kollisionsenergien von fast 14 Teraelektronenvolt. Bei diesen Energien kollidieren nicht etwa nur die Atomkerne, sondern die Bausteine der Protonen: Quarks und Gluonen. Und das führt zu einer Explosion aller Arten von Teilchen in alle Richtungen, einige Teilchen entstehen nur in diesem Moment und existieren nur bei diesen hohen Energien.
Ich vermute, die meisten Menschen haben zumindest von einem sehr berühmten Teilchen gehört.
Das Higgs-Teilchen! Diese Entdeckung ist aus vielen Gründen herausragend. Aber wir haben im LHC fast hundert weitere neue Teilchen entdeckt, wie Thetaquarks, Pentaquarks und andere exotische Teilchen, die alle äußerst wichtig sind, um die fundamentalen Kräfte der Natur zu verstehen. Im Gegensatz zum Higgs haben all diese Teilchen haben aber keine Schlagzeilen gemacht. Es klingt vielleicht verwirrend, aber in der Teilchenphysik geht nicht nur um die Entdeckung neuer Teilchen. Es geht viel tiefer!
Okay, das müssen Sie genauer erklären.
Teilchen sind nur die Spitze des Eisbergs. Sie sind zwar extrem wichtig, denn durch sie studieren wir die grundlegenden Paradigmen hinter den physikalischen Gesetzen. Was uns aber auch interessiert, sind die sogenannten Felder, aus denen Teilchen entspringen. Stellen Sie sich die Wasseroberfläche eines Sees vor. Es ist, als würde man in die ruhige Oberfläche eines Sees einschlagen – die spritzenden Wassertropfen sind wie die Higgs-Teilchen, Anregungen des Higgs-Feldes. Und erst, als wir das Higgs-Teilchen entdeckt haben, haben wir so auch einen Beweis für das Higgs-Feld gefunden. Diese Felder und ihre Eigenschaften sind sozusagen der unsichtbare Teil des Eisbergs. Ein Feld, das viele kennen, ist das elektromagnetische Feld und die zugehörigen Teilchen heißen Photonen, also Licht.
Higgs-Boson - kurz erklärt
Wie hängt das mit dem Higgs-Teilchen zusammen? Was ist daran überhaupt so besonders?
Das Higgs-Feld ist immer und überall vorhanden, aber das Higgs-Teilchen kann man nur bei sehr hohen Energien im LHC finden. Das Higgs-Feld unterscheidet sich von anderen bekannten fundamentalen Feldern: Wenn es mit anderen Teilchen in Wechselwirkung tritt, verleiht es ihnen ihre Masse. Und da es vermutlich das gesamte Universum durchdringt, verbindet es die größten bekannten Entfernungsskalen, etwa 100 Milliarden Lichtjahre, mit den kleinsten Skalen bis auf 10-19 Metern.
Letztendlich wurde der LHC, ein 175 Meter unter der Erde liegender Beschleuniger-Ring im Wert von mehreren Milliarden Euro, gebaut, um nach dem Higgs-Teilchen zu suchen, richtig?
Ja, und noch viel mehr. Das Higgs war eine wichtige und, man könnte sagen, erwartete Entdeckung. Aber natürlich weiß man es erst sicher, wenn man es sieht. Damals, als der LHC noch nicht genehmigt war, war ein schlagfertiges Argument für den LHC das sogenannte „No-Lose-Theorem”, also: Entweder finden wir das Higgs-Teilchen und damit neue Physik, oder wir finden was anderes. Dieses „Theorem” basierte auf soliden Argumenten. Und dass das Higgs-Teilchen überhaupt vorhergesagt werden konnte, demonstriert die Stärke der Theorie hinter dem Teilchenzoo, dem sogenannten Standardmodell. Aber wir mussten uns natürlich zuerst in einen völlig unerforschten Energiebereich begeben, von dem wir nicht wussten, was die Natur dort wirklich zu bieten hat.
„Nichts anderes gesehen zu haben“, obwohl wir systematisch nach möglichen Abweichungen vom Standardmodell der Teilchenphysik gesucht haben, hat zu einem Paradigmenwechsel geführt.
Das Standardmodell ist das Modell, das derzeit die Teilchennatur der Materie und die fundamentalen Kräfte am besten beschreibt – mit Ausnahme der Schwerkraft, die durch die allgemeine Relativitätstheorie erklärt wird.
Was sind denn die größten offenen und bisher ungelösten Fragen?
Wenn ich mich umschaue, sehe ich einen Tisch, Bäume, die Wände! Sie bestehen aus Molekülen, die sich aus Atomen zusammensetzen. Die verschiedenen Atome unterscheiden sich nur durch die Anzahl der Elektronen, Protonen und Neutronen in ihren Kernen. Aber jedes Atom besteht aus genau denselben Bestandteilen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Alles scheint aus nur einer kleinen Anzahl identischer Teilchen zu bestehen! Das nennen wir Reduktionismus. Und die große ungelöste Frage ist, warum die Dinge auf immer kleineren Skalen immer einfacher werden. Warum? Wird die Natur diesem Trend folgen, auch wenn wir zu noch höheren Energien und kleineren Entfernungsskalen vordringen werden, die wir mit dem LHC noch nicht untersuchen konnten? Oder wird sich die Natur im Gegensatz dazu komplexer verhalten?
Und es gibt noch andere drängende Rätsel in der Physik: Warum sind die Masse des Higgs-Teilchens oder die kosmologische Konstante, das ist ein Parameter in Einsteins Gleichungen, der die Ausdehnung des Universums erklärt, so viel kleiner als erwartet? Die kosmologische Konstante wäre natürlicherweise bis zu 120 Größenordnungen (10120 oder eine Eins mit 120 Nullen) größer als beobachtet. Was ist überhaupt die Natur des Higgs-Feldes? Was ist dunkle Materie?
Genau, was ist dunkle Materie?
Niemand weiß es. Ist es ein fundamentales Feld, wie das Higgs-Feld, mit einem zugehörigen Teilchen? Am LHC suchen wir nach so einem Teilchen, bisher ohne Erfolg. Aber vielleicht ist die Masse des Teilchens schlicht zu groß, als dass der LHC sie messen könnte. Kolleginnen und Kollegen hier am Max-Planck-Institut für Physik arbeiten auch an anderen Erklärungen, wie zum Beispiel primordialen schwarzen Löchern, einer großen Anzahl leichter schwarzer Löcher, die im Weltraum verteilt sind. Um das Rätsel der dunklen Materie zu lösen, sind sehr vielfältige Experimente erforderlich, die weit über einen Teilchenbeschleuniger hinausgehen.
Was noch?
Eine weitere ungelöste Frage ist, warum der Anteil der Materie den der Antimaterie im frühen Universum nur ein kleines bisschen überstieg. Ohne diese Abweichung wären wir heute nicht hier.
Das erklärt, warum unsere Welt aus Materie besteht, ohne dass es Anzeichen für Regionen mit Antimaterie im Universum gibt.
Ja: Im frühen Universum existierten Teilchen und Antiteilchen in fast identischen Mengen. Zu unserem Glück gab es nur ein Milliardstel mehr Materie als Antimaterie. Als sich Materie und Antimaterie kurz nach dem Urknall dann gegenseitig vernichteten, blieb nur ein bisschen Materie übrig – genug, um das zu erschaffen, was wir heute um uns herum sehen. Wir wissen nicht, warum das so ablief. Das Higgs-Teilchen könnte bei der Erklärung eine Rolle spielen.
Und dann gibt es noch die offene Frage, die Suche nach der „Theorie von Allem”, richtig?
In der Tat. Wie lässt sich die Schwerkraft auf mikroskopischer Quantenebene beschreiben, wie lassen sich die fundamentalen Kräfte, die im Standardmodell enthalten sind, mit der Theorie der Schwerkraft vereinbaren? Um einen prominenten Theoretiker zu paraphrasieren: „Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens haben wir zum ersten Mal in der Geschichte eine Theorie, die sich auf exponentiell hohe Energien extrapolieren lässt”. In gewisser Weise sind wir damit einer vollständigen Theorie so nahe wie nie zuvor. Wir wissen aber auch, dass dies bei viel größeren Energieskalen, bei denen die Schwerkraft viel stärker wird, nicht die ganze Erklärung sein kann.
Kann der Large Hadron Collider noch Antworten auf diese offenen Fragen liefern?
Auf jeden Fall! Da wir nun fast die höchstmögliche Kollisionsenergie erreicht haben, ist es sehr unwahrscheinlich, dass wir noch etwas ganz Neues finden. Aber es gibt noch Raum für Entdeckungen, die Zeit und viel mehr Daten erfordern. Bei der Kollision von Protonen geht es nicht nur um die Energie der Kollision, sondern auch um Statistik, also wie viele Protonen miteinander zusammenstoßen. Mit mehr Kollisionen und damit mehr Daten können wir die Genauigkeit bisheriger Messungen von den bekannten Teilchen innerhalb des Standardmodells verbessern. Dazu werden wir den LHC in den kommenden Jahren aufrüsten. Und das wird auch dabei helfen, die großen Fragen von eben zu bearbeiten.
Sind Sie an dieser Aufrüstung beteiligt?
Das hat in meiner Abteilung am Max-Planck-Institut für Physik mit Abstand höchste Priorität. Der Atlas-Detektor am LHC ist so groß wie mehrere Gebäude und umschließt den Bereich, in dem Protonen kollidieren. Er ist zwiebelartig aufgebaut, jede Schicht des Detektors ist empfindlich für bestimmte Arten von Teilchen, die bei Kollisionen entstehen. Wir arbeiten an fast allen Schichten des Detektors. Außerdem arbeiten wir an der Datenerfassung und -analyse. Und KI-Algorithmen helfen uns, solche Teilchen zu rekonstruieren und zu identifizieren.
Wie viel bringt KI in der Teilchenphysik wirklich?
Klar, KI ist sehr in Mode. Ich nutze KI häufig in meiner Forschung, aber ich muss dazusagen, dass noch nie etwas ganz Neues entdeckt wurde, nur weil KI im Einsatz war. Das könnte in Zukunft vielleicht der Fall sein. Aber bisher besteht eine unserer Sicherheitsvorkehrungen darin, KI nur in kontrollierten Umgebungen einzusetzen, da, wo wir wissen, was passiert. Zum Beispiel, um die Analyse von Daten zu beschleunigen.
Was kommt nach dem Large Hadron Collider?
Erstmal haben wir ja immer noch den LHC, und ich bin wirklich beeindruckt davon, was diese Maschine leistet. Es ist unsere Pflicht, so viel wie möglich aus ihr rauszuholen. Um entscheidende Fortschritte bei den oben genannten Forschungsfragen zu erzielen, müssen wir aber wahrscheinlich Teilchen bei höheren Energien kollidieren lassen und so alle möglichen Felder anregen, die da draußen existieren könnten und die wir noch nicht kennen.
Der Future Circular Collider (FCC) ist derzeit der beste Ansatz. Er würde 100 Teraelektronenvolt erreichen, eine Energie, die siebenmal höher ist als die des LHC. Anstelle von 27 Kilometern hätte der FCC-Collider-Ring einen Umfang von fast 100 Kilometern, bei dem er gleichzeitig die Teilchenstrahlen stabil und bei höchster Präzision halten muss. Das ist eine große Herausforderung! Aber eine Studie vom Oktober 2025 hat gezeigt: Dieses Vorhaben ist technisch machbar.
Könnte es eine Revolution geben, genau wie beim LHC?
Tatsächlich ist es extrem schwierig, so ein Teilchen vorherzusagen. Aber es könnte trotzdem eine Revolution geben, etwa, wenn etwas völlig Neues und Unerwartetes gefunden werden sollte. Etwas, das uns zeigen würde, welche Teile noch fehlen, um die noch bestehenden Rätsel zu lösen. Die präziseren Messungen des FCC könnten also Abweichungen vom Standardmodell der Teilchenphysik aufdecken. Vielleicht finden wir sogar etwas, das bereits vorhergesagt wurde, wie beispielsweise Teilchen, die die Supersymmetrie vorhersagt, das ist eine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik, die auch die dunkle Materie erklären könnte.
Was, wenn nichts Neues gefunden wird?
Was wäre, wenn Magellan die Passage nicht gefunden hätte? Wir würden wissen, dass es bis zu bestimmten Breitengraden keine Passage gibt. Vielleicht entdecken wir bei höheren Energien nur eine Wüste, was ebenfalls äußerst wertvoll wäre und die Notwendigkeit eines Paradigmenwechsels bestätigen würde. Magellan und die Geschichte lehren uns sicherlich, dass große Entdeckungen nicht nur durch Zufall geschehen, sondern auch Ausdauer erfordern.
Der Future Circular Collider lohnt sich also auch ohne eine kristallklare Vorhersage, wie es beim Higgs am LHC der Fall war?
Natürlich! Das Streben nach einem großen wissenschaftlichen Ziel lohnt sich zweifellos sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus philosophischer Sicht. Und es wäre auch ein großer Gewinn für die Gesellschaft, das hat der LHC auch bewiesen durch seine vielen anderen Benefits für die Gesellschaft.
Beispielsweise wurde das Internet, also das world wide web, erst im Jahr 1989 am Cern erfunden. Die ursprüngliche Idee war es, automatisiert Informationen unter Forschenden weltweit auszutauschen.
Wir sollten uns auch nicht vor den Zeitplänen fürchten, denn der LHC einschließlich des großen Elektron-Positron-Colliders ist ein Programm, das 70 Jahre gedauert hat vom ersten Plan bis zur Realisierung. Der FCC würde sicher genauso lange dauern. Natürlich würden viele von uns die Ergebnisse des FCC nicht mehr miterleben. Aber ich bin unglaublich dankbar, dass andere sich dafür eingesetzt haben, den LHC zu verwirklichen, und ich hoffe, dass die nachfolgenden Generationen eine Maschine haben werden, mit der sie arbeiten können.
Das Hauptproblem ist die Finanzierung, denn diese Maschine ist natürlich teuer. Aber wir haben in Europa einen Trumpf: das Cern. Die zwischenstaatliche Organisation ist extrem gut organisiert und weltweit führend auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Es ermöglicht Kooperationen zwischen Staaten und sichert die Finanzierung für solche Großprojekte.
Befürchten Sie, dass der FCC nicht realisiert werden kann?
Ich bin besorgt, bleibe aber optimistisch. Nichts ist garantiert, und der finanzielle Aufwand ist beträchtlich. Allerdings hat sich die derzeitige Cern-Leitung sehr für geeignete Finanzierungsmodelle eingesetzt. Ein solch beeindruckendes Vorzeigeprojekt würde Europas Führungsrolle in der Teilchenphysik sichern.
Letztendlich ist Wissenschaft immer auch politisch ...
Ja, alles, was für die Menschheit von Bedeutung ist, ist politisch. Politiker haben die unglaublich schwierige Aufgabe, zu entscheiden, worin das Interesse der Gesellschaft in Zukunft liegen soll, während es zweifellos auch andere drängende Themen gibt. Es liegt nicht an mir, darüber zu entscheiden. Wenn ich die Wahl hätte, würde ich jede Forschungsinfrastruktur dieser Art unterstützen.
Marumi Kado ist Direktor am Max-Planck-Institut für Physik
