Physik & Mehr
Weltmaschine LHC vor dem Start

Vielleicht ist die Natur viel komplexer

© Cern, F.A.Z.

Herr Jakobs, zwei Jahre lang werden Sie das Altas-Experiment leiten, an dem etwa 3000 Forscher von 182 Instituten aus 38 Ländern beteiligt sind. Der LHC war bis vor kurzem in der üblichen Winterpause, der Atlas-Detektor hat also noch keine Daten aufgenommen. War das ein guter Zeitpunkt für einen Start als Sprecher?

Dieser kurze Stopp findet jeden Winter statt. Er ist jetzt einige Wochen länger gewesen, weil am zweiten großen Experiment am LHC, dem CMS-Detektor, ein neuer Bestandteil eingebaut wird. Atlas hat einen ähnlichen Ausbau schon vor drei Jahren durchgeführt. Davon abgesehen sind wir mitten in der Datennahmeperiode, die 2015 begonnen hat. Ende Mai wollen wir wieder mit unseren Experimenten starten.

Für die Datenanalyse werden fortlaufend neue Daten benötigt, die der Atlas-Detektor bei den Kollisionen aufzeichnet. Wie ist die Planung für Ihre Amtszeit?

Wir haben 2015 und 2016 bereits eine große Datenmenge aufgezeichnet, nämlich Daten entsprechend 40 inversen Femtobarn (Anm. d. red.: Barn ist die Einheit für den Wirkungsquerschnitt und ein Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion, ein Femtobarn entspricht 10⁻⁴⊃3; m⊃2;). Während der kommenden beiden Jahre wollen wir diese Datenmenge mindestens verdreifachen, so dass wir auf 120 bis 150 inverse Femtobarn kommen. Das bedeutet, dass die interessanten Physikprozesse viel häufiger in unseren Datensätzen vorkommen werden. Dann können wir Wechselwirkungsprozesse mit viel besserer Präzision vermessen, zum Beispiel auch beim Higgs-Teilchen.

Der neue Sprecher des Atlas-Kollaboration vor dem Modell des Detektors
© Cern, F.A.Z.

Mit dem Higgs-Teilchen wurde 2012 eine ganz neue Spezies entdeckt. Ist das so, als würden Biologen auf Madagaskar eine neue Affenart finden und müssten nun deren Lebensweise untersuchen?

Im Prinzip schon. Wir wissen, dass das Higgs-Boson zu einer neuen Klasse von Teilchen gehört, denn es ist das erste vermutlich elementare Teilchen mit Spin 0. Die Eigenschaften, die wir gemessen haben, wie die Stärke der Wechselwirkung mit anderen bekannten Teilchen, folgen bislang genau den Vorhersagen des Brout-Englert-Higgs-Mechanismus. Allerdings muss man bedenken: Jede Messung in der Physik hat einen Messfehler, also eine Genauigkeit, mit der man die Parameter messen kann. Wir wollen in den kommenden Jahren die Präzision erhöhen und herausfinden, ob die Eigenschaften des Higgs-Teilchens dann immer noch mit denen übereinstimmen, die in der Standard-Theorie vorhergesagt werden.

Gibt es bereits Hinweise auf Inkonsistenzen, etwa ob das Higgs-Teilchen elementar oder zusammengesetzt ist?

Hinweise auf Abweichungen gibt es noch nicht. Aber wie immer in der Physik muss man sagen: Im Rahmen der jetzigen Messgenauigkeit, die für viele Parameter nur etwa 15 bis 20 Prozent beträgt. Wir werden diese Präzision im Lauf der kommenden fünf bis zehn Jahre sehr stark verbessern, so dass man dann in die Nähe von vielleicht fünf Prozent kommt. Dann werden wir sehen, ob die Eigenschaften immer noch übereinstimmen. Es gibt durchaus Theorien, die vorhersagen, dass man da Abweichungen messen könnte.

Teilchenflut nach Proton-Proton-Kollisionen im Zentrum des Atlas-Detektors
© Cern, F.A.Z.

Neben der präzisen Vermessung des Higgs-Teilchens steht die Suche nach neuer Physik auf der Agenda. Warum gibt es noch keine Hinweise in diese Richtung?

Das liegt keinesfalls daran, dass die Detektoren zu schwach sind. Die Detektoren funktionieren hervorragend, und die Datennahme ist sehr erfolgreich. Es liegt dann eher an der Natur, dass diese Teilchen auf der Massenskala, die wir bis jetzt erforschen konnten, nicht da sind. Deshalb wollen wir die Datenmenge erhöhen und die Analysen erweitern, sodass sowohl höhere Massen als auch mögliche komplexere Szenarien zugänglich werden.

Was sind die nächsten Schritte?

Bis Ende 2018 läuft der LHC mit einer Schwerpunktenergie von 13 TeV. Dann folgt eine Pause von zwei Jahren, in der die Detektoren verbessert werden. Anschließend werden wir von 2021 bis 2023 eine weitere Messperiode haben bei einer Energie von 14 TeV. So werden wir den untersuchten Massenbereich weiter ausdehnen. Und eine andere Sache, die man auch nicht vergessen sollte: Wir haben bis jetzt relativ einfache Szenarien ausgeschlossen. Es kann durchaus sein, dass die Natur viel komplexer ist, dass zum Beispiel Supersymmetrie (Anm. d. Red. Susy)viel komplexer realisiert ist, so dass wir in den Analysen dafür bislang noch keine Sensitivität haben.

Die Atlas-Physiker hoffen, in den Datenmengen Hinweise auf Susy zu finden. Warum gestaltet sich die Suche nach Anzeichen für supersymmetrische Teilchen so schwierig?

Zunächst einmal: Susy ist eine sehr attraktive Theorie. Sie würde zum Beispiel eine Möglichkeit liefern, die dunkle Materie zu erklären, da sie mit dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen einen Kandidaten für die dunkle Materie enthält. Allerdings wird der Massenbereich dieser Teilchen nicht vorhergesagt. Eine wichtige Aufgabe der Experimente am LHC ist es, den zugänglichen Massenbereich komplett zu erforschen und nach Abweichungen von den Vorhersagen der Standard-Theorie zu suchen. Es ist nach wie vor sehr spannend am LHC: Durch die hohe Energie – momentan 13 TeV – und die enorme Datenmenge werden neue Massenbereiche zugänglich und es können zahlreiche Szenarien für Physik jenseits der Standard-Theorie, wie Supersymmetrie, Suche nach neuen schweren Teilchen oder nach zusätzlichen Raumdimensionen, erstmals erforscht werden. Auch wenn keine neuen Teilchen gefunden werden sollten, stellt dies einen enormen Erkenntnisgewinn dar!

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Bei der Higgs-Suche war das anders?

Das ist ein fundamentaler Unterschied zu der Situation vor fünf Jahren. Eine wichtige Motivation für den Bau des LHC war die Klärung der Frage, ob das Higgs-Teilchen existiert. Da hatten die Theoretiker vorher einen sehr präzisen Steckbrief geschrieben. Bei der Supersymmetrie ist das anders. Denn man hat keine Vorhersage über den Massenbereich, in dem diese Teilchen auftauchen können. Die Theorie lässt viele Möglichkeiten zu. Der Parameterraum, in dem man suchen muss, ist sehr groß. Wenn die Masse in dem Energiefenster vom LHC liegt, dann lassen sich die Teilchen produzieren. Vielleicht ist die Produktionsrate sehr klein oder die Zerfallskette sehr komplex, so dass wir bis jetzt noch keinen Nachweis haben. Oder sie sind so schwer, dass wir sie jetzt noch nicht produziert haben.

Wie sieht das weitere Forschungsprogramm am LHC aus? Gibt es Umbauten am Atlas-Detektor?

Der LHC wird bis etwa 2035 laufen. Bis dahin wollen wir Daten entsprechend 3000 inversen Femtobarn sammeln, also nochmal einen Faktor 25 mehr als das, was wir in den kommenden beiden Jahren aufzeichnen werden. Und dafür braucht man verbesserte Detektorkomponenten. Bei einer Kreuzung der Protonenpakete haben wir schon jetzt im Schnitt 40 überlagerte Ereignisse. Diese sogenannte pile-up Zahl wird bis auf 200 steigen – dann braucht man klarerweise verbesserte Detektoren. Deshalb werden wir bei Atlas, und auch die Kollegen von CMS, in den Jahren 2019/20 und 2024/25 verbesserte Komponenten einbauen, zum Beispiel neue Detektoren, die die Bahnen geladener Teilchen in der Nähe des Wechselwirkungspunktes vermessen .

Karl Jakobs vor dem „echten“ Atlas-Detektor
© dpa, F.A.Z.

Sie sind von Beginn an Mitglied in der Atlas-Kollaboration und waren sogar daran beteiligt, als der Detektor 1992 seinen Namen erhielt. Wie kam es dazu?

Es gab einen Wettbewerb zur Namensfindung. Als Postdoc saß ich gemeinsam mit zwei Kollegen vom Max-Planck-Institut für Physik in München in der Cafeteria am Cern, wo schon viele gute Ideen geboren wurden. Uns war klar, dass der Name mit A anfangen sollte, damit man gute Chancen hat, bei einer Konferenz als Erster reden zu dürfen – das geht nämlich oft nach dem Alphabet. Außerdem sollte der Name mit der griechischen Sagenwelt etwas zu tun haben. So sind wird auf Atlas gekommen, als Bezeichnung für „A Toroidal LHC Apparatus“.

Was passiert nach 2035? Zurzeit werden ja zwei Folgeprojekte diskutiert, der FCC mit 100 Kilometern Umfang und der Linearkollider ILC. Welche Chancen haben die beiden, wenn der LHC das Ende seiner Betriebszeit erreicht hat?

Der Strategieprozess auf europäischer Ebene ist bereits angelaufen. In vier oder fünf Jahren wird man entscheiden, was man als Nachfolgeprojekt anvisiert. Welche der beiden Möglichkeiten verfolgt wird, hängt auch davon ab, wie die Ergebnisse vom LHC dann aussehen.

Mit einem Linearkollider kann man in die Präzisionsrichtung gehen und die Eigenschaften des Higgs-Teilchens noch präziser messen, als das am LHC der Fall ist. Da könnte man auf das Prozentniveau kommen und dann über Abweichungen neue Physik direkt über die Präzision sehen. Denn der ILC arbeitet mit Elektronen. Damit hat man einen sehr sauberen Anfangszustand. Für den ILC sind die Konzepte für Detektoren schon relativ weit fortgeschritten, da ist schon viel Vorarbeit geleistet worden, auch in Deutschland. Die zweite Option ist, dass man den Energiebereich für die Suche nach neuen Teilchen und neuen Phänomenen noch stärker ausweitet. Dafür wäre der 100 Kilometer lange FCC-Ring gut geeignet, der genau wie der LHC mit Hadronen arbeiten soll. Beim Bau der Detektoren für diesen Ring könnte man zurückgreifen auf die Erfahrungen, die wir jetzt bei Atlas und CMS gemacht haben.

Das Gespräch führte Uta Bilow

Quelle: F.A.Z.
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