Was kommt nach dem LHC?

Wie Teilchenphysiker einen Hühnerhaufen bändigen

Von Dirk Eidemüller
29.02.2020
, 15:59
Noch ist der LHC, der große Speicherring des Cern, viele Jahre in Betrieb. Wird der Nachfolger ein Collider für Myonen? Die Aussichten sind gut. Denn jetzt ist klar, wie man die instabilen Teilchen zu einem Strahl bündelt.

Die Teilchenphysik steht vor einem Scheideweg. Sie hat zwar in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten unglaubliche Erfolge gefeiert. Seit dem Nachweis des Higgs-Bosons – als letztes noch ausstehendes Elementarteilchen des Standardmodells – vor nunmehr fast acht Jahren hat es aber keine weiteren bahnbrechenden Entdeckungen auf diesem Gebiet gegeben. Zwar deuten Phänomene wie die Existenz einer mysteriösen Dunklen Materie, die das Universum dominiert, darauf hin, dass es noch mehr Arten von Elementarteilchen geben sollte, als bislang bekannt sind. Aber auch die stärksten Teilchenbeschleuniger konnten bisher nicht den geringsten Hinweis auf solche exotischen Materieformen liefern.

Deshalb wird der Ruf nach leistungsfähigeren Beschleunigeranlagen immer lauter. Nur sind diese kaum noch zu bezahlen. So hat der derzeit stärkste und mit einem Umfang von 27 Kilometern auch größte Teilchenbeschleuniger, der „Large Hadron Collider“ (LHC) am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf, mehr als fünf Milliarden Euro verschlungen. Auch wenn der LHC noch mindestens fünfzehn Jahre in Betrieb sein dürfte, so wünschen sie viele Forscher bereits eine Maschine mit 100 Kilometer Umfang. Diese dürfte dann allerdings mehr als 20 Milliarden Euro kosten. Ein Konzept, das bislang eher in theoretischen Spekulationen aufgetaucht war, könnte eine günstigere Lösung ermöglichen: Ein Teilchenbeschleuniger für Myonen. Diese schweren Verwandten der Elektronen sind zwar instabil, haben aber ansonsten ideale Eigenschaften, um sie als Projektile in der Teilchenphysik nutzen zu können. Allerdings hat es sich als äußerst schwierig erwiesen, gerichtete Strahlen von Myonen zu erzeugen. Nun ist Physikern der internationalen MICE-Kollaboration (Muon Ionization Cooling Experiment) ein entscheidender Schritt auf dem Weg zum Myonen-Beschleuniger gelungen.

Das Beste aus zwei Welten

Die meisten Teilchenbeschleuniger nutzen zur Erzeugung neuer Teilchen Elektronen, Protonen oder Ionen. Diese werden dazu mit Hochfrequenzfeldern beschleunigt und mit starken Magneten auf Kreisbahnen gezwungen, um die für Kollisionsexperimente erforderlichen Energien zu erzeugen. Zwei Faktoren begrenzen allerdings die Energie, die in Speicherringen erreicht werden kann. Bei den leichten Elektronen ist es die sogenannte Synchrotronstrahlung: Ähnlich wie Elektronen in einer Radioantenne Radiowellen aussenden, wenn sie in einem Wechselfeld beschleunigt werden, verlieren auch die Elektronen Energie in Form von energiereicher Strahlung, wenn sie auf Kreisbahnen umlaufen. Und je höher die Energie ist, mit der Elektronen kreisen, desto größer sind die Energieverluste. Diese müssen ständig ersetzt werden. Doch irgendwann sind sie so groß, dass sich Elektronen nicht weiter beschleunigen lassen.

Bei schweren Teilchen wie Protonen spielen solche Verluste keine große Rolle. Dafür benötigt man allerdings starke Magnete, um Wasserstoffkerne auf ihrer Kreisbahn zu halten. Und je höher die Energie, desto stärkere Magnetfelder sind notwendig. Ab einem Punkt stoßen dann selbst die derzeit stärksten supraleitenden Magnete an ihre Grenzen. Hier hätte ein Myonenstrahl Vorteile. Weil die Masse der Myonen nur rund ein Zehntel der Protonenmasse beträgt, bräuchte man keine so starken Magneten, um sie auch bei hohen Energien auf stabilen Bahnen zu halten. Speicherringe für Myonen könnten dadurch kompakter und günstiger gebaut werden.

Zudem sind Myonen anders als Protonen, die aus drei Quarks bestehen, punktförmige Elementarteilchen. Bei Kollisionsexperimenten würden dadurch weniger unerwünschte Nebenprodukte entstehen, was die Analyse der Reaktionsprodukte einfacher gestalten würde. Myonen könnten deshalb das Beste aus beiden Welten vereinigen: saubere Kollisionen und höchste Energien.

Aufgeschreckte Hühner werden zu Sprintern

Dass es bislang keinen Myonen-Beschleuniger gibt, hat zwei Gründe: Zum einen zerfallen Myonen mit einer Halbwertszeit von nur zwei millionstel Sekunden. Man muss sie deshalb sofort nach ihrer Erzeugung auf möglichst hohe Energien beschleunigen und kann sie deshalb nicht so lange in Speicherringen umlaufen lassen wie Elektronen oder Protonen. Beides ist mit heutigen Technologien prinzipiell beherrschbar. Die größere Schwierigkeit bereitet jedoch die Erzeugung eines gerichteten Myonenstrahls.

Man gewinnt Myonen üblicherweise dadurch, dass man einen energiereichen Protonenstrahl auf ein Stück Materie schießt. Infolge von Kernreaktionen werden Pi-Mesonen freigesetzt, die wiederum sehr schnell in Myonen zerfallen. Die Myonen fliegen wie eine Schar aufgeschreckter Hühner in alle möglichen Richtungen davon. Selbst mit starken Magnetfeldern bekommt man die Teilchen nur schwer in eine bestimmte Richtung gelenkt. „Die transversalen Bewegungen sind zu stark, um daraus einen sauber fokussierten Strahl zu formen, mit dem sich experimentieren ließe“, sagt Chris Rogers, physikalischer Koordinator der MICE-Kollaboration. Statt einen Haufen Hühner möchte man lieber eine Gruppe Sprinter, die schnurstracks in eine Richtung laufen. Andere Verfahren, mit denen man normalerweise Teilchenstrahlen ausrichtet, dauern zu lange für die kurzlebigen Myonen.

Wie man Myonen bändigt

Hier setzt die neue Technik der MICE-Kollaboration an, die die Forscher nun am Rutherford Appleton Laboratory unweit des englischen Didcot getestet haben. Wie Rogers und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“ berichten, haben sie Myonen nach der Erzeugung zunächst mit Magneten fokussiert, um sie dann durch ein Medium aus flüssigem Wasserstoff oder Lithiumhydrid fliegen zu lassen. Trafen die negativen Elementarteilchen auf die leichten Atome, schlugen sie Elektronen aus deren Hülle – und gaben durch die Ionisierung einen Teil ihrer Bewegungsenergie ab.

Dabei wurden die Myonen zwar auch in Vorwärtsrichtung etwas langsamer. Dies ließe sich aber durch eine nachfolgende Beschleunigung ausgleichen. Das Entscheidende war, dass sich auch die Bewegung in transversaler Richtung messbar verringert hatte. Die Myonen hatten dadurch vermehrt die Tendenz, sich in Vorwärtsrichtung auszubreiten. Zwar betrug der Effekt nach einer Stufe einer solchen „Ionisierungskühlung“ nur rund zehn Prozent. „Aber wenn wir viele solcher Kühlstufen hintereinander schalten, ließe sich ein gerichteter Myonenstrahl gewinnen, den man in einem großen Teilchenbeschleuniger einspeisen kann“, so Roger.

Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Teilchenphysik. Man könnte Myonen wie Elektronen und Protonen nutzen, um über Kollisionen unbekannte Teilchen zu erzeugen. Oder man verwendet die bei dem Zerfall von Myonen entstehenden Neutrinos für weitere Untersuchungen. Mit einem intensiven Neutrino-Strahl ließen sich seltene Kernreaktionen auslösen, aber auch die flüchtigen Geisterteilchen, die noch immer viele Rätsel bergen, selbst erforschen. Doch bis es einen funktionierenden Myonen-Beschleuniger geben wird, müssen sich die Teilchenphysiker noch gedulden. Der Anfang ist zumindest gemacht.

Quelle: F.A.Z.
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