Handout zum CERN-Besuch vom 10. Oktober 2013 · Handout zum CERN-Besuch vom 10. Oktober 2013 SchweizerischeStudienstiftung EinEinblickindieGeschichteundEntwicklungdesCERN,sowieeinigeGrundlagenzur

Handout zum CERN-Besuchvom 10. Oktober 2013

Schweizerische Studienstiftung

Ein Einblick in die Geschichte und Entwicklung des CERN, sowie einige Grundlagen zurTeilchenphysik und zu Teilchenbeschleunigern

Verfasst von:

Nadine Grädel – [email protected]élène Seiler – [email protected]

Überarbeitet von:

Christian Elsasser – [email protected]

20. August 2013

1 Einleitung 1

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Überblick zur Teilchenphysik 22.1 Grundbegriffe und geschichtlicher Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Elementarkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.4 Der Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5 Hadronen und Leptonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.6 Materie und Antimaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.7 Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.8 Das Standardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.9 Das Higgs-Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.9.1 Versuch einer anschaulichen Erklärung: „Cocktailparty à la Higgs“ . . . . . . 92.10 Probleme des Standardmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.11 Vereinheitlichende Theorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Teilchenbeschleuniger 123.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2 Einige Anwendungsbeispiele von Teilchenbeschleunigern . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 Über den CERN 174.1 Facts zum CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.2 Geschichte und Highlights des CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1 Einleitung

Wir möchten hier eine kurze Übersicht zu den verschiedenen (Elementar-)Teilchen geben, die bisherentdeckt worden sind, und daraufhin auf das so genannte Standardmodell eingehen, welches das ak-tuelle theoretische Modell der Teilchenphysik ist. Des Weiteren werden wir einige Informationen zuTeilchenbeschleunigern und, mit einem geschichtlichen Überblick und einigen Highlights, die wich-tigsten Fakten zum CERN liefern.

2 Überblick zur Teilchenphysik 2

2 Überblick zur Teilchenphysik

Das folgende Kapitel soll einen kurzen Überblick zu einigen fundamentalen Konzepten der Teil-chenphysik geben, sowie einige wichtige Begriffe einführen. Für die Führung am CERN wird wenigVorwissen in Teilchenphysik vorausgesetzt werden. Man kann jedoch noch mehr profitieren, wennman gewisse Begriffe schon einmal gehört hat und sich ein bisschen etwas darunter vorstellen kann.

2.1 Grundbegriffe und geschichtlicher Überblick

Was ist Teilchenphysik überhaupt? Teilchenphysik ist dasjenige Teilgebiet der Physik, welches sichder Erforschung von Teilchen widmet. Unter „Teilchen“ kann man Moleküle, Atome oder Nukleonen(Protonen und Neutronen) verstehen. Heutzutage versteht man unter Teilchenphysik jedoch meistdie Erforschung von so genannten Elementarteilchen. Ein Elementarteilchen kann in keine kleinerenEinheiten unterteilt werden und kann somit als Grundbaustein der Materie verstanden werden.

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1 Einleitung Wir möchten hier eine kurze Übersicht zu den verschiedenen (Elementar-)Teilchen geben, die bisher entdeckt worden sind, und daraufhin auf das so genannte Standardmodell eingehen, welches das aktuelle theoretische Modell der Teilchenphysik ist. Des Weiteren werden wir einige Informationen zu Teilchenbeschleunigern und, mit einem geschichtlichen Überblick und einigen Highlights, die wichtigsten Fakten zum CERN liefern.

2 Überblick zur Teilchenphysik Das folgende Kapitel soll einen kurzen Überblick zu einigen fundamentalen Konzepten der Teilchenphysik geben, sowie einige wichtige Begriffe einführen. Für die Führung am CERN wird wenig Vorwissen in Teilchenphysik vorausgesetzt werden. Man kann jedoch noch mehr profitieren, wenn man gewisse Begriffe schon einmal gehört hat und sich ein bisschen etwas darunter vorstellen kann.

2.1 Grundbegriffe und geschichtlicher Überblick Was ist Teilchenphysik überhaupt? Teilchenphysik ist dasjenige Teilgebiet der Physik, welches sich der Erforschung von Teilchen widmet. Unter „Teilchen“ kann man Moleküle, Atome oder Nukleonen (Protonen und Neutronen) verstehen. Heutzutage versteht man unter Teilchenphysik jedoch meist die Erforschung von so genannten Elementarteilchen. Ein Elementarteilchen kann in keine kleineren Einheiten unterteilt werden und kann somit als Grundbaustein der Materie verstanden werden.

Zeitachse, welche die Entdeckung einiger Elementarteilchen aufzeigt

Bis Ende des 19. Jahrhunderts waren Forscher überzeugt, dass sie mit dem Atom den Grund-baustein der Materie entdeckt hatten. Als der britische Physiker Thomson jedoch im Jahr 1897

Abbildung 1: Zeitachse, welche die Entdeckung einiger Elementarteilchen aufzeigt

Bis Ende des 19. Jahrhunderts waren Forscher überzeugt, dass sie mit dem Atom den Grund-baustein der Materie entdeckt hatten. Als der britische Physiker Thomson jedoch im Jahr 1897das Elektron entdeckte, wurde klar, dass das Atom nicht „atomos“ (griech. unteilbar) ist, sondernaus negativ geladenen Teilchen, den Elektronen, und positiver Materie besteht. Letztere sollte nachThomsons Vermutung homogen verteilt sein.Die Entdeckung der Gesetze der Quantenmechanik gab der Teilchenphysik einen entscheidendenSchub vorwärts. Die Teilchennatur des Lichtes wurde unter anderem am Photoeffekt deutlich, deranfangs des 20. Jahrhunderts durch Albert Einstein erklärt wurde. Durch eine Reihe von Experi-menten gab es zudem mehr und mehr experimentelle Hinweise darauf, dass das Atom ein extrem


kleines, dichtes positiv geladenes Zentrum hat. Der Brite Lord Ernest Rutherford, der mit Streu-experimenten Evidenz hierfür geliefert hatte, nannte den Kern des Wasserstoffatoms Proton undprophezeite die Existenz des Neutrons, welches jedoch erst zwölf Jahre später (1931) von seinemLandsmann Sir James Chadwick entdeckt wurde. Chadwick schloss mit dieser Entdeckung auch aufdie Existenz der „starken Kraft“, welche den Atomkern zusammenhält. Diese Kraft ist eine der vierElementarkräfte, auf welche wir später eingehen werden.Um 1930 entdeckte Paul Dirac, dass die in seiner Gleichung (Dirac-Gleichung) auftretenden positi-ven Teilchen eine neue Spezies von Elementarteilchen darstellen, welche er Positronen nannte. DasPositron, welches einige Jahre später experimentell nachgewiesen wurde, ist das Antiteilchen zumElektron. Auch auf Antiteilchen wird später noch eingegangen werden.

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Abbildung 2: Illustration, welche den Aufbau des Atoms erkärt: Vom Atom zum Quark

Um den Beta-Zerfall1 energetisch erklären zu können, musste dem Modell ein weiteres Teilchenhinzugefügt werden, das Neutrino. Bereits 1930 von Wolfgang Pauli vorhergesagt, wurde das Neu-trino erst 16 Jahre später entdeckt.Mit dessen Entdeckung schloss man auf die Existenz der so genannten schwachen Kraft, ebenfallseine der vier fundamentalen Wechselwirkungen.Um 1933 stellte Hideki Yukawa die Theorie auf, dass man nukleare Wechselwirkungen phänomeno-logisch durch Austausch von sogenannte Pionen2 beschreiben kann. In den 50er Jahren begann eineexplosionsartige Erweiterung des Teilchenmodells.Den Grundstein für unser heutiges „Standardmodell“ legten C. N. Yang und Robert Mills im Jahre1954 mit ihren so genannten „Eich-Theorien“.

1Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines Atomkerns. In Folge des Zerfallvorgangs verlässt ein ener-giereiches Betateilchen – Elektron oder Positron – den Kern.

2Die Pionen, auch π-Mesonen genannt, gehören zu den Hadronen. Sie sind aus zwei Quarks aufgebaut.


2.2 Elementarkräfte

In der Natur wirken vier fundamentale Kräfte (siehe Tabelle 1 für eine Übersicht). In der Grössen-ordung unseres täglichen Lebens sind jedoch nur die elektromagnetische Kraft und die Gravitationfür uns spürbar, da diese beiden Kräfte eine weitaus grössere Reichweite haben als die schwacheund die starke Wechselwirkung. Letztere wirken nur auf mikroskopischen Skalen.

Die schwache Wechselwirkung: Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen (linkshän-digen) Quarks und Leptonen und ihren (rechtshändigen) Antiteilchen3. Dabei kann sie wie andereKräfte für Energie- und Impuls-Austausch sorgen, wirkt aber vor allem bei Zerfällen oder Umwand-lungen der beteiligten Teilchen, etwa dem Betazerfall bestimmter radioaktiverAtomkerne.

Die starke Wechselwirkung: Die starke Wechselwirkung, welche die stärkste der vier Grund-kräfte ist, wird auch starke Kernkraft genannt, da sie für den Zusammenhalt der Atomkerne4 undder Hadronen selbst (das heisst auch der Nukleonen) verantwortlich ist. Sie wirkt zwischen Quarksund bindet diese zu Hadronen. Die starke Kraft ist nur über sehr kurze Distanzen aktiv.In Tabelle 1 ist eine Übersicht zu den Wechselwirkungen und ihren Trägerteilchen gegeben. DieTrägerteilchen transportieren die Wirkung der Kraft. Bei diesen Teilchen handelt es sich um sogenannte virtuelle Teilchen. Diese virtuellen Teilchen sind im Gegensatz zu reellen Teilchen nichtdirekt beobachtbar, sondern man kann nur deren Wirkung messen (zum Beispiel die Anziehung derGravitation).

Trägerteilchen Relative Stärke ReichweiteStarke WW 8 Gluonen 1 2.5·10−15

Elektromagnetische WW Photon 10−2 ∞Schwache WW W+- und W−- und Z-Teilchen 10−13 10−18

Gravitation Graviton (hypothetisch) 10−38 ∞

Tabelle 1: Übersicht zu den Elementarkräften

2.3 Erhaltungssätze

Wenn eine denkbare Reaktion nicht stattfindet, muss es dafür einen Grund geben. Dieser Grundlässt sich meist darin finden, dass bei der Reaktion ein Erhaltungssatz verletzt würde.Der Satz zur Energieerhaltung zum Beispiel schliesst aus, dass ein Teilchen in zwei insgesamt schwe-rere Teilchen zerfällt. Ein weiterer wichtiger Satz ist derjenige der Impulserhaltung. Aus diesem folgtzum Beispiel, dass bei Auslöschung eines Teilchens mit seinem Antiteilchen (Annihilation) zwei Pho-tonen emittiert werden müssen, welche in jeweils entgegengesetzte Richtungen davonfliegen.Ausserdem muss die Drehimpulserhaltung gelten und als vierter Erhaltungssatz muss die elektrischeLadung erhalten bleiben. Letzteres heisst, dass die Summen der elektrischen Ladungen vor und nachder Reaktion übereinstimmen müssen. In der Elementarteilchenphysik schränken ausserdem die Er-haltung der Baryonen- und der Leptonenzahl die Anzahl möglicher Zerfälle ein. Das heisst konkret,

3Links- und Rechtshändigkeit bezeichnet die Ausrichtung des Spins eines Teilchens (siehe untenstehender Ab-schnitt) zu dessen Impuls.

4Gäbe es die starke Kraft nicht, so müssten sich die positiv geladenen Protonen im Atomkern abstossen.


dass mit jeder Erzeugung eines Baryons oder Leptons in einem Zerfall ein Antiteilchen desselbenTyps entstehen muss.

Erhaltungssätze und Symmetrien spielen eine sehr wichtige Rolle in der Physik. Von deren Erfor-schung erhofft man sich weitere Erkenntnisse zu fundamentalen Fragen. So könnte die so genannteCP-Verletzung eine mögliche Erklärung für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie sein, welche imKapitel Antimaterie erwähnt wird.

BEISPIEL: Welcher Erhaltungssatz ist verletzt?Um das Ganze ein bisschen anschaulicher zu machen, kann man als einfaches Beispiel untersu-chen, ob der Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Antipion ein erlaubter Zerfall ist.

n︸︷︷︸Baryon

→ p︸︷︷︸Baryon

+ π−︸︷︷︸Meson

Überprüfe die verschiedenen Erhaltungsgrössen:

• Energieerhaltung: 939 MeV(Ruheenergie Neutron) < 938 MeV + 139 MeV (RuheenergienProton und Pion) → der Zerfall ist also verboten wegen Verletzung der Energieerhaltung

• Impuls- und Drehimpulserhaltung: erhalten

• Ladungserhaltung: Erhalten, denn Gesamtladung vor und nach dem Zerfall ist jeweils null.

• Baryonenzahl: 1 = 1 + 0 → erhalten

• Leptonenzahl: Bei diesem Prozess treten keine Leptonen auf, die Leptonzahl ist somiterhalten.

2.4 Der Spin

Der Spin ist eine Grösse aus der Quantenmechanik, welche in der Teilchenphysik von grosser Wich-tigkeit ist. Man kann sich den Spin als eine Art nicht-klassischer Drehimpuls vorstellen, der eineintrinsische Eigenschaft eines Teilchens ist. (Oft wird der Spin eines Elementarteilchens mit derRotation der Erde um ihre eigene Achse verglichen, obwohl der Spin wenig mit einer Drehung imklassischen Sinn zu tun hat.)

2.5 Hadronen und Leptonen

Die vier fundamentalen Wechselwirkungen stellen eine geeignete Grundlage zur Klassifizierung der(Elementar-)Teilchen dar. Einige Teilchen spüren alle vier Kräfte, andere dagegen nur einige vonihnen.

Hadronen: Teilchen, die über die starke Kraft wechselwirken, heissen Hadronen. Man unter-scheidet zwischen zwei Arten von Hadronen, den Baryonen mit halbzahligem Spin und den Mesonen


mit ganzzahligem Spin.Baryonen (von griech. βαρυς = schwer) sind wie der Name schon sagt, massereiche Teilchen. Zuden Baryonen gehören die Nukleonen (Protonen und Neutronen), aber auch „exotischere“ Teilchenwie die Lambda-, Sigma-, Xi- und Omega-Teilchen.Hadronen sind streng genommen keine Elementarteilchen, da sie, wie wir später sehen werden, ausanderen Teilchen, den Quarks, aufgebaut sind.

Leptonen: Leptonen (von griech. λεπτoς = leicht) sind Elementarteilchen, die der schwachen,aber nicht der starken Wechselwirkung unterliegen. Sie sind mit der Ausnahme des Tauons alleleichter als die Hadronen, daher auch der Name. Zu den Leptonen gehören auch die Neutrinos,welche nach dem Standardmodell der Teilchenphysik als masselos angesehen wurden. Mittlerweilegibt es jedoch experimentelle Resultate dafür, dass das Neutrino eine zwar sehr kleine, aber vonnull verschiedene Masse hat5.Soweit wir wissen, können Leptonen wirklich als elementar aufgefasst werden in dem Sinne, dasssie nicht aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind. In der untenstehenden Tabelle ist eine kurzeÜbersicht zu den Hadronen und Leptonen gegeben.

Hadronen Leptonen

Baryonen (Halbzahliger Spin) Mesonen (Ganzzahliger Spin) Elektron Myon Tauone-Neutrino µ-Neutrino τ -Neutrino

Tabelle 2: Übersicht über die Hadronen und Leptonen

2.6 Materie und Antimaterie

Wie im geschichtlichen Überblick erwähnt, wurde in den 1930er Jahren mit dem Positron das ersteAntiteilchen postuliert und später auch experimentell nachgewiesen.Aus Symmetriegründen muss zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen existieren, welches inGrössen wie Ladung (elektrische Ladung, Farbladung), magnetisches Moment, Baryonenzahl, Lep-tonenzahl usw. dem Teilchen entgegengesetzt ist. Andere Grössen hingegen, wie z.B. der Spin, dieMasse und die Lebensdauer, sind identisch.

Wirtschaftliche Nutzbarkeit der Antimaterie? Wenn ein Teilchen mit seinem Antiteilchenin Berührung kommt, so löschen sie sich gegenseitig aus. Die Energie wird von zwei in entgegen ge-setzter Richtung wegfliegenden Photonen weggetragen. Dieser Prozess wird Annihilation genannt.Die Mengen an Energie, welche bei Annihilation freigesetzt werden, sind gigantisch. Könnte mandamit nicht vielleicht unser Energieproblem lösen? Dies ist aber aus verschiedenen Gründen nichtmöglich:Zum einen kommt Antimaterie in dem uns bekannten Teil des Universums nicht natürlich vor, son-dern muss in einem extrem energieaufwändigen Prozess hergestellt werden. Die Energie, welche fürdie Produktion von Antimaterie in Beschleunigern aufgewendet werden muss, geht weit über das

5Dies wird zum Beispiel beim „Opera“ Experiment in Italien untersucht. Dabei misst ein grosser unterirdischerDetektor im Gran Sasso Massiv die vom CERN ausgesandten und durch die Erde „geflogenen“ Neutrinos. Damit solluntersucht werden, ob sich die verschiedenen Neutrinoarten ineinander umwandeln können. Eine solche Umwandlungist ein Beweiss, dass Neutrinos tatsächlich eine von null verschiedene Masse haben.


hinaus, was man durch die Annihilation dieser Teilchen nachher gewinnen könnte.Des Weiteren ist es sehr schwierig, Antimaterie zu lagern und zu transportieren, da sie, sobald siemit der Umgebung in Berührung kommt, annihiliert. Zur Lagerung muss das Teilchen mit meh-reren überlappenden Magnetfeldern in der Schwebe gehalten werden. Dies funktioniert nur beiAntiteilchen, welche eine Ladung haben, wie dem Antiproton oder dem Positron, nicht aber beimAntineutron.Ferner ist es bis heute nicht möglich, eine größere Menge Antiprotonen zusammen einzufangen,da diese sich durch ihre Wechselwirkung stark voneinander abstossen. Deshalb ist die Lösung desglobalen Energieproblems wohl nicht in der Antimaterie zu finden. Aus denselben Gründen wird esin nächster Zeit auch keine „Antimateriebomben“ geben.Forschern am CERN ist es 2011 gelungen, rund 300 Anti-Wasserstoffatome während knapp 20 Mi-nuten in einer sogenannten magnetischen Falle zu fangen, was bis heute die grösste nachgewieseneMenge an Antimaterie-Atomen gewesen ist, welche gleichzeitig eingefangen werden konnten.

Universen aus Antimaterie? Der für uns beobachtbare Teil des Universums besteht aus Ma-terie. Es ist aber nicht undenkbar, dass andere Teile des Universums (oder andere Universen) ausAntimaterie bestehen. Gäbe es ein Antimateriegebiet, so würde sich dieses in den Strukturen undEigenschaften nicht von dem unseren unterscheiden. An den Randgebieten müsste jedoch die enormeEnergiefreisetzung durch die Annihilation zu beobachten sein, was in Reichweite unserer Teleskopejedoch nicht der Fall ist.

Antimaterie im frühen Universum: Eine interessante Frage ist, wie es überhaupt zur Ent-stehung von Materie im frühen Universum kam. Das Big-Bang-Modell der Kosmologie besagt, dassdas Universum in einem Punkt unendlich hoher Dichte und Temperatur begann. Die Energiedichtein den ersten Sekunden und Minuten des Universums war derart hoch, dass Teilchen-AntiteilchenPaare nach E = mc2 spontan entstehen konnten. Eigentlich würde man daher erwarten, dass Ma-terie und Antimaterie in genau gleichen Mengen entstehen, welche dann später wieder annihilierenwürden. Dann wäre aber keine Materie mehr da, aus welcher Sterne und Galaxien entstehen könn-ten.Weshalb gibt es trotzdem Materie? Die Erklärung dafür ist wahrscheinlich, dass es einen winzigkleinen Überschuss an Materie gegenüber der Antimaterie gab. Auf eine Milliarde Antiteilchen kameine Milliarde und ein Teilchen. Und sämtliche Materie in unserem Universum kommt von diesemÜberschuss, von dem man noch nicht genau weiss, wie er entstanden ist. Eine Möglichkeit zur Erklä-rung ist die so genannte CP-Verletzung, welche im Kapitel über Erhaltungsgrössen erwähnt wurde.

2.7 Quarks

Quarks sind die elementaren Bestandteile, aus denen Hadronen aufgebaut sind. Sie tragen einenSpin von 1/2 und sind damit Fermionen6.Baryonen bestehen aus drei Quarks, Mesonen jeweils aus einem Quark und einem Antiquark.Es existieren 6 verschiedene Sorten (genannt „Flavours“) von Quarks: Up, Charm, Top und Down,Strange und Bottom. Diese können, wie auch die Leptonen, in drei Familien eingeteilt werden.

6Fermionen sind Teilchen, welche einen halbzahligen Spin besitzen. Sie gehorchen dem Pauli’schen Ausschluss-prinzip, welches besagt, dass zwei Fermionen nicht gleichzeitig am gleichen Ort einen identischen Quantenzustandannehmen können. Neben den Quarks gehören auch die Leptonen zu den Fermionen.


Einem Quark wird zudem jeweils eine so genannte Farbladung zugewiesen. Die Farbladung gehörtzur starken Wechselwirkung, so wie die elektrische Ladung zur elektromagnetischen Wechselwirkunggehört. Ein Quark kann die Farben rot, blau oder grün tragen. Die Antiquarks haben dann jeweilsdie Farbladungen antirot, antiblau und antigrün. Die drei Farben zusammen addieren sich zu weiss(farblos, null), ebenso die Gegenfarben zusammen.Die Theorie der Quantenchromodynamik (quantenfeldtheoretische Beschreibung der starken Wech-selwirkung) besagt, dass nur Teilchen, welche Farbladung null (weiss) haben, isoliert existierenkönnen. Diese Einschränkung wird „Quark confinement“ genannt. In der Tat hat man Quarks bisjetzt nur in gebundenen (weissen) Zuständen, also in Hadronen, beobachtet.

2.8 Das Standardmodell

Das Standardmodell ist ein Modell aus der theoretischen Physik, welches die Teilchenphysik fastvollständig beschreibt.Wie man dem geschichtlichen Überblick entnehmen kann, spielen theoretische und experimentelleTeilchenphysik oft auf die folgende Weise zusammen: Die theoretischen Physiker stellen ein neuesModell auf. Dabei müssen eventuell neue Teilchen eingeführt werden, um fundamentale physikali-sche Gesetze (Erhaltungssätze etc.) nicht zu verletzen. Die Experimentalphysiker versuchen dann,diese Teilchen nachzuweisen und damit die Theorie experimentell zu bestätigen.

QUARKS LEPTONENLadung +2/3 Ladung -1/3 Ladung -1 Ladung 0

1.Familie Up (u) Down (d) Elektron (e) e-Neutrino (νe)2.Familie Charm (c) Strange (s) Myon (µ) µ-Neutrino (νµ)3.Familie Top (t) Bottom (b) Tauon (τ) τ -Neutrino (ντ )

Wechselwirkung EM WW Starke WW Schwache WWEICHBOSONEN Photon (γ) Gluonen (g) Z-Boson (Z0) W-Bosonen (W+, W−)

Higgs-Boson

Tabelle 3: Das Standardmodell: Alle Teilchen sind bereits experimentell nachgewiesen worden.

Sehr viele Voraussagen des Standardmodells sind experimentell bestätigt worden und es gilt alseine gefestigte und allgemein anerkannte Theorie.In der Tabelle sind sämtliche Elementarteilchen des Standardmodells aufgelistet. Sie lassen sich indrei grosse Gruppen einteilen: Die Quarks, die Leptonen und die Trägerteilchen der vier Wechsel-wirkungen (Eichbosonen). Wie schon erwähnt enthält das Modell neben den Teilchen für jedes auchnoch ein Antiteilchen.Sämtliche Teilchen des Standardmodells sind nachgewiesen worden. (Wir nehmen dabei an, dassdas 2012 am CERN entdeckte Boson tatsächlich das Higgs-Boson des Standardmodells ist. Bis jetzthaben die Messungen seiner Eigenschaften nichts gegenteiliges gezeigt.)


2.9 Das Higgs-Boson

Das Standardmodell ohne das Higgs-Boson verlangt, dass alle Teilchen masselos sind. Aus der ex-perimentellen Physik (und aus Erfahrung) wissen wir jedoch, dass nicht alle Teilchen masselos seinkönnen. Zu diesem Problem gibt es eine sehr elegante Lösung, welche erstmals von Peter Higgs vor-geschlagen wurde. Er postulierte, dass ein Feld (das Higgs-Feld) existiert, welches alles durchdringtund überall präsent ist. Die Teilchen erhalten nun ihre Masse durch die Wechselwirkung mit diesemHiggs-Feld.In der Quantenfeldtheorie gehören zu jedem Feld eines oder mehrere Trägerteilchen (zum Beispielist das Photon das zum elektromagnetischen Feld gehörende Teilchen). Das Higgs-Boson ist das zumHiggs-Feld gehörende Teilchen. Dessen Nachweis durch das CMS- und das ATLAS-Experiment amCERN bedeutet eine weitere wichtige Bestätigung des Standardmodells und somit einen riesigenSchritt in der Teilchenphysik.

2.9.1 Versuch einer anschaulichen Erklärung: „Cocktailparty à la Higgs“7

Folgende kleine Geschichte versucht, den Prozess, mit welchem die Teilchen ihre Masse gewinnen,sowie das Higgs-Boson selbst, anschaulich zu erklären: Man stelle sich eine Cocktailparty der "Con-

(a) Die Gäste sind homogen im Raum verteilt. (b) Die Ex-Premierministerin erreicht den Saal. Sie ge-winnt an Masse, weil sie ständig einen Cluster an Party-gästen um sich geschart hat, während sie sich durch denRaum bewegt.

Abbildung 3: Cocktailparty-Analogie zur Erklärung des Higgs Feldes

servative Party"8 vor, wobei die einzelnen Personen regelmässig im Raum verteilt sind. Jeder un-terhält sich jeweils mit seinen nächsten Nachbarn. Dann plötzlich betritt die Ex-Premierministerin

7Der englische Forschungsminister William Waldegrave schrieb 1993 einen Wettbewerb aus: Er versprach demje-nigen einen Preis, der es verstehe, auf einem einzigen DIN-A4-Blatt verständlich zu erklären, was das Higgs-Bosonsei. Der Minister erhielt 125 Einsendungen, den ersten Preis (eine Flasche Champagner) vergab er an den LondonerProfessor David Miller, welcher die Cocktail-Party Erklärung verfasst hatte. Die Originalfassung der Erklärung kannzum Beispiel auf http://hep.physics.utoronto.ca/BerndStelzer/higgs/higgs3.html nachgelesen werden. ftnt

8Im Folgenden wird klar werden weshalb es sich bei diesem Gedankenexperiment nicht um die "Labour-Party"handeln kann...


Thatcher den Raum.Alle um sie herumstehenden Personen fühlen sich zu ihr hingezogen und bilden eine Ansammlungum sie. Während sie sich durch den Raum bewegt, kommen neue Leute zu der Gruppe hinzu, wobeiandere wieder zu ihren Plätzen zurückkehren. Weil ständig ein Cluster von Leuten um sie herumist, hat Thatcher eine grössere Masse (siehe Abbildung 8 für eine Veranschaulichung).Diese Überlegung lässt sich auf ein Feld übertragen, wobei der Cluster von Personen dann einerVerdichtung der Feldlinien entspricht.Das Higgs-Boson selbst kann man sich auf ähnliche Weise vorstellen (siehe Abbildung 4):Man stelle sich wieder die gleiche Cocktailparty vor. Nun kommt jemand durch die Tür und stelltein Gerücht in den Raum. Diejenigen, welche am nächsten bei der Türe sind, erfahren es als Erste.

(a) Ein Gerücht erreicht den Saal. (b) Die Neuigkeit breitet sich aus.

Abbildung 4: Cocktailparty-Analogie zur Erklärung des Higgs-Bosons

Sie drehen sich zu ihren Nachbarn, rücken näher zusammen und tauschen die Neuigkeit aus.Dann beginnt sich ein kompakter Cluster oder Anregung durch den Raum zu bewegen um dasGerücht zu verbreiten.Wie oben erwähnt gehört in der Quantenfeldtheorie zu jedem Feld mindestens ein Teilchen. DasHiggs-Boson entspricht dem Teilchen, welches zum Higgs-Feld gehört und kann als Anregung diesesFeldes vorgestellt werden.


2.10 Probleme des Standardmodells

Trotz der erfolgreichen Beschreibung von zahlreichen Phänomenen in der Teilchenphysik kann dasStandardmodell keine umfassende Theorie sein. Zahlreiche Phänomene können durch das Standard-modell nicht erklärt werden. So deckt es die Gravitation als vierte Grundkraft nicht ab und kannauch kein Teilchen als Kandidaten für die Dunkle Materie9 liefern.Deshalb muss das Standardmodells Teil einer umfassenderer Theorie sein, welche Antworten aufsolche Fragen liefert. Ein möglicher Kandidat ist die Supersymmetrie. Diese Theorie erweitert dasSpektrum an Elementarteilchen, indem es für jedes Boson im Standardmodell ein Fermion respek-tive für jedes Fermion ein Boson postuliert. Zudem würde auch nicht nur ein Higgs-Boson sondernmindestens deren fünf existieren. Die Experimente am CERN versuchen – wie auch frühere Ex-perimente – die von dieser Theorie postulierten Teilchen oder Effekte nachzuweisen. Zudem gibtes zahlreiche Experimente ausserhalb des CERN, welche Effekte in der Teilchenphysik jenseits desStandardmodells nachweisen wollen (z.B. der direkte Nachweis von Dunkler Materie mit Detektorenim Gran Sasso Massiv).

2.11 Vereinheitlichende Theorien

Allgemein ist ein grosses Ziel der theoretischen Physik das Zusammenfügen verschiedener physika-lischer Theorien zu einer einheitlichen Theorie. Bis auf die Gravitation ist es gelungen, alle Wech-selwirkungen als Quantenfeldtheorien zu formulieren (siehe Tabelle in Abbildung 5).Ein möglicher Kandidat für die Theory of Everything wäre die Superstring-Theorie. Auch hinsicht-lich dieser Theorie erhofft man sich Hinweise von den Experimenten im neuen LHC am CERN.

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Das Higgs-Boson kann man sich also als einen solchen Cluster im Higgs-Feld vorstellen.

2.10 Vereinheitlichende Theorien

Ein grosses Ziel der theoretischen Physik ist das Zusammenfügen verschiedener physikalischer Theorien zu einer einheitlichen Theorie. Bis auf die Gravitation ist es gelungen, alle Wechselwirkungen als Quantenfeldtheorien zu formulieren (siehe Tabelle). Ein möglicher Kandidat für die Theory of Everything wäre die Superstring-Theorie. Auch hin-sichtlich dieser Theorie erhofft man sich Hinweise von den Experimenten im neuen LHC am CERN.

Elektrostatik Magnetostatik

Elektromagnetische WW Starke WW Gravitation

Quantenelektrodynamik

Schwache WW

Elektroschwache WW

Quantenchromo-dynamik

Grosse Vereinheitlichte Theorie (GUT)

Allgemeine Relativi-tätstheorie

Quantengravitation / „Weltformel“ / Theory of Everything (TOE)

Abbildung 5: Tabelle mit einer Übersicht zu den verschiedenen Theorien. Es gelang bisher noch nicht, alleKräfte in einer Theory of Everthing (TOE) zu vereinigen.

9Zahlreiche astrophysikalische Beobachtungen haben gezeigt, dass nur 4 % der Materie und Energie im Universumin einer uns bekannten Form (z.B. Atome, elektromagnetische Strahlung) vorliegt. Rund 23 % liegen in Form vonDunkler Materie und die restlichen 73 % in Form von Dunkler Energie vor, von welchen beiden wir die genauenEigenschaften nicht kennen.

3 Teilchenbeschleuniger 12

3 Teilchenbeschleuniger

3.1 Funktionsweise

In einem Teilchenbeschleuniger werden geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen. . . ) mit elek-trischen Feldern sehr stark beschleunigt. Sie erreichen dadurch Geschwindigkeiten, die sehr nahe ander Lichtgeschwindigkeit, der theoretisch maximal möglichen Geschwindigkeit, liegen. Die Teilchenhaben also eine sehr hohe Bewegungsenergie, die weit über ihrer Ruheenergie liegt. Magnetfelderhalten die Teilchen genau auf ihren Bahnen. Die relevante Kraft für diese Prozesse ist die Lorentz-kraft (elektromagnetische Kraft).Mit diesen hochenergetischen Teilchen kann man die fundamentalen Wechselwirkungen der Materie,die sich zum Teil erst bei sehr grossen Energien offenbaren, untersuchen und winzige Strukturenauflösen. Einen Teilchenbeschleuniger könnte man also vereinfacht als riesiges Mikroskop ansehen.Grob gesehen gibt es zwei Arten von Collidern. Die einen schiessen die beschleunigten Teilchenauf ein stationäres Ziel (das Target), die anderen lassen zwei gegenläufig beschleunigte Teilchenkollidieren. Der Nachteil der ersten Methode ist, dass ein Teil der Energie als Bewegungsenergieerhalten bleibt, da die Teilchen nach dem Stoss gemäss Impulserhaltung einen Gesamtimpuls habenund „weiterfliegen“.Bei solchen Zusammenstössen werden aufgrund der hohen Energien oft andere neue Teilchen erzeugt.Mit verschiedenen Teilchendetektoren kann man dann die Kollisionsprodukte nachweisen und denganzen Prozess rekonstruieren.

Weiter gibt es verschiedene Arten von Teilchenbeschleunigern. Beispiele sind der normale Li-nearbeschleuniger, der Van-de-Graaff-Beschleuniger, oder Zyklo- oder Synchrotron.Sie unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise und im Aufbau (z.B. Linearbeschleuniger oder Ring-beschleuniger). Beim Synchrotron wird ein synchronisiertes hochfrequentes elektrisches Feld zurBeschleunigung verwendet. Die Magnetfelder werden abhängig von der erreichten Energie des Teil-chens nachgeregelt.

3.2 Einige Anwendungsbeispiele von Teilchenbeschleunigern

Teilchen- oder Hochenergiephysik: Die ersten Teilchenbeschleuniger wurden für die physi-kalische Erforschung der Materie konstruiert und gebaut. Sie bildet auch heute noch ein Hauptan-wendungsgebiet. Die grössten existierenden Beschleuniger dienen noch immer diesem Zweck. Erstspäter kamen dann weitere Anwendungen, wie zum Beispiel in der Medizin, hinzu.

Beschleuniger-Massenspektrometrie: Auch in der Massenspektrometrie kommen Teilchen-beschleuniger zur Anwendung. Bei der Massenspektrometrie geht es darum, das Verhältnis vonLadung zu Masse (q/m) eines Teilchens zu bestimmen. Es können auch Aussagen über Vorhanden-sein und Menge von Teilchen mit gegebenem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis gemacht werden.Die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) wird zur Datierung von Proben verwendet. Dabeiwird das Verhältnis eines (Radio-)Isotops (meistens 14C) zu einem anderen (stabilen) Isotop unddadurch das ungefähre Alter bestimmt.

Anwendungen in der Medizin: Die Teilchenphysik hat viele Anwendungen in der Medizin.Ein in der Krebsdiagnostik wichtiges bildgebendes Verfahren ist die Positron-Emissions-Tomographie


(PET). Dabei wird ein Positronemitter (meist Fluor-18) an eine Substanz gebunden, welche sichbevorzugt in malignem Gewebe anreichert. Dieser Tracer emittiert Positronen, welche, sobald sie aufein Elektron treffen, annihilieren und zwei Photonen erzeugen. Die beiden ausgesandten Photonenwerden mit einem Detektorring gemessen. Damit kann man die Verteilung des Tracers im Körpergraphisch darstellen.Die in der PET verwendeten Tracer müssen mit Teilchenbeschleunigern hergestellt werden.Ein weiteres Anwendungsgebiet der Teilchenphysik in der Medizin ist die Strahlentherapie. Dabeiwerden Krebszellen duch Deposition von Energie durch Strahlung sterilisiert (getötet). Verwendetwerden dabei verschiedene Arten von Strahlung, von Gamma- und Röntgenstrahlung über Elektro-nenstrahlung bis zu Ionenstrahlung. Die Strahlungen unterscheiden sich z.B. in ihren Eindringtiefenin Materie. Je nach Anwendungsbereich werden also andere Strahlen eingesetzt.Weit verbreitet ist die „klassische Strahlentherapie“, in welcher der Tumor mit hochenergetischenPhotonen bestrahlt wird. Diese werden in einem Linearbeschleuniger (Beschleunigung von Elektro-nen) hergestellt. Aber auch weitere Teilchen haben zur Bestrahlung geeignete Eigenschaften (z.B.Protonen, Neutronen und schwere Ionen). Diese Methoden sind sehr viel versprechend, sind abernoch nicht weit verbreitet, unter anderem da man zur Beschleunigung dieser relativ schweren Teil-chen Zyklotrone oder Synchrotrone benötigt, welche deutlich grösser und aufwändiger zu betreibensind.

3.3 Beispiele

Teilchenbeschleuniger gibt es an vielen Orten auf der Welt. Sie sind natürlich Kernstücke der grossenKernforschungszentren wie dem CERN, dem Fermilab (USA) oder dem DESY (Deutschland). Wei-ter besitzen viele grössere naturwissenschaftliche Universitäten eigene kleine Teilchenbeschleuniger.

LHC und LEP: Der LEP (Large Electron-Positron Collider) mit einem Speicherringumfangvon 27 km untersuchte Kollisionen zwischen Elektronen und Positronen mit Strahlungsenergienzwischen 45 GeV10 und 104.5 GeV. Die Experimente begannen in Jahre 1989 und dauerten bisNovember 2000. Danach wurde der Beschleuniger abgebaut, da für seinen Nachfolger, den LHC, dergleiche Tunnel verwendet wird. Der LEP ermöglichte präzise Messungen verschiedener Grössen imStandardmodell.Da der LHC (Large Hadron Collider) im Moment sowohl in der Fachwelt als auch in der breitenÖffentlichkeit grosses Aufsehen erregt, wird er hier etwas genauer beschrieben.Der LHC ist der momentan grösste Teilchenbeschleuniger am CERN. Die budgetierten Kosten be-laufen sich auf knapp fünf Milliarden Franken. Er liegt etwa 100 m unter der Erde im 27 km langenTunnel, der für den LEP gebaut wurde.

Der LHC wird vor allem Proton-Proton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergien von 14 TeV (14Billionen Elektronvolt) oder Strahlenenergien von 7 TeV möglich machen. In seinen ersten dreiBetriebsjahren betrug die maximale Schwerpunktsenergie 8 TeV. Zum Vergleich: Der bisher gröss-te Beschleuniger am amerikanischen Fermilab brachte es „nur“ auf eine Schwerpunktsenergie von1.96 TeV. Jeder der beiden kollidierenden Strahlen enthält etwa 3000 Pakete mit hundert MilliardenTeilchen. Um diese Teilchen nicht zu stören, herrscht in der Kreisröhre das wahrscheinlich grösste

101 eV = 1 Elektronvolt = 1.602 · 10−19 J. 1MeV = 106 eV. 1 GeV = 109 eV. 1 TeV = 1012 eV.


Vue schématique des accélérateurs et des expériences du CERN.

Abbildung 6: Schematische Zeichnung der Beschleuniger und Experimente am CERN

künstliche Vakuum. Einige dieser Teilchen kommen so zur Kollision, dass sie gemäss Einsteins be-rühmter Formel E = mc2 in Energie umgewandelt werden, aus der dann andere Teilchen entstehen,welche aber meist sehr schnell wieder in bekannte Teilchen zerfallen.

Der LHC beinhaltet unter anderem die Grossexperimente ATLAS (AToroidal LHC ApparatuS)und CMS (Compact Muon Solenoid). Dies sind zwei Mehrzweckexperimente, die unter Verwendunganderer physikalischer Ansätze ähnliche Fragestellungen untersuchen. An beiden Experimenten sindje gut 2000 Forscher beteiligt. Man hofft, damit neue Elementarteilchen, insbesondere supersymme-trische Teilchen, nachzuweisen. Supersymmetrische Teilchen wären wie oben erwähnt ein Anzeichenfür die Richtigkeit grosser Vereinheitlichter Theorien und Superstringtheorien. Mit der Entdeckungeines neuen Bosons, welche bisher alle Eigenschaften des Higgs-Bosons erfüllt, haben die beidenExperimente schon ein erstes grosses Ziel erreicht.Weiter möchte man Leptonen und Quarks auf eine mögliche Substruktur hin untersuchen. Dieswürde dann auch Hinweise auf mögliche weitere unentdeckte Teilchen geben.Am LHC sind auch Schwerionenkollisionen mit Strahlenergien bis zu 1.38 TeV geplant (ALICE (ALarge Ion Collider Experiment) Experiment, aber auch CMS und ATLAS). Mit 1000 Mitarbeiternalleine für dieses Experiment ist ALICE eines der grossen Einzelexperimente. Ziel von ALICE ist


die Erzeugung eines Quark-Gluon-Plasmas und damit die experimentelle Erzeugung eines Zustan-des der Materie, wie er unmittelbar nach dem Urknall herrschte.Das vierte grössere Experiment am LHC ist das LHCb-Experiment mit rund 800 Mitarbeitern. DasZiel dieses Experiments ist primäre die Untersuchung von Hadronen, welche bottom oder charmQuarks enthalten. Physikalische Grössen im Zusammenhang mit diesen Teilchen (z.B. die Häufig-keit von Zerfällen) könnten Hinweise auf Elementarteilchen ausserhalb des Standardmodells liefern.Weitere Experimente am LHC sind TOTEM, MoEDAL und LHCf.Der Bau eines solchen Grossbeschleunigers ist mit sehr grossen Herausforderungen verbunden. Austechnischer Sicht bereiteten vor allem die sehr grossen Magnetfelder Probleme. Um diese Magnet-felder zu erzeugen, werden supraleitende Strukturen11 verwendet. Dazu ist eine Betriebstemperaturvon -271 ◦C (etwa ein Grad kälter als im Weltall) notwendig. Dies ist eine grosse technische Heraus-forderung. Zum Beispiel schrumpfte das drei Kilometer lange Teststück beim Abkühlungstest umganze 10 m!

Abbildung 7: Foto vom Innern des LHC Tunnels am CERN

Tevatron: Das Tevatron ist ein Ringbeschleuniger am Fermilab in der Nähe von Chicago (USA).Er war zwischen 1983 und 2011 in Betrieb und war vor der Fertigstellung des LHC der grösste Teil-chenbeschleuniger der Welt gemessen an der erreichten Schwerpunktsenergie. Der Speicherring hateinen Umfang von 6.3 km und untersuchte Proton-Antiproton-Kollisionen. Die Strahlenenergie be-trug knapp 1 TeV.

HERA: HERA (Hadron-Elektron-Ringanlage) ist ein weiterer Ringbeschleuniger am DESY(Deutsches Elektronen Synchrotron) in Hamburg mit einem Umfang von 6.3 km. Er untersuchte

11Strukturen, die keinen elektrischen Widerstand haben.


Abbildung 8: Auf- und Einbau eines Teilstücks des CMS am CERN

zwischen 1992 und Sommer 2007 Kollisionen von Protonen mit Elektronen oder Positronen. DieStrahlenenergien waren 28 GeV der Elektronen und 820-920 GeV für die schwereren Protonen.

Abbildung 9: Fermilab in der Nähe von Chicago (mit Tevatron)

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4 Über den CERN

4.1 Facts zum CERN

Der CERN (früher: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, heute: Organisation Européennepour la Recherche Nucléaire), die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eines der grösstenZentren für physikalische Grundlagenforschung der Welt. Der CERN wurde 1954 gegründet und hatseinen Sitz an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich bei Genf. Seine Mission wurde imZuge der Gründung in einer Konvention festgehalten:

“The Organization shall provide for collaboration among European States in nuclear re-search of a pure scientific and fundamental character. The Organization shall have noconcern with work for military requirements and the results of its experimental and theo-retical work shall be published or otherwise made generally available”.

Derzeit zählt der CERN rund 20 Mitgliedsländer (Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland,Finnland, Frankreich, Griechenland, Grossbritannien, Italien, Niederlande, Norwegen, Österreich,Polen, Portugal, Slowakei, Spanien, Schweden, Schweiz, Tschechische Republik und Ungarn). Dane-ben existieren Länder mit Beobachterstatus und Nichtmitglieder, die aber ebenfalls an den CERN-Programmen beteiligt sein können. Der CERN selbst beschäftigt rund 2500 Mitarbeiter und seinBudget belief sich 2007 auf etwa 1,3 Milliarden CHF.Es arbeiten jedoch viele Wissenschafter und Ingenieure an Projekten des CERN, welche nicht vomCERN selbst, sondern von Universitäten beschäftigt werden. Auch werden viele Investitionen fürden Bau der Experimente von Drittinstituten getätigt. Diese beiden Beiträge sind in obigen Zahlenalso nicht enthalten.Bekannt ist der CERN vor allem für seine Experimente mit Hilfe der Teilchenbeschleuniger. Mitihnen wird die Zusammensetzung der Materie erforscht, indem Teilchen sehr stark beschleunigt unddann zur Kollision gebracht werden. Mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Teilchendetektorenwerden dann die Flugbahnen der in den Kollisionen entstehenden Teilchen rekonstruiert. Darauslassen sich dann die Eigenschaften der kollidierten und neu entstandenen Teilchen bestimmen.

4.2 Geschichte und Highlights des CERN

Nach Ende des Zweiten Weltkrieges verfolgten einige Wissenschaftler die Idee, ein europäischesTeilchenphysiklabor ins Leben zu rufen, um in Europa wiederum Wissenschaft von Weltklasse zuermöglichen. 1951 wurde an einem UNESCO-Treffen in Paris diesbezüglich die erste Resolutionverabschiedet, 1952 Genf als künftiger Standort des Labors bestimmt und bis 1954 nach und nachdie CERN-Konvention von seinen zwölf Gründerstaaten ratifiziert: Belgien, die BRD, Dänemark,Frankreich, Griechenland, Grossbritannien, Holland, Italien, das ehemalige Jugoslawien, Norwegen,Schweden und die Schweiz.Der CERN hat seither immer wieder für Schlagzeilen gesorgt:1957 wurde sein erster Beschleuniger (der „600 MeV Synchrocyclotron“, kurz SC) in Betrieb genom-men, welcher „Beams“ für die ersten Teilchen- und Nuklearphysikexperimente des CERN lieferte.1959 besass der CERN mit seinem neuen „Proton Synchrotron“ (PS), welcher – wie sein Nameverlauten lässt – Protonen beschleunigt, für kurze Zeit den Teilchenbeschleuniger mit der weltweithöchsten Teilchenenergie. Der Betriebsbeginn der „Intersecting Storage Rings“ (ISR) im Jahre 1971

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bedeutete gleichzeitig die Ermöglichung der (wiederum weltweit) erstmaligen Protonenkollision, beiwelcher zwei grosse Protonenstrahlen erzeugt und dann zur Kollision gebracht werden.1988 wurde nach drei Jahren Bauzeit der 27 km lange Tunnel des „Large Electron-Positron Collider(LEP) fertiggestellt – Europas grösstes Bauingenieurprojekt vor dem Tunnel unter dem Ärmelkanal.Der LEP war von 1989 bis zum Jahre 2000 in Betrieb, als man entschied, Platz für die Konstruk-tion des LHC im selben Tunnel zu schaffen. Der LEP war und ist der grösste je gebaute Elektron-Positron-Beschleuniger. Er wurde für die genaue Untersuchung der Trägerteilchen der schwachenWechselwirkung genutzt, welche Mitte der 1980er-Jahren am „Super Proton Synchrotron“ (SPS)des CERN entdeckt worden waren.

Abbildung 10: Computersimulation einer Teilchenkollision, wie sie am LHC untersucht werden wird. AlleLinien sind Bahnen von Teilchen.

Nach anfänglicher Panne hat der „Large Hadron Collider“ (LHC) seinen regulären Betrieb Ende2009 aufgenommen und am 30. März 2010 fanden erste Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergievon 7 TeV statt. Im Jahr 2012 wurde die Schwerpunktsenergie auf 8 TeV erhöht und am 4. Juli2012 gaben die Forschungsgruppen des ATLAS- und des CMS-Experiments die Entdeckung einesneuen Elementarteilchens, welches mit grösster Wahrscheinlichkeit das Higgs-Boson sei, bekannt.Seit Frühjahr 2013 befindet sich der LHC und seine Experimente in ihrer ersten grösseren Revi-sion. Dabei will man einerseits den Beschleuniger für eine höhere Schwerpunktsenergie von bis zumaximalen 14 TeV vorbereiten. Daneben werden jedoch auch Arbeiten an den Experimenten vor-genommen, um deren Präzision in der Vermessung der Teilchenkollisionen zu erhöhen. Gleichzeitiggeht jedoch die Auswertung der bisher gesammelten Daten unvermindert weiter.Weitere Fragen neben der Existenz des Higgs-Bosons, auf welche man mit Daten vom LHC eineAntwort zu finden hofft sind u.a.: Woraus bestehen die 96% des Universums, die unsichtbar sind?Warum „bevorzugt“ die Natur Materie vor Antimaterie? Oder gibt es tatsächlich nur drei Familienvon Quarks und Leptonen?

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In der nunmehr etwas über 50-jährigen Geschichte des CERN wurden fünf Nobelpreise an sei-ne wissenschaftlichen Mitarbeiter vergeben, unter anderen an Carlo Rubbia und Simon Van derMeer (1984) für ihre Beiträge, die zur Entdeckung der W- und Z-Teilchen führten, welche die elek-troschwache Theorie des Standardmodells bestätigten, und an Georges Charpak (1992) für seineErfindungen und Entwicklungen von Teilchendetektoren, insbesondere der „multiwire proportionalchamber“.

Aus unserem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken ist zudem die Verwirklichung der Idee vonTim Berners-Lee, welcher durch die Verbindung von „hypertext“, Internet und PCs ein einziges In-formationsnetzwerk für die CERN-Physiker schaffen wollte, um die computergespeicherten Datenfür alle im Labor zugänglich zu machen. Zu diesem Zweck erfand er das WorldWideWeb (1990).

Forschungshighlights des CERN umfassen unter anderem die Forschung auf dem Gebiet derAntimaterie, Innovationen in der Beschleunigerphysik und der Nachweis vieler der vom Standard-modell vorhergesagten Teilchen:

Antimaterie: Ein Atom Antiwasserstoff besteht aus einem Antiproton und einem Positron. Dieersten Antiwasserstoffatome konnten 1995 am PS210 am CERN künstlich hergestellt werden. DieAntimaterie konnte jedoch damals noch nicht für Experimente genutzt werden, da sie nur etwa ein40 Milliardstel einer Sekunde existierte. Neuere Experimente führten dann zur ersten kontrolliertenProduktion grösserer Mengen von niederenergetischem Antiwasserstoff im Jahr 2002.

Proton-Proton-Kollisionen: Am Anfang wurde in Experimenten oft ein Teilchenstrahl auf einstationäres Ziel geschossen. Im Jahre 1971 wurde dann die erste erfolgreiche Proton-Proton-Kollisionmit zwei beschleunigten Strahlen durchgeführt, im Jahre 1981 folgten die ersten Proton-Antiproton-Kollisionen. Diese Experimente ebneten den Weg für einige Nobelpreise.

Nachweis der Z- und W-Bosonen: Ein wichtiger Moment für die Teilchenphysik war die Ent-deckung der W- und Z-Bosonen, welche die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung weiterstärken konnte. Um diese schweren Teilchen messen zu können, musste eine neue Beschleunigerge-neration entwickelt werden. Simon van der Meer und Carlo Rubbia wurden für ihre Leistungen mitdem Nobelpreis geehrt.

Dies sind nur einige wenige Beispiele der vielen wissenschaftlichen und technischen Errungenschaf-ten, die aus dem CERN hervorgegangen sind.

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Handout zum CERN-Besuch vom 10. Oktober 2013 · Handout zum CERN-Besuch vom 10. Oktober 2013 SchweizerischeStudienstiftung EinEinblickindieGeschichteundEntwicklungdesCERN,sowieeinigeGrundlagenzur