By Michael Hauschild
Michael Hauschild führt den Leser dieses essentials zurück zu den Anfängen des CERN, des Europäischen Forschungszentrums für Teilchenphysik bei Genf; einem der faszinierendsten Forschungszentren überhaupt, zu seiner Geschichte, zu seinen Menschen und seinen Beschleunigern. Der Autor erläutert die Funktionsweise von Teilchenbeschleunigern und wie ausgehend von den ersten Ideen schließlich der huge Hadron Collider LHC gebaut wurde, der größte Teilchenbeschleuniger der Welt und die heutige Weltmaschine. Nach einer Pause von mehr als zwei Jahren wurde der LHC im Frühjahr 2015 wieder in Betrieb genommen, um mit höherer Energie als je zuvor die Geheimnisse der Natur zu enträtseln.
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Um all unsere bekannte Materie aufzubauen, reichen aber die Up- und DownQuarks für die Atomkerne und für die Atomhülle die Elektronen, die ebenfalls elementar, also quasi punktförmig sind. Das ist alles! Unsere gesamte bekannte Welt, Galaxien und Sterne, die wir sehen, unser Sonnensystem, die Erde mit allem, was sich auf ihr befindet einschließlich uns selbst, besteht aus lediglich drei verschiedenen elementaren Teilchen3 (siehe Abb. 1). Es wird klar, dass die Erforschung der Elementarteilchen eine ganz fundamentale Bedeutung hat.
Weiterhin sah das Konzept vor, die LHC-Magnete über den LEP-Magneten im Tunnel zu platzieren. Dies hätte den gleichzeitigen Betrieb von LEP und LHC ermöglicht und sogar Proton-Elektron-Kollisionen erlaubt. Später wurde die Idee von zwei Beschleunigern im gleichen Tunnel aber wieder verworfen. Es hätte mechanisch und logistisch wenig Sinn gemacht, die schweren LHC-Magnete über die vergleichsweise leichten LEP-Magnete zu setzen. So konnte mit dem Bau des LHC erst begonnen werden, nachdem LEP im November 2000 abgeschaltet und im darauffolgenden Jahr demontiert wurde.
Es geht aber auch anders, indem die Teilchen in einer ringförmigen Vakuumkammer immer auf derselben Bahn herumgeführt werden. Magnetfelder sind dann nur entlang des Rings erforderlich, allerdings muss das Magnetfeld mit zunehmender Energie synchron dazu hochgefahren werden, um die Teilchen auf der konstanten Bahn zu halten. Dies war die Geburtsstunde des Synchrotrons, auf dem alle heutigen Teilchenbeschleuniger oberhalb einer Energie von 1 GeV basieren, auch der LHC. Das Prinzip des Synchrotrons wurde gegen Ende des zweiten Weltkriegs unabhängig voneinander in der Sowjetunion von Vladimir Veksler (1907–1966) und in den USA von Edwin McMillan (1907–1991) entwickelt.