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Zukunftsmaschinen – Kapitel Tesla
Weißt du, wie ein Stern entsteht?
Majestätisch umrunden einander zwei Galaxien.
Seit Milliarden von Jahren zerrt ihre gewaltige Masse aus
Milliarden Sternen, Gas und Dunkler Materie an den Spiralformen:
Die Masse beeinflusst alle Bewegungen. Im Universum genau wie in
unserer Alltagswelt.
Seit Jahrhunderten
fasziniert diese Macht der Masse die Menschheit. Isaac Newton
lieferte vor über 300 Jahren in seinen »Principia
Mathematica« eine erste mathematische Theorie für die
Bewegungen der Masse von Galaxien, Sternen und Planeten. Was er
nicht wusste: Im Verborgenen leistet die Masse noch viel mehr. Denn
sie ist auch für die Reichweite von Kräften zuständig.
Und sie beeinflusst den Zerfall von Kernbausteinen oder die Wechselwirkungen
von Quarks – den Elementarteilchen, die zusammen mit Gluonen
und Elektronen die Materie in der Alltagswelt bilden. Dadurch
hatte die Masse nach dem Urknall ein entscheidendes Wörtchen
bei der Bildung der Welt mitzureden. Sie ist verantwortlich
für das Aussehen der heutigen Welt. Und das macht sie zu
einem der wichtigsten und spannendsten Rätsel der Gegenwart
– denn noch weiß niemand, wie Masse eigentlich zu
Stande kommt.
Urknall im
Labor
Vielleicht wird man dieses Rätsel
mit tesla lösen. In einem Tunnel, etwa 20 Meter unter der
Erde, könnten Wissenschaftler aus aller Welt der Sache mit
der Masse auf den Grund gehen. 41 Institute aus neun Ländern
sind an der technischen Planung beteiligt; die Federführung
liegt beim Deutschen Elektronen-Synchrotron (desy). Zurzeit
schlägt die Bundesregierung noch keinen deutschen Standort
für den tesla- Linearbeschleuniger vor: Sie will die
internationale Entwicklung in der wissenschaftlichen Kollaboration
abwarten. Möglicherweise wird der Beschleuniger auch in den
USA stehen und aus weltweit mehreren Forschungszentren per Satellit
gesteuert – ähnlich wie beim Weltraumteleskop vlt, das
in Chile steht und von Garching bei München aus gesteuert wird
(siehe Kapitel »Goldene Phase der Astronomie«). Bei
einem solchen Crash vernichten sich die beiden Teilchen nicht spurlos.
Aus der Energie der Pärchen entstehen neue Teilchen, darunter
Quarks oder W- und Z-Bosonen, die sich durch die Spuren ihrer
Zerfallsprodukte verraten. Doch die Forscher wollen nicht nur
diese Teilchen vermessen – sie wollen damit vor allem die
geheimnisvollen Higgs-Teilchen unter die Lupe nehmen.
Eine Theorie für die Masse
Mitte der 60er Jahre versuchte der britische
Theoretiker Peter Higgs, den Ursprung der Masse zu erklären:
Er hatte die Idee, das Vakuum als kompliziertes Gewimmel vieler
Teilchen darzustellen, in dem überall ein
»Higgs-Feld« herrscht. Dieses Feld ist heute ein
wichtiger Bestandteil des Standardmodells. Doch in der
Realität konnte es noch niemand nachweisen: Zu klein sind die
Energien der derzeitigen Beschleuniger. Schließlich bewies
man in den letzten Jahren durch Versuche am Large Electron-Positron
Collider (lep) in Genf oder am Tevatron in Chicago, dass Feldquanten
der Higgs-Felder – wenn es sie gibt – nicht bei Energien
unter 114 GeV entstehen. Daher wird nun am Zentrum für
Teilchenforschung cern in Genf an einem neuen Beschleuniger
gebaut. Im »Large Hadron Collider« (lhc) will man ab
März 2007 Higgs-Teilchen erzeugen und untersuchen. Die
Protonen, die im Tevatron und dem lhc auf die Reise geschickt
werden, sind jedoch im Vergleich zu den einfachen,
punktförmigen Leptonen im Tesla-Tunnel komplizierte,
zusammengesetzte Gebilde. Für Crash-Tests bei höchsten
Energien sind sie gut geeignet – doch sie produzieren beim
Aufprall neben den gesuchten Higgs-Teilchen viele weitere Teilchen.
Im Gegensatz dazu werden bei Lepton-Crashs die Higgs-Teilchen nahezu
allein erzeugt und können daher genau unter die Lupe genommen
werden. Die Physiker können dann auch untersuchen, wie zwei
Higgs-Teilchen miteinander wechselwirken – ein weiteres wichtiges
Charakteristikum dieses Masse-erzeugenden Teilchens.
Kasten: Teilchen auf Schlittschuhen
Zwei Elementarteilchen, die aufeinander eine
abstoßende Kraft ausüben, kann man sich ähnlich
vorstellen wie zwei Schlittschuhläufer, die sich einen Ball
zuwerfen. Der geworfene Ball – er entspricht dem
Austauschteilchen – treibt in diesem Fall die Teilchen
auseinander, die Kraftwirkung ist also abstoßend. Auf den
ersten Blick ist klar: Schwere Bälle können nur über
kurze Strecken geworfen werden. Die Masse entscheidet also über
die Reichweite der Kraft. Tatsächlich können Kräfte
auch über gewaltige Distanzen (viele Milliarden Lichtjahre)
hinweg wirken. Auf halber Strecke des 33 Kilometer langen tesla-Tunnels
sollen Elektronen auf ihre Antimaterie-Geschwister, die Positronen,
prallen. 14.000 Pakete aus jeweils etwa zehn Milliarden Elementarteilchen
sollen pro Sekunde ineinander rasen. Jedes Teilchen hat dabei
nahezu Lichtgeschwindigkeit und eine Energie von zunächst 250
Milliarden Elektronenvolt (erweiterbar auf das Doppelte) –
Energien, wie sie kurz nach dem Urknall vor 15 Milliarden Jahren
herrschten. Pro Sekunde soll es ungefähr einen physikalisch
interessanten Zusammenstoß zwischen einem Elektron und einem
Positron geben – einen Mini-Urknall sozusagen.
Kasten: Das Prinzip Surfbrett
In fast jedem Haushalt findet man einen einfachen
Teilchenbeschleuniger: den Fernseher. Dort kommen Elektronen aus
einer Glühwendel und werden von einem elektrisch geladenen
Gitter angezogen und so in Richtung Bildschirm beschleunigt. Bei
tesla wird dieses Prinzip abgewandelt. Die Elektronen fliegen
durch hohle Kammern – so genannte Resonatoren –, in
denen sie ein elektromagnetisches Wechselfeld anschiebt. Im
Prinzip funktioniert das wie bei einem Wellenreiter auf einem
Surfbrett: Immer im richtigen Moment »schubst« die
elektromagnetische Welle die Elektronen ein Stück weiter. Die
tesla-Resonatoren sind so geformt, dass die Elektronen beim
Durchflug nirgends anstoßen oder die Felder zu sehr verwirbeln.
Die Kammern aus Niob werden außerdem auf Minus 271 Grad gekühlt.
So wird das Metall zu einem Supraleiter (siehe Kapitel
»Traumhafte Anziehungskräfte«) – das spart
Strom. Und liefert obendrein Know-How für
Spitzentechnologie.
Kasten:
Der Standard der Physik
Seit vielen
Jahrzehnten nähern sich Elementarteilchen-Physiker
stufenweise einer Theorie, die die Welt mathematisch geschlossen
beschreiben soll. Jede der Stufen erweitert die vorhergehende. Das
Standardmodell ist die aktuelle Theorie zur Beschreibung kleinster
Teilchen. Es erklärt die Vorgänge rund um Quarks, Gluonen,
Z- und W-Bosonen und sagt zum Beispiel voraus, dass die Ladung von
Elektronen und Protonen betragsmäßig sehr genau übereinstimmt.
Das Standardmodell vereinigt drei der vier bekannten Kräfte
(schwache und starke Wechselwirkung sowie elektrische Kraft). Sie
gleichen sich bei hohen Energien an. Doch die Gravitation entzieht
sich auf dieser Theoriestufe noch einer geschlossenen
Beschreibung.
Kasten: Das
Higgs-Feld
Dieses Feld soll Quarks, Leptonen
und W- oder Z-Bosonen träge Masse verleihen. Man kann es sich
vorstellen wie eine große Party; ein Quark, das das
Higgs-Feld durchquert, entspricht dann einem Gast auf dem Weg zum
kalten Buffet. Wenn der mit den anderen Gästen ein paar Worte
wechselt, dann bewegt er sich mit größerer
Trägheit – das Quark erhält Masse. Doch das Vakuum,
in dem sich das Ganze abspielt, ist ein kompliziertes Medium. Es
kann auch Energie aufnehmen, was auf der Party angeregten Gesprächen
entspricht. Ein Gerücht zum Beispiel, das zwischen den
Partygästen weiter getragen wird, führt dazu, dass
Grüppchen von Menschen die Köpfe zusammen stecken
– Physiker sprechen von einer Anregung des
Feldes.
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