Das CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist die größte Forschungseinrichtung für Teilchenphysik weltweit. Es betreibt sechs Teilchenbeschleuniger sowie den neuen Large Hadron Collider. Ein Besuch des CERN dauert einen halben Tag, denn es ist einfach riesig, wobei ein Großteil unterirdisch liegt. Alle Besucher erhalten geführte Touren durch Mitarbeiter des CERN. Die genaue Route hängt davon ab, welche Teile des CERN wegen laufender Arbeiten nicht besucht werden können.
Die normalen Touren beinhalten die LINAC- und LEIR-Beschleuniger, den Teilchendetektor COMPASS, den AD (Antiprotonen-Verzögerer), der zur Erzeugung von Antimaterie verwendet wird, die CAST- und AMS-Versuche, die zum Aufspüren von Partikeln aus dem Kosmos genutzt werden, Teile des Large Hadron Collider und/oder die Computer-Ressourcen des CERN.
Seit seiner Gründung im Jahr 1954 war das CERN schon die Forschungsstätte vieler Wissenschaftler, darunter die Nobelpreisträger der Jahre 1976, 1984, 1988 und 1992. Es war auch Vorreiter der Hochenergiephysik mit der Entdeckung des neutralen Stroms (1973), der W- und Z-Bosonen (1983) und der Herstellung von Antiwasserstoff (der Antimaterieform des Wasserstoffs).
Das CERN ist auch der Geburtsort des World Wide Web. Tim Berners-Lee und Robert Cailliau entwickelten den Prototyp des Web mit je einem einfachen Server und Browser. Dadurch sollte ein einfacher Zugriff auf die Dokumente für die Allgemeinheit ermöglicht werden. Das CERN ist auch ein Zentrum für die Entwicklung des Grid-Computing: Die zum Aufspüren von Teilchen verwendeten Detektoren produzieren riesige Datenmengen. Der ATLAS-Detektor des Large Hadron Colliders beispielsweise produziert ein Petabyte Daten jährlich. Für deren Verarbeitung sind sehr große Computer-Grids erforderlich.
Das Higgs-Boson, der Large Hadron Collider und der Ursprung der Masse
Das Standardmodell der Teilchenphysik wird von Physikern verwendet, um einen Großteil (aber eben nicht alle) Interaktionen zwischen Teilchen, aus denen Masse besteht, zu beschreiben. Mit dem Standardmodell kann die elektromagnetische Kraft zwischen Teilchen sowie die schwache und die starke Wechselwirkung beschrieben werden, nicht aber die Gravitation.
Das Standardmodell umfasst drei Arten von Teilchen: Fermionen, Vektorbosonen und Higgs-Bosonen. Fermionen bestehen aus Quarks und Leptonen. Es gibt sechs Quarks (die Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom genannt werden) und sechs Leptonen (Elektron, Myon, Tau sowie drei Neutrinos: Elektronneutrino, Myonneutrino und Tauneutrino).
Die Quarks verbinden sich in Dreiergruppen zu anderen Teilchen. Das Proton besteht aus einem Up-Up-Down-Quark-Trippel (Abbildung 32.1), und das Neutron aus einem Up-Down-Down-Trippel. Protonen, Neutronen und Elektronen sind die Grundbausteine der Materie.
Es gibt vier Vektorbosonen: Gluon, Photon und die W- und Z-Bosonen. Diese sind für die Wechselwirkungen zwischen Teilchen verantwortlich. Das Photon ist für die elektromagnetische Wechselwirkung verantwortlich, die W- und Z-Bosonen für die schwache Wechselwirkung (auf der die Radioaktivität basiert), und das Gluon für die starke Wechselwirkung (die Teilchen zusammenhält).
Alle Teilchen des Standardmodells wurden, bis auf das Higgs-Boson, durch Experimente beobachtet oder entdeckt. Das fehlende Puzzleteil im Standardmodell ist die Erklärung der Masse von Materie. Als Physiker die verschiedenen Theorien zusammenstellten, aus denen das Standardmodell besteht, ergab sich ein Problem: die Vektorbosonen hätten eigentlich masselos sein müssen, denn das Photon hat keine Masse (und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit), ebensowenig wie das Gluon. Die W- und Z-Bosonen sind jedoch schwer (relativ gesehen).
Das Higgs-Boson erklärt die Masse der W- und Z-Bosonen (und der gesamten Materie): Dabei wird ein Feld (das sog. Higgs-Feld) vorausgesetzt, das den Kosmos durchdringt. Das Higgs-Boson steht in Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld und gibt anderen Teilchen eine Masse, wobei eine größere Wechselwirkung mit dem Feld zu einer größeren Masse führt. Das Higgs-Feld ähnelt einer viskosen Flüssigkeit – versucht ein Objekt, sich durch die Flüssigkeit zu bewegen, gibt es einen Widerstand. Das Higgs-Boson bewegt sich durch das Higgs-Feld und dessen Widerstand führt zu Masse.
Bisher hat noch niemand das Higgs-Boson wirklich gesehen, doch man hofft, es mit dem Large Hadron Collider im CERN zu finden.
Der Large Hadron Collider ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt – er befindet sich in einem 27 Kilometer langen, ringförmigen Tunnel. Der Collider sendet zwei Protonenstrahlen in entgegengesetzter Richtung durch den Ring, bis diese eine Energie von 7 TeV erreicht haben, und lässt diese dann kollidieren.
Wenn die Protonen zusammenstoßen, brechen sie auseinander. Es werden die Partikel freigesetzt, aus denen sie bestehen. Mit Detektoren, die rund um den Collider aufgestellt sind, werden Spuren der Teilchen gesammelt, in der Hoffnung, das Higgs-Boson zu finden.
Vor oder nach dem Besuch des CERN sollten Sie eine Ausstellung unbedingt einplanen – Mikrokosmos, das interaktive Wissenschaftszentrum der Forschungseinrichtung. Mikrokosmos erläutert die im CERN untersuchte Physik, die hier eingesetzten Geräte, den Large Hadron Collider und die Bedeutung des Computers für die Arbeit des CERN. Die Computer-Ausstellung zeigt sogar den ersten Webserver: die NeXT-Workstation von Tim Berners-Lee.
Eine weitere Sehenswürdigkeit ist der Globus für Wissenschaft und Innovation, in dem temporäre Ausstellungen stattfinden. Er ist faszinierend und einer der wenigen oberirdischen Teile des CERN.
Ein Besuch des CERN muss Monate im Voraus gebucht werden, ist aber kostenlos. Lesen Sie sorgfältig die Informationen zur Kleidung und die Sicherheitshinweise, damit Ihnen der Zugang nicht verwehrt wird. Details zu einem Besuch des CERN finden Sie unter http://outreach.web.cern.ch/.