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Dem Urknall auf der Spur

Der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt – der Large Hadron Collider (LHC) – steht am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik CERN in Genf. Teilchenphysiker der Bergischen Universität um Prof. Dr. Peter Mättig, Prof. Dr. Wolfgang Wagner und Prof. Dr. Christian Zeitnitz haben wesentlich zum zentralen Bauteil eines der Experimente – dem ATLAS-Experiment – beigetragen. Jetzt besuchte eine Wuppertaler Delegation unter Leitung von Uni-Kanzler Dr. Roland Kischkel und Prof. Dr. Michael Scheffel, Prorektor für Forschung, Drittmittel und Graduiertenförderung, das CERN, um vor Ort einen Eindruck vom größten Experiment der Welt zu erhalten.

100 Meter unter der Erdoberfläche (vorne v.l.n.r.): Uni-Kanzler Dr. Roland Kischkel, Forschungs-Prorektor Prof. Dr. Michael Scheffel und FDP-Landtagsabgeordnete Angela Freimuth mit ATLAS-Sprecher Prof. David Charlton.
Fotos Friederike von Heyden

Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt mit einem Umfang von ca. 27 Kilometern verläuft 100 Meter unter der Erde im Grenzgebiet Frankreichs und der Schweiz. Wissenschaftler erhoffen sich durch den LHC Antworten auf die fundamentalen Fragen der Physik: Woraus besteht das Universum? Was sind die kleinsten Teilchen, aus denen das Universum aufgebaut ist, und welche Kräfte herrschen zwischen ihnen? Was passierte beim Urknall?

Um diese Fragen zu beantworten, wird am LHC der Zustand des Universums kurz nach seiner Entstehung vor 14 Milliarden Jahren simuliert. Bündel von Milliarden von Protonen fliegen mit 99,999999% Lichtgeschwindigkeit in zwei kreisförmigen Vakuumröhren in entgegengesetzter Richtung. Vierzig Millionen Mal pro Sekunde kollidieren einige Protonen an Kreuzungspunkten.

In vier hausgroßen Nachweisgeräten, sogenannten Detektoren, vermessen Physikerinnen und Physiker die Spuren der Teilchenkollisionen an den Kreuzungspunkten. Das größte dieser Geräte ist das ATLAS-Experiment, 40 Meter lang und hoch wie ein sechsstöckiges Wohnhaus. Nach der Begrüßung durch Prof. Dr. Rolf-Dieter Heuer, Generaldirektor des CERN, ging es für die Wuppertaler Gäste schließlich auch genau dorthin. Bei einem kurzen Abstecher durch das ATLAS-Kontrollzentrum erhielten sie einen Einblick in die Steuerung und Überwachung des Experiments, bevor sie mit dem Aufzug 100 Meter tief zum ATLAS-Detektor fuhren.

Ein Teil des haushohen ATLAS-Detektors.

Die Wuppertaler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben entscheidende Beiträge zum Bau des ATLAS-Pixeldetektors geleistet, einer Digitalkamera, die 40 Millionen Mal pro Sekunde Aufnahmen im Inneren des Teilchenbeschleunigers macht. Aus der genauen Kenntnis der Kollision und der umfassenden Messung ihrer Produkte kann präzise rekonstruiert werden, was innerhalb eines Attometers (kleiner als 0,000000000000000001 Meter!) passiert. Wieder an der Erdoberfläche besichtigte die Wuppertaler Delegation die Magnettesthalle, in der die Beschleunigerröhren und Magnete des LHC gebaut und getestet wurden.

Die Wuppertaler Forschergruppe ist auch Teil eines weltweit verteilten Rechenverbundes für die ATLAS-Daten und untersucht die schwersten elementaren Teilchen, das Higgs-Boson und das Top-Quark. ATLAS wird in Zusammenarbeit von 3000 Physikern aus allen fünf Kontinenten betrieben.

Es werden jährlich Datenmengen produziert, mit denen ca. 100.000 Festplatten normaler PCs vollgeschrieben werden könnten. Um diese Daten speichern, lesen und verarbeiten zu können, wurde ein weltweiter Rechenverbund (das „Computing Grid“) entwickelt. In Deutschland waren die Physikerinnen und Physiker der Bergischen Universität Wuppertal bei der Entwicklung des Grid Computings maßgeblich beteiligt und betreiben seit Jahren einen großen Rechen- und Datencluster. Daher besuchten die Wuppertaler Gäste auch das Computerzentrum am CERN und erhielten eine interessante Einführung in das Grid Computing.

Die Forscher-Gruppe der Bergischen Universität ist eine der stärksten Gruppen bei der Untersuchung des Top-Quarks, des schwersten bekannten elementaren Teilchens – es gilt als unteilbar, obwohl es so schwer wie ein Goldatom ist. Viele Physiker vermuten, dass durch die genaue Untersuchung des Top-Quarks Erkenntnisse über neue Formen der Materie gewonnen werden können. Die Gruppe sucht außerdem nach weiteren Higgs-Teilchen – die Entdeckung des bisher einzigen führte im letzten Jahr zur Verleihung des Nobelpreises an Peter Higgs und Francois Englert.

Der Wuppertaler Doktorand Timon Heim (links) und Prof. Dr. Peter Mättig erläutern den Aufbau des Pixeldetektors.

Die Wuppertaler Gruppe wurde für ihre Arbeiten am Teilchenbeschleuniger bislang mit über 18 Millionen Euro Drittmitteln gefördert, vor allem aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Vielfach arbeitete die Wuppertaler Gruppe mit Unternehmen aus der Bergischen Region zusammen. Zurzeit arbeiten etwa 40 Wuppertaler Physikerinnen und Physiker an dem Experiment. Es wurden bisher über 50 Diplom-, Master- und Doktorarbeiten an der Bergischen Universität zum LHC geschrieben.

Einige der aktuellen Doktorandinnen und Doktoranden der Wuppertaler CERN-Gruppe stellten den Gästen bei einem Kaffeetrinken ihre aktuellen Forschungsarbeiten vor. Abschließend führte Timon Heim, zurzeit Wuppertaler Doktorand am CERN, die Uni-Gäste durch das Labor, in dem der ATLAS-Pixeldetektor gebaut und getestet wird.

„Der Besuch am CERN hat mich sehr begeistert“, so Forschungs-Prorektor Prof. Dr. Michael Scheffel. „Die Arbeiten unserer Forscher dort zeigen, wie wichtig wissenschaftliches Knowhow der Bergischen Universität für internationale Spitzenforschung ist“.

Kontakt:
Prof. Dr. Peter Mättig
Telefon 0202/439-2761
E-Mail peter.mattig{at}cern.ch