GENF: Mehr Energie, mehr Kollisionen: Der Teilchenbeschleuniger LHC wird aufgerüstet. Was Forscher am Cern danach hoffen endlich zu entdecken - und wie MRT-Patienten von der Technik profitieren könnten.

Die größte Forschungsmaschine der Welt, der 27 Kilometer lange Teilchenbeschleuniger LHC in Genf, steht vor einem Leistungsschub der Superlative. Mit der hochfrisierten Maschine wollen Physikerinnen und Physiker der Europäischen Organisation für Kernforschung (Cern) in Genf in einigen Jahren in neue Dimensionen der Teilchenphysik vorstoßen. «Wir könnten neue Teilchen finden und durch neue Präzisionsmessungen bestehende Theorien verwerfen», sagt Projektleiter Markus Zerlauth. «Das wird richtungsweisend für Zukunftsprojekte.»

Mit dem neuen Beschleuniger HL-LHC wollen die Teams ab 2030 einem der größten Geheimnisse des Universums näherkommen: Wie ist die unsichtbare Dunkle Materie beschaffen, die zusammen mit Dunkler Energie etwa 95 Prozent des Universums ausmacht? Die Bestandteile der Materie, aus denen alles ist - Mensch, Tier, Natur, Luft, Wasser - sind bekannt: Neutronen, Protonen, Quarks und Leptonen. Aber es ist nie jemand gelungen, die Teilchen, die hinter der Dunklen Materie stecken, nachzuweisen.

«Die Theorie ist, dass sie viel schwerer sein könnten als die bekannten Teilchen, das heißt, man braucht Energie oder mehr Kollisionen, um sie nachzuweisen», sagt Zerlauth. Diesen Leistungsschub bekommt der Beschleuniger nun.

Mächtigere Magnete und bessere Detektoren

Ab Montag (29. Juni) um 06.00 Uhr steht der Beschleuniger still. Dann jagen keine Protonenstrahlen mehr mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und auf Kollisionskurs im Beschleuniger-Ring. Die Maschine lieferte mit wenigen Unterbrechungen seit 2010 Daten für bahnbrechende Erkenntnisse. Unter anderem wurde 2012 das Higgs Boson-Teilchen nachgewiesen, ein immens wichtiges Puzzlestück der Teilchenphysik.

Rund zwei der 27 Kilometer des Rings werden komplett erneuert, mit mächtigeren Magneten und besseren Detektoren, die die Zerfallsprozesse nach den Kollisionen aufzeichnen. Cern-Physikerin Nedaa-Alexandra Asbah vergleicht dies mit der Fotografie. «Es ist, als würde man die Kamera im Herzen des Detektors durch eine Kamera mit wesentlich feineren Pixeln ersetzen», sagt sie.

Und, als würde man Unmengen Fotos machen. Asbah vergleicht dies mit Wildtierfotografie. «Wenn man nur ein paar Fotos macht, kann man zwar die Tiere identifizieren, verpasst aber seltene Verhaltensweisen. Wenn man Millionen hochwertiger Fotos macht, beginnt man, Details zu erkennen, die zuvor unsichtbar waren.»

Cern-Entwicklung hilft in der Medizin

Für die Leistungssteigerung mussten unter anderem neue Supraleiter entwickelt werden - also Materialien, die praktisch ohne Energieverlust Strom weiterleiten. Dies brauchen die Magnete, die die Protonenstrahlen stärker als bisher fokussieren sollen, damit mehr Kollisionen stattfinden.

Bei Protonenkollisionen entstehen extreme Temperatur und Energie wie in den Millisekunden nach dem Urknall, mit dem das Universum entstanden ist. Präzisionsmessungen erlauben dann, die Prozesse, die dadurch ausgelöst werden, besser zu verstehen und Rückschlüsse auf die Entstehung der Materie zu ziehen.

Wie vieles, was für die Grundlagenforschung am Cern entwickelt werde, finde auch das neue supraleitende Material direkt Anwendung, zum Beispiel in der Medizin, bei der Magnetresonanztomografie (MRT), sagt Zerlauth. Das, was Patienten bei einer MRT-Untersuchung in der Röhre brummen hören, ist ein supraleitender Magnet. Mit der neuen Entwicklung könnten etwa die Röhren breiter werden, die manche Patienten als beängstigend eng empfinden.

Vier Jahre soll die Modernisierung dauern. Die Gesamtkosten mit Vorarbeiten liegen bei 1,2 Milliarden Franken (1,3 Mrd Euro). Das sei trotz des Kriegs in der Ukraine und der Covid-Pandemie, die Kosten in die Höhe getrieben haben, nur 16 Prozent über dem ursprünglichen Budget von 2016, sagt Zerlauth.