Urknall Szenario mit Experiment Alice im Teilchenbeschleuniger

An der grössten Forschungsmaschine der Welt haben viele Physiker in diesen Tagen nur noch Augen für «Alice». Die Abkürzung steht für «A Large Ion Collider Experiment», die Forscher sind damit den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall auf der Spur.

Kurz vor einer zweijährigen Betriebspause schaltet der weltgrösste Teilchenbeschleuniger bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (Cern) noch einmal in einen anderen Gang. Seit Mittwoch läuft die Maschine mit Blei-Ionen statt Protonen auf Hochtouren. Die Blei-Ionen werden in dem 27 Kilometer langen ringförmigen Tunnel unter der Erde mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zur Kollision gebracht. Worum geht es?

Am 3. Dezember wird der Beschleuniger für eine routinemässige Wartung abgeschaltet. Bis dahin kommt das Experiment «Alice» zum Zuge. «Wir wollen das Quark-Gluon-Plasma erzeugen», sagte Physiker Robert Münzer von der Universität Frankfurt, mitverantwortlich für das Experiment.

Plasma entsteht, wenn Kernmaterie sehr stark erhitzt wird. Quarks sind die Bestandteile von Protonen und Neutronen, Gluonen die Elemente, die Quarks verbinden - vom englischen «glue» für Kleber. Die Blei-Ionen zerfallen bei entsprechender Hitze in diese Bestandteile. Unvorstellbarer Hitze. «Wir brauchen bis zu 200'000 Mal die Kerntemperatur der Sonne», sagte Münzer. «In dem Zustand müsste etwa die Materie gewesen sein, kurz nach dem Urknall.» Das war vor fast 14 Milliarden Jahren. «Wir wollen herausfinden, was innerhalb der ersten Nanosekunden des Weltalls vor sich gegangen ist.»

Der Moment, in dem Blei-Ionen in Quarks und Gluonen zerfallen, hält weniger als eine trilliardstel Sekunde an. Dabei werden Teilchen erzeugt, die aus dem Beschleuniger fliegen. Es sind etwa 4000 pro Bleikern-Kollision, ihre Spuren können von Münzer und seinen Kollegen mit Messinstrumenten erfasst und analysiert werden. Aus den Ergebnissen lässt sich auf die Entstehung von Materie kurz nach dem Urknall zurückschliessen, so die Hoffnung.

Seit Blei-Ionen in entgegengesetzter Richtung durch den Beschleuniger gejagt werden, ist Münzer in Daueralarmbereitschaft, auch um 04.00 Uhr morgens. «Ich schlafe dann praktisch neben meinem Telefon», sagte er. Probleme mit Druck, Temperatur oder der Hochspannung müssen sofort behoben werden, damit die Teilchen weiter gemessen werden können. Je mehr Daten, desto mehr lernen die Physiker über die Anfänge des Universums.

Ein Physikerteam hat gerade erst gezeigt, wie wertvoll «Alice» ist. Sie konnten anhand der Experimente theoretische Vorhersagen bestätigen, etwa, dass aus Quark-Gluon-Plasma bei 156 Megaelektronenvolt Materiebausteine wie Protonen, Neutronen oder Atomkerne hervorgehen. «Das entspricht einer Temperatur, die 120'000 Mal heisser ist als das Innere der Sonne», berichteten sie.

Wenn der Beschleuniger am 3. Dezember abgeschaltet wird, werden neben der Wartung auch umfangreiche Baumassnahmen für eine Runderneuerung vorangetrieben. Die Maschine soll noch leistungsstärker werden. Die Physiker bekommen zur Zeit eine Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde. Mit neu entwickelten Materialien und stärkeren Magneten sollen es in ein paar Jahren fünf Milliarden sein.

Auch die «Alice»-Physiker profitieren. «Mit unseren Blei-Ionen bekommen wir heute etwa 10'000 Kollisionen pro Sekunde», sagte Münzer. «Nach dem Umbau werden es 50'000 sein.» Auch die 10'000 Tonnen schwere «Alice» – ein 16 mal 26 Meter langer Detektor – bekommt ein umfassendes Upgrade. Mit neuen Messinstrumenten können die riesigen zusätzlichen Datenmengen dann verarbeitet werden.