Was, bitte, ist Masse? Der Large Hadron Collider – die "Weltmaschine" – soll helfen, fundamentale Einsichten in die physikalischen Grundlagen unserer Welt zu gewinnen.

Ein Gewicht, das auf der Erde eine bestimmte "Schwere" hat - sagen wir, 1 kp -, würde auf dem Mond nur 1/6 so "schwer" sein. Da sich beim Transport des Gewichtsstückes in der Rakete an dem Gewichtsstück selbst ja nichts geändert hat, muss es also etwas haben, was nicht von der Anziehungskraft von Erde oder Mond abhängt. Man hat dafür den Begriff "Masse" eingeführt, ohne ihn jedoch genauer beschreiben zu können. Schlägt man in Lehrbüchern der Physik nach, so findet man unter "Masse" nur den Hinweis, dass es sich um eine fundamentale Größe handele. So weit, so gut und richtig. Fragt man jedoch genauer nach, bleiben Fragen offen. Wodurch entsteht Masse? Wieso haben die verschiedenen Teilchenarten gerade die Massen, die wir messen können? Warum unterscheiden sich die Massen von Elementarteilchen je nach Teilchenart um elf Größenordnungen – etwa wie die Massen von Ameise und Elefant?
Tauchen wir hinab in die Welt der Elementarteilchen. Unser modernes Verständnis des Aufbaus von Materie beruht auf dem Standardmodell der Teilchenphysik. Damit können die bekannten Elementarteilchen charakterisiert und ihre Wechselwirkungen beschrieben werden. Die Voraussagen des Standardmodells sind durch teilchenphysikalische Experimente recht gut bestätigt. Dieses Modell sagt aus, dass fast die gesamte Masse der uns vertrauten materiellen Umgebung aus der kinetischen Energie der Quarks und Gluonen in den Protonen und Neutronen stammt. Den Rest liefert die Ruhemasse der fundamentalen (nicht weiter teilbaren) Teilchen (Elektronen , Quarks). Es fragt sich nur, woher diese Ruhemasse kommt - das Standardmodell liefert dazu keine Aussage. Auch bezieht das Standardmodell die Gravitation nicht mit ein und kann auch einige andere Beobachtungen nicht erklären. Außerdem müssen 18 Parameter, deren Werte nicht aus der Theorie hervorgehen, anhand von experimentellen Ergebnissen festgelegt werden. Man erhält den Eindruck, dass im Standardmodell nicht alles enthalten sei und es erweitert werden müsste.

Der britische Physiker Higgs nimmt an, dass das Universum aus einem "Quantensirup" besteht, der die durch ihn fliegenden Teilchen bremst. Die Teilchen werden dadurch "schwerer". Das erkläre ihren Massenzuwachs. Das nebenstehende Modell soll dies veranschaulichen. In einem Gefäß befindet sich eine Flüssigkeit, in die ein Prallblech eines Rührwerkes eintaucht. Das Rührwerk ist von außen drehbar. Ändert man die Position des Prallbleches von waagerecht zu senkrecht (man imitiert dadurch die Größe der Teilchen) und betätigt das Rührwerk, hat man den Eindruck, das Prallblech habe jetzt eine größere Masse, man muss mehr Kraft beim Bewegen des Rührwerkes aufwenden. (Natürlich liegen diesem Effekt hier andere Gesetzmäßigkeiten als das Higgs-Feld zu Grunde.)

Die heutige theoretische Physik versucht eine Antwort auf die Frage zu finden, woher die Ruhemasse der Teilchen kommt. Die Physiker postulieren ein neues Quantenfeld - das Higgs-Feld (benannt nach dem britischen Physiker Peter Ware Higgs) - und versuchen, es in das Standardmodell einzufügen. Dieses Feld müsste allerdings ungewöhnliche Eigenschaften haben - so müsste es das ganzen Universum erfüllen, es müsste auch überall gleich stark sein (das ist kein einziges unter den bisher bekannten Feldern). Alle Elementarteilchen gewännen ihre Ruhemasse durch Wechselwirkung mit diesem Feld. Wie sie aber wechselwirken, ist noch völlig offen. Man vermutet, dass das Feld die Teilchen gleichsam "einhüllt". Vielleicht kann man – so die Hoffnung der Physiker – mit dem Higgs-Feld u.a. auch das Wesen der Dunklen Materie aufklären, die das ca. Vier- oder Fünffache der gesamten beobachtbaren Materie im Weltall ausmacht und die bisher nur in ihrer Wirkung – z.B. dem Zusammenhalt der Galaxien –, nicht aber durch Beobachtung erkennbar ist.

Gigantische Detektoren für winzigste Teilchen Dieser Teilchendetektor ist der größte, der jemals gebaut wurde. Er ist fast so groß wie ein fünfstöckiges Haus - sein Durchmesser beträgt 25 m. Mit ihm wird die Strahlung (der Teilchenstrom) analysiert, der aus dem Strahlrohr des Colliders austritt. Hauptmerkmal des Detektors ist sein Magnetsystem. Es besteht aus 25 m langen supraleitenden Magnetspulen, die zylinderförmig um das Strahlrohr angeordnet sind. Das Magnetfeld krümmt die Spuren der Teilchen, so dass ihr Impuls gemessen werden kann. Text und Bild aus der Broschüre „Weltmaschine” des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

Existiert das Higgs-Feld wirklich? Nun ist man auf der Suche nach dem Träger dieses Feldes - dem Higgs-Boson. Die hierzu nötigen Energien sind mit bisherigen Teilchenbeschleunigern nicht erreichbar gewesen, alle Hoffnung richtet sich nun auf die "Weltmaschine". Diese "Maschine", der Large Hadron Collider (Hadronen sind Bausteine des Atomkerns, also könnte man die "Maschine" auch als einen "Großen Hadronen-Zertrümmerer" bezeichnen) ist ein gigantischer Teilchenbeschleuniger. Er befindet sich im Grenzgebiet von Frankreich und der Schweiz in 100 m Tiefe. Sein Haupt-Bestandteil ist ein Beschleunigerring mit einer Länge von 27 km. Hätte man ihn im Zentrum Dresdens erbaut, würde der Durchmesser des Beschleunigerringes etwa vom Bahnhof Cotta bis Blasewitz reichen. In ihm werden Protonen (und auch andere Teilchen) mit fast Lichtgeschwindigkeit aufeinander geschossen. Dadurch "zerplatzen" diese Teilchen zu noch kleineren Teilchen. Die Physiker erwarten mit verständlicher Ungeduld Ergebnisse aus den Auswertungen der riesigen Menge von Teilchenspuren, die bei den Experimenten anfallen. Bisher gab es darunter noch keine tragfähigen Anzeichen von Higgs-Bosonen – ist die Annahme falsch oder sind sie einfach nur sehr schwer nachzuweisen? Immerhin entsteht bei rund zehn Billionen Teilchenkollisionen statistisch nur ein einziges Higgs-Teilchen. Wenn die Weltmaschine mit voller Leistung läuft, sind das selbst bei 800 Millionen Kollisionen in jeder Sekunde nur wenige Higgs-Partikel pro Tag. Außerdem weiß man auch noch nicht, wie viele Arten von Higgs-Feldern es eigentlich gibt – für das Standardmodell würde zwar eine Art reichen, aber es wären auch noch weitere Varianten möglich. Außerdem entstehen auch Folgen für das Standardmodell selbst – in Bezug auf die Wechselwirkungen mit anderen Teilchen.
Der Nachweis von Higgs-Bosonen würde also eine Umwälzung in der theoretischen Physik bedeuten. Fragt man einen Physiker, ob mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens die Physik abgeschlossen wäre, so würde er antworten: Dann fängt die Physik erst richtig an. Allerdings – die gleiche Antwort wäre wohl auch zu erwarten, wenn dieses Teilchen nicht gefunden würde...

Text und Foto: Dipl.-Ing. G. Silbernagl