Beschleunigungsanimation

Der internationale Linearcollider ILC

Das nächste große Zukunftsprojekt der Teilchenphysik ist der internationale Linearcollider ILC – ein gewaltiger Linearbeschleuniger, in dem Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, mit Energien von 500 bis etwa 1000 Milliarden Elektronenvolt kollidieren.

Leistungsstärkster Beschleuniger der Welt ist der Protonenbeschleuniger LHC in Genf. Als „Entdeckungsmaschine“ wird der LHC erste Einsichten in das Neuland hoher Energien liefern. Die großen Rätsel des Universums werden sich jedoch nur in Verbindung mit einer weiteren „Präzisionsmaschine“ lösen lassen – einem Linearbeschleuniger, in dem Elektronen und Positronen bei höchsten Energien zusammenstoßen.

Präzisionswerkzeug bei höchsten Energien

Die Teilchenphysiker weltweit sind sich einig, dass die Entdeckungen des derzeit leistungsstärksten Beschleunigers der Welt, des Large Hadron Collider LHC beim Forschungszentrum CERN in Genf, nur durch einen Elektron-Positron-Beschleuniger vervollständigt werden können. Mit seinen einzigartigen Präzisionsmessungen würde ein solcher Beschleuniger es ermöglichen, die Geheimnisse der Teraskala – jenem Energiebereich von Billionen Elektronenvolt (Teraelektronenvolt), in dem die Physiker entscheidende neue Entdeckungen erwarten – in all ihren Facetten auszuleuchten.

Ein solches Zukunftsprojekt ist der International Linear Collider ILC, an dessen Entwicklung auch das Forschungszentrum DESY in Hamburg und Zeuthen mitwirkt: ein etwa 35 Kilometer langer Linearbeschleuniger, in dem Elektronen und Positronen mit Energien von 500 bis etwa 1000 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt, GeV) kollidieren. Der ILC besteht aus zwei sich gegenüber liegenden Linearbeschleunigern, in denen die Elektronen und ihre Antiteilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander zurasen. Supraleitende Resonatoren bringen die Teilchen auf immer höhere Energien, bis sie in der Mitte der Rennstrecke mit großer Wucht aufeinander prallen.

Diese Computergrafik zeigt, wie Teilchen in einem Hohlraum aus mehreren hintereinander geschalteten ovalen Zellen durch elektromagnetische Felder beschleunigt werden. Die elektromagnetischen Felder sind durch farbige Feldlinien dargestellt.
Simulation: Teilchenbeschleunigung in einem supraleitenden Resonator

LHC und ILC: Komplementäre Ansätze

Der LHC beschleunigt Protonen, denen wegen ihrer großen Masse eine sehr hohe Energie mitgegeben werden kann. Bei den Zusammenstößen können aus dieser Energie sehr massereiche neue Teilchen entstehen. Der LHC ist also eine „Entdeckungsmaschine“, die neue Teilchen sucht und findet. Weil jedoch die schweren Protonen aus mehreren Quarks bestehen, platzt beim Zusammenstoß eine Vielzahl von Bruchstücken nach allen Seiten weg. Daher ist es schwer, die Eigenschaften der neu erzeugten Teilchen präzise zu messen.

Hier setzt der Linearbeschleuniger ILC an: Im ILC stoßen punktförmige Elektronen auf ihre ebenfalls punktförmigen Antiteilchen, die Positronen. Beide Teilchen vernichten sich gegenseitig und verwandeln sich vollständig in Energie, aus der neue Teilchen entstehen können. Da man so die Anfangsbedingungen bei der Teilchenerzeugung sehr genau kennt und keine „Reste“ der Stoßpartner verbleiben, ist das Ergebnis viel einfacher zu interpretieren als bei Protonenzusammenstößen. Der ILC ist also eine „Präzisionsmaschine“, mit der man extrem genau die Eigenschaften von neuen Teilchen messen kann – beispielsweise Masse, Lebensdauer, Spin und Quantenzahlen. Dank seiner hohen „Trefferrate“, also der Anzahl miteinander kollidierender Teilchen, kann der ILC neue Teilchen „am laufenden Band“ produzieren – und je mehr Messdaten verfügbar sind, desto genauer werden die Ergebnisse. LHC und ILC haben somit verschiedene Stärken, sie untersuchen verschiedene Aspekte der gleichen Probleme und ergänzen sie sich damit in idealer Weise.

Rätselhaftes Universum

Computergrafik von mehreren Teilchenspuren, die vom Mittelpunkt des Bildes nach außen verlaufen.
Simulation: Spuren eines Higgs-Teilchens

In jüngster Vergangenheit haben Experimente und Beobachtungen eine überraschende Erkenntnis zutage gebracht: Wir können nur vier Prozent des Universums erklären. Die Wissenschaftler nehmen an, dass die verbleibenden 96 Prozent aus unbekannter dunkler Materie und dunkler Energie bestehen und das Universum somit viel rätselhafter und vielfältiger ist als ursprünglich vermutet. Dank seiner hohen Energien und seiner unerreichten Präzision wird der ILC einen völlig neuen Zugang zu den Geheimnissen des Kosmos ermöglichen, der mit heutigen Anlagen unerreichbar ist. Gemeinsam könnten LHC und ILC einige der größten Rätsel des Universums lösen. Mit den Entdeckungen des LHC als Wegbereiter würde der ILC die fehlenden Teile des Puzzles liefern – und Antwort geben auf die zentralen Fragen unseres Jahrhunderts zur Natur von Materie, Energie, Raum und Zeit sowie zur dunklen Materie, dunklen Energie und Existenz von Extradimensionen.

Weltweite Zusammenarbeit

Der ILC soll als globales Projekt gebaut und betrieben werden. Weltweit gab es mehrere Vorschläge für eine solche Anlage, die sich durch die Wahl der Beschleunigertechnologie unterschieden. Nach intensiver Begutachtung entschied das Komitee, das die Teilchenphysik weltweit vertritt, im Sommer 2004: Für den künftigen Linearbeschleuniger – nun offiziell als International Linear Collider ILC bezeichnet – wird die supraleitende TESLA-Technologie eingesetzt, die DESY und seine internationalen Partner gemeinsam entwickelt haben. Seither laufen die Entwicklungs- und Planungsarbeiten für den ILC in weltweiter Zusammenarbeit auf Hochtouren. Über 2000 Wissenschaftler aus über 25 Ländern sind mittlerweile daran beteiligt und arbeiten gemeinsam an der Erstellung eines technischen Projektvorschlags inklusive Kostenplanung, über welchen dann auf politischer Ebene entschieden werden kann.