Rolf-Dieter Heuer

„Jeder in der Teilchenphysik wird auf den LHC schauen“

Welt der Physik sprach mit Rolf-Dieter Heuer, der am 1. Januar 2009 den Chefposten am CERN übernahm. Rolf-Dieter Heuer war zuvor Forschungsdirektor bei DESY. Das Interview wurde im April 2008 geführt, damals war Heuer noch Forschungsdirektor am DESY in Hamburg.

Rolf-Dieter HeuerRolf-Dieter Heuer im Interview
Video: Rolf-Dieter Heuer im Interview

Welt der Physik: Herr Heuer, ab 2009 sind Sie Chef des CERN. Koffer schon gepackt?

Rolf-Dieter Heuer: Die Koffer sind noch nicht gepackt. Der Umzug findet im Sommer 2008 statt. Derzeit pendele ich zwischen Hamburg, Genf und vielen anderen Orten.

Schauen Sie da manchmal neidisch auf Quantenobjekte, die an mehreren Orten zugleich sein können?

Das kommt vor. Speziell wenn ich mal wieder ganze Tage im Flieger verbringe, wünsche ich mir schon zuweilen, nicht nur an einem Ort sein zu müssen.

Am CERN werden Sie und Ihre Kollegen die Elemente des Allerkleinsten in hochhausgroßen Nachweisgeräten aufzuspüren versuchen. Die hausen in gigantischen Höhlen tief unter der Erde. Wieso ist Teilchenphysik so aufwendig geworden?

Je genauer Sie hinschauen, je tiefer Sie in die Materie blicken wollen, desto größer muss das Auflösungsvermögen Ihrer Mikroskope sein. Größeres Auflösungsvermögen heißt übersetzt höhere Energie. Je kleiner das Objekt, desto höhere Energie brauchen Sie, desto größer müssen die Beschleuniger und Detektoren sein, die dann die Teilchen nachweisen.

An den Experimenten nehmen auch immer mehr Personen teil. Gibt es da eine Grenze des Wachstums?

Hätten Sie mich vor 15 Jahren gefragt, hätte ich gesagt, die Grenze des Wachstums liegt irgendwo bei der zweifachen Zahl der damaligen Experimente. Das wären so 500 bis 1000 Leute gewesen. Es hat sich gezeigt, dass es jetzt bis mit zu 2000 Physikern und Ingenieuren funktioniert. Dies ist wohl ungefähr die Grenze, bei der solch ein Experiment in produktiver und effizienter Weise entwickelt, gebaut und betrieben werden kann.

Da gibt's auch viele soziale Hürden zu erklimmen.

Rolf-Dieter Heuer

Teilchenphysik war schon immer auch ein soziologisches Experiment. Manchmal ist es übrigens schwieriger, eine Kollaboration aus zwei Personen richtig zum Arbeiten zu bringen als eine aus zwanzig Personen. Die LHC-Experimente sind ein sehr schönes Experimentierfeld für zwischenmenschliche Beziehungen, für internationale Kollaborationen. Es sind ja alle Länder, die Teilchenphysik machen, am LHC beteiligt. Und diese Leute müssen Sie unter einen Hut bringen, sie müssen zusammen arbeiten. Das funktioniert wunderbar.

Sie waren an einem der Experimente am LHC-Vorgänger LEP beteiligt. Worin unterscheidet sich die Komplexität der beiden Vorhaben?

Bei LEP brachte man Elektronen mit Ihren Antiteilchen, den Positronen, zur Kollision. Beides sind punktförmige Teilchen. Jetzt mit dem LHC bringen wir Protonen mit Protonen zur Kollision. Protonen sind keine punktförmigen Teilchen mehr, sondern bestehen aus einem Konglomerat von Quarks und Gluonen. Wir bringen also ein Konglomerat von Quarks und Gluonen mit einem Konglomerat aus Quarks und Gluonen zum Zusammenstoß. Wir wissen nicht mehr im Voraus, ob nun ein Quark mit einem Quark, ein Quark mit einem Gluon oder ein Gluon mit einem Gluon reagiert. Wir haben also eine sehr viel kompliziertere Ausgangssituation und die zu verstehen, ist sehr viel schwieriger als bei der Kollision von punktförmigen Teilchen.

Higgs-Teilchen

Das besondere Augenmerk am LHC ist auf so genannte Higgs-Teilchen gerichtet. Von einigen werden diese Teilchen sogar „Gottesteilchen“ genannt. Was hat es mit diesem Teilchen auf sich?

Wir haben ein mathematisches Gerüst in der Teilchenphysik, das die Wechelwirkung zwischen den Teilchen erklärt. Das funktioniert hervorragend, aber leider nur für masselose Teilchen. Wir wissen nun aber, dass Teilchen eine Masse haben und der Higgs-Mechanismus erklärt, wie Teilchen zu einer Masse kommen können. Der Higgs-Mechanismus beschreibt eine Wechselwirkung der Teilchen mit dem so genannten Higgs-Feld. Dieses Feld erzeugt durch die Wechselwirkung mit sich selbst wieder ein Teilchen, das Higgs-Teilchen. Wenn wir das Higgs-Teilchen finden, dann wissen wir, dass es den Higgs-Mechanismus gibt und damit haben wir die Erklärung im Standard-Modell für die Masse der Elementarteilchen.

Glauben Sie denn, dass es Higgs-Teilchen gibt oder sind Sie sich gar sicher?

Ich glaube, dass das Higgs-Teilchen existiert. Ich weiß es nicht. Ich weiß es erst, wenn wir es finden. Ich weiß aber, dass es irgendetwas geben muss, das dieselbe Wirkung wie das Higgs-Teilchen hat. Es muss einfach eine Erklärung geben, warum die Elementarteilchen eine Masse haben.

Und wenn das Higgs-Teilchen nicht gefunden würde?

Dann müsste es etwas anderes geben. Das wäre auch sehr spannend. Jeder schaut jetzt auf das Higgs-Teilchen. Wir wissen, dass es was Neues geben muss, wir wissen aber nicht, wie es aussieht. Wenn es etwas anderes als das Higgs-Teilchen ist, dann muss es ganz ähnliche Eigenschaften haben wie das Higgs-Teilchen.

Und mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens wäre dem CERN der dritte Nobelpreis sicher?

Mit einem Funde wäre sicher Herrn Higgs der Nobelpreis sicher. Weiter möchte ich erst einmal nicht gehen. (grinst)

Supersymmetrie

Rolf-Dieter Heuer

Klingt doch großartig. Man braucht nur noch dieses Teilchen und die Teilchenphysik ist fertig?

Nicht ganz. Es gibt da schon noch ein leichtes Grummeln im Bauch, wenn man sich den gegenwärtigen Stand der Teilchenphysik vor Augen führt. Denn wir haben gewisse Probleme, 95 Prozent der Energie und der Materie im Universum zu erklären.

Das heißt, wir stehen zu Beginn des 3. Jahrtausends und Physiker wissen nicht, was 95 Prozent der Welt ausmacht?

Ja, die letzten paar Jahrzehnte haben in der Teilchenphysik fantastische Erfolge gezeigt. Sie haben die Materie um uns herum erklärt. Die Materie, so wie wir sie kennen, ist aber nur rund fünf Prozent des Universums. 95 Prozent des Universums kennen wir nicht. Wir wissen, es besteht zu etwa einem Viertel aus so genannter dunkler Materie, die wir nicht sehen, und zu etwa einem Dreiviertel aus dunkler Energie, die das Weltall auseinander treibt, die wir aber noch weniger verstehen.

An der Schwelle des Verständnisses dieser 95 Prozent stehen wir jetzt. Die so genannte Supersymmetrie ist eine Möglichkeit, die 25 Prozent dunkler Materie zu erklären. Und wir hoffen sehr stark, dass wir mit dem LHC den ersten Schritt in diese Richtung machen.

Die Supersymmetrie ist eine sehr faszinierende Theorie. Sie kreiert eine Schattenwelt, sie schafft noch einmal so viele Teilchensorten, wie wir jetzt haben.

Noch mehr Teilchen? Ist das nicht auf Dauer langweilig?

Sie können natürlich sagen, dass sei langweilig. Schließlich erklären wir etwas, indem wir die doppelte Anzahl von Teilchen einführen. Aber als Paul Dirac die Antimaterie eingeführt hat, hat auch er mit einem Schlag die Zahl der Teilchen verdoppelt. Und es war ein ungeheurer Wissensgewinn. Zudem ist die Supersymmetrie ein wichtiger Schritt bei der Suche nach einer großen vereinheitlichten Theorie, die die Kräfte des Standard-Modells auf eine Urkraft zurückführt.

Sie suchen am LHC nach Dingen, von denen man nicht weiß, was oder wo sie sind. Den Autofahrer, der seinen Schlüssel an der Laterne sucht – nicht weil er ihn dort verloren hat, sondern weil dort Licht ist, belächelt man. Was machen Sie anders?

Die LHC-Experimente sind offen für neue Physik, die von unseren theoretischen Kollegen noch nicht vorhergesagt wurde. Was wir anders machen als der Autofahrer, ist, dass wir wissen, dass sich die neue Physik von der bekannten Physik unterscheidet. Wir müssen also nach Prozessen suchen, die sich nicht durch die bekannten Prozesse erklären lassen. Darauf richtet sich unser Licht.

In der Öffentlichkeit wird über mögliche Gefahren durch schwarze Löcher gesprochen, die am LHC entstehen und unsere Welt vernichten könnten. Wie gefährlich ist der LHC?

Ungefährlich. Sofern solche winzigen schwarzen Löcher erzeugt würden, hätten sie aufgrund ihrer geringen Masse nicht genügend Anziehungskraft, außerdem zerfielen sie sofort in Bruchteilen einer Sekunde. Im Universum, übrigens auch in der Erdatmosphäre, gibt es seit Milliarden Jahren Zusammenstöße von Teilchen weit höherer Energie und die Erde existiert immer noch.

Rolf-Dieter Heuer

Teilchen, die Masse erzeugen. Dunkle Materie. Teilchenverdopplung. Ganz schön weit weg für Otto Normalbürger. Glauben Sie, dass das irgendwann einmal Alltagswissen werden wird? So wie die Tatsachen, dass es Strom und Atome gibt?

Ich denke schon. Vor vielen Jahren hätte man nicht gedacht, dass Begriffe wie Quarks oder Leptonen Bestandteil des Schulunterrichts werden. Alles, was an neuem Wissen hinzukommt, findet auch irgendwann Einzug in die Schule oder die Lehrbücher. Das ist sehr wichtig zur Motivation der jungen Leute.

So kam ich zur Physik: In der Schule auf dem Gymnasium hatte ich im ersten Jahr Physik einen sehr, sehr guten Lehrer, der sehr motivierend war und mich nach kurzer Zeit zu sich rief und sagte: Heuer, wenn Du nicht Physik studierst, machst Du was falsch. Ich hoffe, ich habe es richtig gemacht.

Braucht es mehr solcher Lehrer?

Eindeutig ja. Wir tun auch viel für Lehrer. Sowohl bei DESY als auch am CERN gibt es Möglichkeiten für Praktika und Kurse für Lehrer. Es ist ganz, ganz wichtig, Lehrer an die neuesten Forschungsergebnisse heranzuführen, das motiviert die Lehrer zusätzlich und das überträgt sich auch auf die Schüler.

Herausforderungen

Aber bevor die LHC-Physik in Schulbücher eingeht, muss die Maschine erst einmal funktionieren. Der LHC stößt in völlig neue Bereiche vor. Der Zeitplan musste mehrfach korrigiert werden.

Der LHC ist eine Maschine, die völlig neue Technologien anwendet – sowohl beim Beschleuniger als auch bei den Nachweisgeräten. Es war eine große Herausforderung, diese Technologien zu entwickeln und dann zu industrialisieren, sprich: dass die Industrie die benötigten Komponenten in Massen in gleicher Qualität herstellt. Nicht nur der LHC, die Teilchenphysik insgesamt ist Motor für Technologien. Sie können nicht an vorderster Front der Teilchenphysik forschen, ohne auch Neuland der Technologie zu betreten. Dabei geht es nicht nur um Technologie auf dem Gebiet der Detektoren, sondern auch um Fortschritte in der Mechanik, in der Ausleseelektronik und in der Software. Vergessen Sie nicht: Das World Wide Web wurde am CERN eingeführt, weil die Teilchenphysiker eben dieses Instrumentarium brauchten, um Information auszutauschen. Jetzt wird das GRID eingeführt, Computing aus der Steckdose, weil wir für den LHC die großen Datenmengen schnell verarbeiten müssen.

Die große Herausforderung, die jetzt noch vor uns liegt, besteht darin, den LHC zum Laufen zu bringen. Es wird auch Monate und Jahre dauern, bis die Detektoren voll verstanden sind.

Vier solche Detektoren gibt es am LHC-Beschleuniger.

Rolf-Dieter Heuer

Ja, zwei der Experimente – ATLAS und CMS – sind Allzweckexperiment, die offen sind für alle Fragen der neuen und Standard-Modell-Physik.

Das Experiment LHCb ist insbesondere darauf ausgelegt, die so genannte CP-Verletzung zu untersuchen und damit der Frage nachzugehen, woher eigentlich die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie kommt. Schließlich bestehen wir aus Materie und nicht aus Antimaterie, obwohl beides im Urknall zu gleichen Teilchen entstanden sein müsste.

Das vierte Experiment ALICE benutzt eine andere Arbeitsweise des LHC-Beschleunigers: Er wird nicht nur Protonen auf Protonen schießen, sondern auch schwere Kerne auf schwere Kerne. ALICE wird diese Zusammenstöße untersuchen und damit einen besonderen Materiezustand erforschen, das so genannte Quark-Gluon-Plasma.

ATLAS und CMS machen im Grunde dasselbe. Sie schießen also mit zwei Kanonen auf die Spatzen?

Das sind keine Spatzen, sondern wertvolle Vögel. Es ist sehr wichtig, dass eine wissenschaftliche Entdeckung, die unter Umständen eine Gruppe von Leuten macht, von einer anderen Gruppe unabhängig bestätigt wird. Außerdem haben die beiden Experimente unterschiedliche Auslegungen ihrer Detektoren und unterschiedliche Schwerpunkte, so dass sie gleiche Dinge auf verschiedene Weisen ansehen können. Vor allem aber gibt es auch Wettbewerb zwischen den beiden Kollaborationen. Das ist ein sehr freundschaftlicher Wettbewerb, bringt einen aber dazu, alles noch einmal viel genauer anzuschauen.

Bevor Sie wussten, dass sie CERN-Chef werden: Hatten Sie ein Lieblingsexperiment am LHC?

Selbstverständlich nicht (lacht). Und das ist auch fast wahr. Ich glaube, es weiß keiner, ob ich einen Favoriten hatte und wenn welchen. Aber die offizielle Antwort lautet natürlich: Nein.

Für das CERN gibt es im Moment fast nur den LHC, auch aufgrund finanzieller Engpässe. Was wird das CERN sonst noch machen?

Das CERN wird nach wie vor alles auf den LHC setzen. Denn er ist es, der die Zukunft des Feldes bestimmen wird. Jeder in der Teilchenphysik wird auf den LHC schauen.

Parallel dazu wird es Entwicklungsarbeiten geben, sowohl für eine Erhöhung der Reaktionsrate am LHC und auch für einen neuen Linearbeschleuniger, der – wie es auch in der Vergangenheit immer der Fall war – in exzellenter Weise die Ergebnisse des LHC ergänzen wird.

Es könnte ja auch sein, dass der LHC gar nichts Spannendes findet. Haben Sie sich schon bei dem Gedanken ertappt, dann der letzte Chef eines Teilchenphysiklabors auf Erden zu sein?

Sicherlich habe ich auch schon mal an die sehr unwahrscheinliche Möglichkeit gedacht, dass der LHC nichts findet. Dann muss ich aber erst einmal zurück fragen: Zu welchem Zeitpunkt erklären Sie, dass der LHC nichts Neues gefunden hat? Das ist eine sehr schwierige Frage, weil es eben sehr seltene Prozesse geben kann, nach denen man lange suchen muss. Deswegen ist es auch so wichtig, sich darauf vorzubereiten, die Reaktionsrate am LHC zu vergrößern. Das würde in den Jahren 2015 bis 2020 passieren. Erst danach könnte man sich an den Kopf kratzen und fragen: Hat der LHC wirklich nichts gefunden? Das heißt aber auch, dass dies die Aufgabe meines Nachfolgers sein würde. Ich bin aber überzeugt, dass wir Neues finden werden, zum Beispiel in Richtung dunkler Materie. Der letzte Chef eines Teilchenphysiklabors bin ich sicherlich nicht.

Schauen wir noch weiter in die Zukunft. Max Planck riet man davon ab, Physik zu studieren, weil alles Wesentliche schon erforscht wäre. Dann brachte er die Quantenphysik ins Rollen. Wird es ein Ende der Physik geben?

Nein, mit Sicherheit nicht. Mit allen Erkenntnissen, die wir gewinnen, lernen wir neue, detailliertere Fragen zu stellen, die wir wieder beantworten wollen. Das treibt uns ja an, und das treibt – glaube ich – auch die Menschheit an.

Hatten Sie jemals Zweifel, dass wir Menschen das vielleicht doch nicht alles verstehen können?

Ich zweifle ständig, wie viel wir verstehen können. Ich weiß, dass unsere Aufnahmefähigkeit, unsere Verständnisfähigkeit schon beschränkt ist, aber ich glaube, wir sollten bis an die Grenzen dessen gehen.

(Verabschiedet sich, zieht seine Krawatte wieder an, bemerkt, dass er gut drauf aufpassen müsse, weil er so viele nicht habe und verlässt den Hörsaal.)

Zur Person Rolf-Dieter Heuer

Rolf-Dieter Heuer ist seit 2009 Generaldirektor von CERN. Am weltweit größten Teilchenphysiklabor in der Nähe von Genf erlebt er eine äußerst aufregende Zeit. Denn im neuen Teilchenbeschleuniger LHC drehen Protonen bei bisher unerreichten Energien ihre Runden und lassen Physiker auf die Entdeckung neuer Physik hoffen.

Rolf-Dieter Heuer promovierte im Jahr 1977 in Teilchenphysik an der Universität Heidelberg, arbeitete am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY am Experiment Jade und wechselte danach zum OPAL-Experiment am CERN. Von 2005 bis 2008 war er Forschungsdirektor bei DESY in Hamburg.