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Kosmisches Rätsel: Jagd auf die geheimnisvolle Dunkle Materie

Sterne, Nebel, Galaxien füllen das All? Eher nicht. Was den Kosmos vor allem füllt, ist eine geisterhafte Substanz, über die fast nichts bekannt ist. Die Forscher am Cern wollen das ändern. Kann die "Weltmaschine" das Rätsel lösen?

Von Frank Ochmann

Zum Ende der Welt fährt eine Straßenbahn. Wer die Genfer Linie 18 an der letzten Station verlässt, muss zwar nicht gleich alle Hoffnung aufgeben, wie es einst der Dichter Dante von den Verdammten beim Eintritt in die Hölle verlangte. Doch alles Vertraute zumindest verliert an der Route de Meyrin 385 seine Bedeutung. “Lasst, die ihr eintretet, alle Gewissheiten fahren!", könnte denn auch ein moderner Dante über das Empfangsgebäude schreiben. Denn hier beginnt Cern, das europäische Kernforschungszentrum zwischen Jura und Mont Blanc, die Heimat der komplexesten Maschine, die je von Menschenhand gebaut wurde.

Davon sieht man erst einmal nichts, denn der mächtigste aller Teilchen-Zertrümmerer, der "Large Hadron Collider" (LHC), liegt 100 Meter tiefer in einem 27 Kilometer langen Ringtunnel. Darüber aber arbeiten Tag für Tag an die 7000 Menschen aus 100 Nationen einem einzigen Ziel entgegen: unser herkömmliches Bild von der Welt mit unbegreiflicher Wucht zerbersten zu lassen.

Nichts ist mehr sicher

Warum das nötig ist? Ein Grund findet sich weit draußen im All. Schon vor Jahrzehnten gewannen Astronomen den Eindruck, dass etwas ganz und gar Grundsätzliches im Kosmos noch nicht verstanden ist. Die Bewegung der rotierenden Galaxien zum Beispiel. Viele dieser Sternensysteme haben die Gestalt flacher Spiralen mit einem hell leuchtenden Wulst in der Mitte. Nach den gewohnten Regeln der Mechanik müssten sich Sterne am dünnen Rand einer solchen Galaxie viel langsamer bewegen als in der Nähe des massereichen Zentrums. Das ist wie bei der Pirouette auf dem Eis: Wer sich schneller drehen will, zieht die Arme dicht an den Körper heran und erhöht so die Masse nahe der Rotationsachse.

Bei Galaxien aber bewegen sich die äußeren Regionen ebenso schnell wie der massive Kern. Eine nach der anderen wurde vermessen. Und immer war das Resultat dasselbe: Irgendetwas Unsichtbares, irgendeine verborgene Masse beeinflusst die Bewegung solcher gigantischen Systeme. Anders lässt sich die Bewegung der Galaxien nicht erklären. Nach aktuellen Schätzungen gibt es mehr als fünfmal so viel "dunkle Materie" wie die uns vertraute. Was das ist? Niemand weiß es. Doch am Cern schreckt das keinen. Die Zeiten sind für Physiker so spannend wie lange nicht. Die Jagd auf die dunkle Materie hat begonnen. Und der große Beschleuniger des Cern ist die beste Waffe, die der Menschheit dafür zur Verfügung steht.

Oliver Brüning mit einem Magneten in der Testhalle: Der Wissenschaftler leitet den Betrieb des Beschleunigers.

Oliver Brüning mit einem Magneten in der Testhalle: Der Wissenschaftler leitet den Betrieb des Beschleunigers


Erst einmal aber lockt das Licht der Sonne. Es ist Mittagszeit, und auf der Kantinenterrasse zwischen der Route Marie Curie und der Route Bohr werden die Stühle knapp. Alle Straßen sind hier nach Helden der Naturwissenschaften benannt. Ihre zumeist jungen Nachfolger fluten das weitläufige Kantinenareal in bunten Gruppen. "Wir können es schaffen", sagt der 31-jährige theoretische Physiker Matthew McCullough. "Mit dem LHC müssten wir tatsächlich dunkle Materie produzieren können."

Doch auch den Begriffen ist nicht mehr zu trauen. Wenn an diesem Ort jemand "produzieren" sagt, dann meint er zumeist das: Man nehme Protonen, die aus einer handelsüblichen Gasflasche mit Wasserstoff stammen können. Denn der atomare Kern dieses Elements besteht aus nichts anderem. Die daraus gewonnenen Protonen bringe man dann mit aller verfügbaren Energie in Fahrt und zwinge sie bei einer Geschwindigkeit von fast 300 000 Kilometern pro Sekunde - das entspricht 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit - auf einen Kollisionskurs. Findet man nach dem großen Knall unter den in alle Richtungen schießenden "Produkten" auch Teilchen, die zu dunkler Materie passen könnten, hat man die eben "produziert" - und einen Nobelpreis so gut wie sicher.

Fünfmal mehr Dunkle Materie als Gewöhnliche

"So kann man auf einen Schlag sehr berühmt werden", sagt McCullough und grinst. "Ist das nicht aufregend? Ich könnte gar nicht anders leben. Selbst mit einem Hauptgewinn im Lotto würde ich nichts ändern." Wer dem jungen Nordiren ein paar Minuten zugehört hat, glaubt ihm das. Eine gewisse Besessenheit ist sicher eine gute Voraussetzung für einen Job am Cern. Und ein verständnisvoller Partner auch. Die Scheidungsrate in diesem Elite- Ghetto ist hoch, so wird gemunkelt. Mit 16 hat McCullough seine Frau Kate kennengelernt. Beide stammen aus demselben Stadtteil von Belfast, haben zusammen in Oxford studiert, dann ein paar Jahre in den USA verbracht. Ein typischer Lebenslauf hier.

Inzwischen haben die beiden eine Tochter und einen Sohn. Wenn die Kinder am Abend in ihren Bettchen liegen, sind die Kollegen des Vaters auf der anderen Seite des Atlantiks gerade beim Frühstück. Zeit für stundenlange Skype-Diskussionen über die ungelösten Rätsel der Physik. Und Schlaf? McCullough lacht. "Deshalb brauche ich viele Kaffeemaschinen um mich herum!" Selbst die sind vor dunkler Materie nicht sicher. Überall im Universum müsste sie nämlich zu finden sein. Und doch würden wir sie nicht einmal bemerken, wenn sie durch uns hindurchginge - was jede Sekunde geschieht, wenn man den Theoretikern traut.

Dunkle Materie lässt sich nicht ertasten, sie verdeckt nichts, sie hat keine elektrischen oder magnetischen Eigenschaften. Trotzdem ist sie aus keiner Geisterwelt. Matthew McCullough vermutet, dass sie aus Teilchen und vielleicht auch Atomen besteht wie gewöhnliche Materie auch – nur eben ganz anders. Da sie aber zumindest über die Massenanziehungskraft in unsere gewöhnliche Welt hineinwirkt, müsste sich mehr über den dunklen Anteil des Alls herausfinden lassen als seine bloße Existenz. Und wie anders sollte das gelingen, wenn nicht mit der mächtigsten Maschine auf Erden? Keine dringt tiefer ins Innerste der Materie vor als der LHC.

Am Cern führen auch kleinere Versuchsanordnungen zum tieferen Verständnis der Materie.

Am Cern wird nicht nur mit Hilfe des LHC geforscht, auch kleinere Versuchsanordnungen führen zum tieferen Verständnis der Materie.


Der deutsche Beschleunigerspezialist Oliver Brüning ist einer der Hauptverantwortlichen für die beiden gegenläufigen Protonenstrahlen, die in bis zu 12.500 Tonnen schweren Detektoren entlang des Beschleunigertunnels zur Kollision gebracht werden. Warum aber braucht es für so winzige Teilchen überhaupt eine große Maschine? Wer die Masse eines Protons in Gramm beziffern will, muss hinter dem Komma 23 Nullen schreiben, dann erst eine Eins. Die gewaltigen Dimensionen des LHC gehen auf Albert Einsteins Erkenntnisse zurück. "Seine Relativitätstheorie besagt, dass die Masse eines Körpers mit seiner Geschwindigkeit zunimmt", erklärt Brüning. Und diese sehr seltsame Theorie hat sehr praktische Folgen. Unendlich groß wäre die Masse eines Protons nach Einstein nämlich bei voller Lichtgeschwindigkeit.

Und die wird mit dem LHC fast erreicht. "Entsprechend schwer aber wird es für uns, den Teilchenstrahl in eine Kurve zu zwingen." Das kennt der gebürtige Hamburger noch vom Hafen: Je schwerer ein Schiff ist, desto "lieber" möchte es seinen Kurs halten.

Gekühlt auf minus 271 Grad Celsius

Protonen verhalten sich grundsätzlich nicht anders. Auch sie sind "träge". Da sie aber elektrisch geladen sind, lassen sie sich durch magnetische Felder leiten. Um sie auch nahe der Lichtgeschwindigkeit noch bändigen zu können, braucht es allerdings gewaltige Elektromagnete und für die eine Stromstärke von etwa 11.850 Ampere. Würde man die durch ein normales Metall wie Kupfer leiten, bliebe von der Anlage nichts als ein geschmolzener Klumpen. So gewaltig wäre die Hitze, die der elektrische Widerstand im Metall freisetzt. Also muss ein Material her, das möglichst widerstandslos leitet. Beim LHC wird derzeit eine Legierung aus den Metallen Niob und Titan verwendet, die nicht nur extrem hohe Stromstärken aushält, sondern sich zur Freude der Ingenieure auch einfach verarbeiten lässt. Leitungen können den gewünschten Formen angepasst werden, ohne zu brechen, wie Brüning in der Testhalle der Magnete demonstriert. Das rechteckige Stück in seinen Händen erinnert an grob gewebten grauen Stoff.

Entlang der Beschleunigerstrecke arbeiten bis zu 12.500 Tonnen schwere Detektoren wie gigantische Kameras.

Entlang der Beschleunigerstrecke arbeiten bis zu 12.500 Tonnen schwere Detektoren wie gigantische Kameras. Sie "fotografieren" die Milliarden Teilchenkollisionen.

 

Jeder damit ausgestattete Magnet des LHC wird vor dem Einsatz im Tunnel eingehend durchgecheckt. Der kleinste Fehler kann sich unter den extremen Bedingungen 100 Meter tiefer zur Katastrophe auswachsen. Denn dort herrscht eine Betriebstemperatur von minus 271 Grad Celsius. Allein das Abkühlen und Wiederauftauen der Anlage dauert rund ein halbes Jahr. Die extrem tiefe Temperatur aber ist erforderlich, um den elektrischen Widerstand der Leitungen nicht nur zu reduzieren, sondern sogar ganz verschwinden zu lassen: Niob-Titan wird bei genügender Kühlung "supraleitend". Ein paar Grad mehr als beim LHC wären für die elektrischen Leitungen auch noch in Ordnung. Die tiefere Temperatur aber verbessert als Bonus noch das Vakuum in den Strahlrohren. So haben die Protonen auf ihrem Weg durchs französisch-schweizerische Grenzgebiet wirklich freie Bahn.

Es kracht eine Milliarde Mal pro Sekunde 

Oliver Brüning erinnert sich an einen Umbau des LHC vor der Inbetriebnahme 2009. Tische aus glasfaserverstärktem Kunststoff waren unter den ungeheuren Belastungen im Tunnel gebrochen und mussten entlang der gesamten Strecke ausgetauscht werden. "Dadurch waren mehr als 1200 Magnete gleichzeitig oben. Ein eindrucksvolles Bild. Es gab hier keinen Parkplatz, der nicht mit ihnen vollgestellt war." Gut 14 Meter lang ist jedes Element - und etwa siebeneinhalb Zentimeter kürzer bei voller Kühlung. Dicht bleiben aber muss der LHC trotz der enormen Belastungen. Und nicht nur die Kälte, auch das erzeugte Magnetfeld zerrt an dem nur knapp sechs Zentimeter dicken Strahlrohr im Inneren: Meter für Meter beträgt die Last 400 Tonnen. Alle Kräfte müssen so exakt kompensiert werden, dass sich die Anlage nicht einmal um wenige Tausendstel Millimeter verzieht, egal, was entlang der kompletten Strecke von 27 Kilometern passiert. Damit allerdings ist nur ein gravierendes Problem gelöst. Der störungsfreie Betrieb des LHC liefert das nächste: Denn laufen die Protonenstrahlen gut, kracht es im LHC nicht weniger als eine Milliarde Mal pro Sekunde. Wo aber lässt man all die Daten, bis sie in Ruhe am Schreibtisch ausgewertet werden können?

Die von Detektoren aufgezeichneten Ergebnisse werden von Theoretikern analysiert und interpretiert.

Die von Detektoren aufgezeichneten Ergebnisse werden von Theoretikern analysiert und interpretiert


"Wir wollten bei der Planung unbedingt verhindern, dass das Computer Center zum Flaschenhals wird", sagt der gebürtige Amsterdamer Maarten Litmaath, der beim Cern für Datenmanagement zuständig ist. Angesichts der Flut von Messungen braucht es dabei Mut zu harten Entscheidungen, denn natürlich kann nicht alles gespeichert werden. Von 1000 "Ereignissen", wie das hier heißt - Protonenzusammenstößen also -, werden 999 schlicht nicht beachtet, geschweige denn analysiert. Weitere Selektionsschritte folgen. Am Ende bleiben von einer Milliarde Kollisionen nur noch 1000 übrig. Es ist eine eigene Kunst, die Filter so zu setzen, dass wirklich nur Uninteressantes im Müll landet und nicht etwa ein Nobelpreis. Ganze Physikergruppen sind damit beschäftigt.

Selbst nach dem rabiaten Ausmustern aber belegen die Daten vom LHC noch ein Gigabyte Speicherplatz pro Sekunde. Über zwei Stockwerke reihen sich im Computer Center des Cern auf der Fläche einer Fabrikhalle übermannshohe Regale mit Rechnermodulen. Die Kühlung rauscht ohrenbetäubend. Um die enorme Hitze der Elektronik abführen zu können, wird Luft durch dicke Rohre unter den Boden des Computer-Zentrums gepumpt, die von dort durch die Elektronikregale strömt und dann mit der überschüssigen Wärme wieder nach draußen gelangt. Ein Stockwerk tiefer, wo kleine Roboter zwischen den Regalen scheinbar wahllos Speicherbänder hin und her fahren, wagten sich die Konstrukteure an eine zusätzliche Wasserkühlung. "Wenn hier unten Leitungen platzen, ist das nicht so schlimm", sagt Litmaath. "Passiert das aber im oberen Stockwerk, sind die Server darunter womöglich alle verloren."

Der Large Hadron Collider (LHC) ist mit einer Länge von 27 Kilometern der größte Teilchenbeschleuniger der Welt.

Der Large Hadron Collider (LHC) ist mit einer Länge von 27 Kilometern der größte Teilchenbeschleuniger der Welt


Die meisten Daten wären es wohl trotzdem nicht. Denn ein weltumspannendes Netz von derzeit mehr als 170 Hochleistungsrechenzentren hilft, die Flut der Messungen zu bewältigen und Kopien zu sichern. In Genf gibt es viel Erfahrung damit. Auch das "World Wide Web" wurde vor einem Vierteljahrhundert am Cern erfunden. Auf einem Großbildmonitor ist eine Weltkarte zu sehen, über die Strahlen wie grüne Sternschnuppen von dem kleinen Klecks am Genfer See in alle Richtungen jagen. So wird ein Teil der Informationsströme sichtbar.

Elegante Hypothese oder Hirngespinst?

Die meisten Daten bleiben in Europa, aber auch Amerika und Asien sind fest in das Netz eingebunden. "Hier gilt der Grundsatz: Wer mitmachen will, muss etwas einbringen", erklärt Maarten Litmaath. Speicherplatz und Rechenkapazität werden gebraucht. Je mehr, desto besser. Die Gegenleistung? Kein Geld. Das Know-how und die Ehre, an einem Menschheitsprojekt teilzunehmen, müssen reichen. So wächst das Netz der Partner, und es braucht viel Mühe, um Wildwuchs zu vermeiden. "Ich war mal so naiv, zu glauben, dass diese Anlage hier irgendwann fertig ist und ich mich dann langweilen werde", klagt Litmaath. Doch die Verzweiflung im Blick des 48-Jährigen ist nur gespielt.

Wer am Cern arbeitet, womöglich gar wie er auf einer der rund 2500 unbefristeten Planstellen, kann sich zumindest als Wissenschaftler kaum etwas Besseres wünschen. Schon deshalb, weil er dann ziemlich sicher weiß, zur Weltspitze seines Fachs zu gehören. Akademische Titel oder feines Tuch muss hier niemand tragen, um Eindruck zu schinden. Vor allem für die vielen jungen Forscher aus aller Welt, die maximal sieben Jahre bleiben dürfen und das Cern wie ein frischer geistiger Wind durchströmen, bieten sich seltene wissenschaftliche Verlockungen. "Mancher kann denen so verfallen, dass der Weg zurück an die Heimatuni oder in einen Industriejob schwer wird", sagt Andreas Höcker. "Cern ist wirklich ein magischer Ort."

Der aus Aachen stammende Teilchenphysiker, der inzwischen das Forschungsprogramm eines der großen Detektoren am LHC koordiniert, gehört zu denen, die sich nicht einmal bewerben mussten. 2005 wurde er von einer Berufungskommission nach Genf gebeten. Davor lagen Forschungsaufenthalte in Bonn, Paris, Stanford - von einem Spitzeninstitut zum nächsten. "Es gibt Physiker, die sich schon von Kind an für die Natur interessieren", sagt Höcker. "Und es gibt die Knobeltypen, wie ich immer einer war. Ich habe gern Schach gespielt und Mathe gemacht. Das hat mich in die Physik gebracht."

Die gigantischen Anlagen am Cern werden von Kontrollräumen aus überwacht und gesteuert.

Die gigantischen Anlagen am Cern werden von Kontrollräumen aus überwacht und gesteuert


Höcker sitzt beim Cern an entscheidender Stelle, wenn es darum geht, das alte physikalische Weltbild zu zerschlagen und durch eine neues, passenderes zu ersetzen. Eines, in dem auch die dunkle Materie einen sinnvollen Platz hat. Heftiger und heftiger lassen sie es in Genf krachen. "Je höher wir beim LHC mit der Energie kommen, ohne etwas Neues zu finden, desto unwahrscheinlicher werden allerdings die existierenden Modelle", räumt Andreas Höcker ein.

Für die Teilchen der dunklen Materie gibt es gleich einen ganzen Strauß theoretischer Vorhersagen. "Es gibt Prognosen für sehr schwere dunkle Materie, aber auch für sehr leichte." Bald, so hoffen alle, sollten sie eine weitere leere Champagnerflasche als Trophäe zu der imponierenden Sammlung im Kontrollraum des LHC stellen können. Was aber, wenn das nicht passiert? Wenn gar nichts gefunden wird in den gut drei Jahren bis zur nächsten Wartungspause des Beschleunigers? Was, wenn die Technik des LHC bis zum Gehtnichtmehr ausgereizt wird, ohne den leisesten Hinweis auf dunkle Materie?

Reise ins Unbekannte 

Es gibt Theoretiker, die inzwischen nervös werden. Denn der Wert einer Theorie beweist sich im Experiment. Gelingt das nicht, ist auch die eleganteste Hypothese nichts als ein Hirngespinst. Doch noch besteht Hoffnung. "Wir dringen nun mal in Bereiche der Physik vor, in denen noch nie jemand gemessen hat", gibt Höcker zu bedenken. "Noch nie! Es geht uns doch wie in früheren Jahrhunderten den Entdeckern auf den Weltmeeren. Wir wissen überhaupt nichts von dem, was uns erwartet."

Einen Zweifel zumindest hat Andreas Höcker nicht: Er ist fest davon überzeugt, dass das Vordringen bis ins Innerste der Materie den ungeheuren Aufwand des LHC mit einem Jahresetat von einer Milliarde Euro wert ist. Pläne für einen neuen Ring von 100 Kilometer Länge sind sogar schon in Vorbereitung. Höcker weiß selbstverständlich, dass es Kritiker solcher Grundlagenforschung gibt. Haben die europäischen Staaten, aus denen vor allem Steuermillionen nach Genf fließen, nicht dringlichere Sorgen als die Suche nach der dunklen Materie?

"Natürlich kann man mit unserem Geld auch etwas ganz anderes machen", sagt Andreas Höcker. "Darum dürfen wir nicht leichtfertig mit unseren Mitteln umgehen oder uns zynisch auf unseren Lorbeeren ausruhen." Dann wird er grundsätzlich: "Die meisten von uns hier arbeiten wirklich Tag und Nacht. Aber das alles einstellen? Wie könnten wir uns als Menschheit nicht mehr für den Aufbau des Universums interessieren? Wie könnten wir nicht mehr neugierig sein? Ebenso gut könnte man verlangen, wir sollten keine Kunst mehr schaffen. Wir wären dann aber andere Menschen."

Diese Reportage stammt aus dem stern Nr.38 vom 10.9.2015.