Teilchenphysik zum Anfassen
Forschungszentrum CERN wird 70 – Bergische Universität feiert in der CityKirche mit
Seit 70 Jahren sind Forschende am CERN den Geheimnissen unseres Universums auf der Spur. // Foto Colourbox
Seit 70 Jahren gibt es bei Genf in der Schweiz das Forschungszentrum CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung. Mit seinen größeren Teilchenbeschleunigern treibt es beständig die Grenzen unseres vorhandenen Wissens über die Bestandteile und Regeln unseres Universums voran. Tausende Menschen aus der ganzen Welt forschen hier – seit mehr als 50 Jahren sind unter ihnen auch Wissenschaftler*innen der Bergischen Universität Wuppertal. Was ihre tägliche Arbeit so spannend macht, für welche Entdeckungen sie bereits den Weg mitgeebnet haben und wie neueste Entwicklungen voranschreiten, darüber berichten sie am 16. September in der CityKirche Elberfeld in der Zeit von 13 bis 18 Uhr.
Dazu laden sie alle Interessierten ein, live mitzuexperimentieren, Blicke auf moderne Forschungsgeräte zu werfen und viele Fragen zu stellen. „Teilchenphysikalische Prozesse laufen auf so kurzen Zeitskalen und so kleinen Raumdimensionen ab, dass sie den menschlichen Sinnen nicht direkt zugänglich sind. In der CityKirche wird sich das ändern: Hier schaffen wir für unsere Gäste spannende Möglichkeiten, in diese faszinierende Welt einzutauchen und zu verstehen, woraus unser Universum besteht und wie es funktioniert“, so Mitgastgeber Prof. Dr. Wolfgang Wagner aus der Arbeitsgruppe Experimentelle Elementarteilchenphysik.
Im Jahr 2024 begeht das CERN seinen 70. Geburtstag. Deutschland, als Gründungsmitglied und größter Beitragszahler, würdigt diesen runden Geburtstag mit vielen großen und kleinen Veranstaltungen im September. Die Hauptfeierlichkeiten zum 70. CERN-Jubiläum in Deutschland finden in der ersten Septemberwoche in Berlin statt. CERN-Forschende gibt es nicht nur in Genf – mehr als 1.000 Menschen sind an Universitäten und Forschungseinrichtungen in Deutschland an der CERN-Forschung beteiligt. Sie haben in der Zeit vom 16. bis 22. September ein buntes Programm zusammengestellt, das für jeden etwas bietet: Ausstellungen, Vorträge, Workshops und mehr.
Zentrale Informationen zu den Feierlichkeiten gibt es auf der offiziellen Veranstaltungswebseite.
Luftbild des Forschungszentrums CERN. Eingezeichnet ist der Verlauf des LHC. // Foto CERN
Die Uni und das CERN I: Den Teilchen auf der Spur
Mit ringförmigen Teilchenbeschleunigern wie dem „Large Hadron Collider“, der mit 27 Kilometern Umfang zu den weltweit größten und leistungsstärksten gehört und das Flaggschiff-Projekt des CERN ist, werden Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigt. Beobachtet werden sie dabei von Detektoren, die schließlich die Ergebnisse der Kollisionen erfassen und Aussagen über die Wechselwirkung der Teilchen zulassen. Die so gewonnenen Daten helfen dabei, die noch offenen Fragen zur Entwicklung unseres Universums zu beantworten. Unter der Leitung der Professoren Wolfgang Wagner und Christian Zeitnitz analysieren Teilchenphysiker*innen der Bergischen Universität seit vielen Jahren Daten des ATLAS-Detektors. Schwerpunkte der Forschung sind die Vermessung der Eigenschaften des 2012 am CERN neu entdeckten „Higgs-Teilchens“ und des schwersten der bekannten Elementarteilchen, des „Top-Quarks“, sowie die Suche nach neuen, noch unbekannten Teilchen und Kräften. Unterstützt wird diese Forschung durch das eigene wissenschaftliche Höchstleistungsrechenzentrum PLEIADES, mit dem die Bergische Uni Ende der 2000er als eine der ersten deutschen Forschungsinstitutionen vollständig in die CERN-Infrastruktur eingebunden wurde und ATLAS-Daten vollautomatisch verarbeitet werden können.
An einem zweiten LHC-Experiment mit dem CMS-Detektor erforscht Prof. Dr. Katerina Lipka mit ihren Kolleg*innen unter anderem die Eigenschaften des Top-Quarks in Bezug auf die Vorhersagen der Stabilität unseres Universums und auf das Verständnis der starken Kraft, die die Materie zusammenhält.
Der ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider ist eines der vier großen Experimente am CERN. // Foto CERN
Die Uni und das CERN II: Nachwuchs begeistern
Ein weiteres Projekt am CERN verbindet die beteiligten Wissenschaftler*innen mit dem Ziel, die Forschung im Bereich der kleinsten Teilchen der breiten Öffentlichkeit, insbesondere Jugendlichen, zugänglich zu machen. Dabei haben Schüler*innen die Möglichkeit, in Workshops, Experimenten und sogenannten Masterclasses die Teilchenphysik zu erleben. Auch an der Bergischen Universität kommen für letztere regelmäßig Schüler*innen aus der Region zusammen: Indem sie gemeinsam mit Wissenschaftler*innen arbeiten und Originaldaten der LHC-Experimente auswerten, erhalten die Jugendlichen einen Eindruck davon, wie in der modernen Physik geforscht wird. Einer der Programmhöhepunkte ist eine abschließende Videokonferenz mit zeitgleich stattfindenden Masterclasses in ganz Europa und Wissenschaftler*innen am CERN zum Austausch über die Ergebnisse.
Die Uni und das CERN III: Über den Tellerrand der Physik geschaut
In der Forschungsgruppe „The Epistemology of the Large Hadron Collider“ haben Wissenschaftler*innen aus drei Nationen bis 2023 die Forschungen mit dem Teilchenbeschleuniger LHC aus philosophischer, historischer und soziologischer Sicht untersucht. Im Fokus der Zusammenarbeit zwischen den Geisteswissenschaften und der Physik stand die Frage, auf welchen Grundlagen die Teilchenphysik umfassendere und fundamentalere Theorien von der Natur entwickeln kann und welche neuartigen Prinzipien der Wissenschaftsentwicklung dabei verwendet werden können.
Am Puls der Zeit: Aktuelle Entwicklungen
Die Experimente am Teilchenbeschleuniger LHC – die vier Detektoren ATLAS, CMS, ALICE und LHCb – werden von internationalen Teams betrieben, in denen Wissenschaftler*innen von Forschungsinstituten aus aller Welt zusammenarbeiten. Alle Experimente unterscheiden sich deutlich voneinander, jedes ist geprägt von einzigartigen Detektorkomponenten. In den kommenden Jahren wird der LHC rundum erneuert. Daher läuft derzeit auch eine Um- und Neubauphase zur Aufrüstung der Detektoren, an der die Wuppertaler Forschenden ebenfalls beteiligt sind: Die Vorbereitungen für den Zusammenbau des neuen ATLAS-Pixeldetektors, der im Jahr 2029 in Betrieb gehen soll, sind wie die Arbeiten an den Komponenten für den Neubau des CMS-Detektors voll im Gange.
Wie läuft das ab?
Seit 2015 beispielsweise entwickeln die Wuppertaler Physiker*innen Komponenten im Rahmen des ATLAS-Experiments. Am Projekt sind weltweit 60 Physikinstitute beteiligt, die Bauteile ans CERN liefern, wo sie zum Detektor zusammengesetzt werden. Erste Detektormodule sind bereits verfügbar und werden in dem Labor am CERN intensiv getestet. „In Wuppertal konzipieren wir unter anderem das Detektorkontrollsystem neu. Eine wichtige Komponente dieses Systems sind strahlenharte, hochintegrierte Schaltkreise, die wir in unserer Gruppe entwickeln“, erklärt Prof. Dr. Christian Zeitnitz.
LHC mal drei: Pläne für die nächsten 70 Jahre
Derzeit läuft eine Machbarkeitsstudie für einen am CERN geplanten, neuen und dreimal so großen Teilchenbeschleuniger – dem Future Circular Collider. Auf Basis der Ergebnisse, die 2025 vorliegen sollen, wollen die Mitgliedstaaten schließlich über den Bau der Anlage entscheiden, deren Umfang 91 Kilometer messen soll. Werden die Pläne umgesetzt, fiele der Startschuss für die Errichtung in den 2030er Jahren.
