Gottes Gehilfen

50 Jahre Atomforschung Unweit von Genf arbeitet das Cern an exotischen Theorien über die kleinsten Teilchen der Materie. Weniger bekannt ist, dass wir ihm das kostenlose World Wide Web verdanken

Das Forschungszentrum des Cern an der schweizerisch-französischen Grenze bei Meyrin ist ein besonderer Ort. Nicht nur für irdische Verhältnisse. 1995 gelang hier die Herstellung von neun Antiwasserstoffatomen - nach menschlichem Ermessen waren dies die ersten Antiatome, die je im Universum existierten. Wie fühlt man sich, wenn man etwas geschaffen hat, das nicht einmal Gott in die Welt gesetzt hat? "Kein Problem", pariert der pensionierte Cern-Physiker Klaus Bätzner. "Wenn man an Gott glaubt, dann hat er Antiatome geschaffen - am Cern, im Jahr 1995."

Dieses Jahr feiert das Cern, das weltweit führende Zentrum für Kernphysik, seinen 50. Geburtstag. Derzeit wird gebaut. Der Large Hadron Collider (LHC) wird bei Betriebsbeginn im Jahr 2007 nicht nur der größte Teilchenbeschleuniger, sondern auch der "größte Kühlschrank" der Welt sein. Und der kälteste Ort im Universum. Seine Temperatur wird 1,8 Kelvin (minus 271 Grad Celsius) betragen; tiefer als in den abgelegensten Weiten des Alls.

Mit Anlagen wie dem LHC wollen PhysikerInnen ihre Theorien zum Wesen der Materie überprüfen. Es sind zuallererst die Dimensionen, die am Cern beeindrucken. Einer der Detektoren, die als Bestandteil des LHC gebaut werden, ist doppelt so schwer wie der Eiffelturm. Cern ist der zweitgrößte Stromkonsument im AKW-Land Frankreich. Sein Budget beträgt mehr als die Hälfte des UN-Budgets (rund 630 Millionen Euro pro Jahr, Deutschland finanziert ein Fünftel); die autonomen Experimente, die am Cern stattfinden, kosten zusätzlich.

Kleinste Teilchen, gigantische Dimensionen

Das Außerordentliche am Cern sind allerdings nicht so sehr seine Dimensionen. Das Cern ist vor allem ein Modell dafür, wie Wissenschaft funktionieren könnte. Es ist ein Labor, an dem Großunternehmen Organisationsformen studieren könnten. Die deutsche Wissenschaftsforscherin Karin Knorr-Cetina, die das Cern jahrelang begleitet hat, spricht von "kommunitären Strukturen", von "posttraditionalen und globalen Gemeinschaften der Hochenergiephysik". Dafür steht, daß wir beispielsweise für das World Wide Web, eine Cern-Entwicklung, keine Lizenzgebühren zahlen müssen.

"Wir bauen keine banalen Straßentunnels", sagt Jean-Luc Baldy, Chefbauingenieur des Cern. Er musste die Kavernen bauen, in die die PhysikerInnen ihre riesigen Detektoren stellen wollten. Der Bau einer neuen Kaverne durfte den bestehenden Tunnel um nicht mehr als zwei Zentimeter anheben, was ein besonderes Verfahren nötig machte. Die Wände der Kaverne sollten außerdem senkrecht sein. Tunnel und Kavernen haben normalerweise gekrümmte Wände, was sie stabiler macht, wie man vom Eierkochen her weiß.

Es sei stimulierend, in einem Umfeld zu arbeiten, in dem die Grenzen des Wissens hinausgeschoben würden, sagte Baldy. Die größte Herausforderung bestehe darin, "das, was die Physiker wollen, in eine Sprache zu übersetzen, die Bauunternehmen verstehen."

Wenn die Physik ans Äußerste geht, sind auch andere Disziplinen gefordert - von der Informationstechnologie über die Materialwissenschaften bis zum Tunnelbau. Das Cern beschäftigt vor allem IngenieurInnen sowie technisches und administratives Personal aus den Mitgliedsländern und stellt die Infrastruktur zur Verfügung. Genutzt wird diese von Forschungsinstituten aus der ganzen Welt, die in mehreren autonomen Experimenten (fünf davon am LHC) zusammenarbeiten.

Wobei das Wort "Experiment" einen falschen Eindruck erweckt: Gemeint sind Kooperationen, die ihren Detektor entwickeln, bauen und mit diesem ihre Forschungen vornehmen. Die beiden größten Experimente, die vom LHC gespeist werden - Atlas und CMS -, arbeiten auf das gleiche Ziel hin. Die Resultate können erst dann wirklich wissenschaftliche Geltung beanspruchen, wenn sie in mindestens zwei unabhängigen Experimenten bestätigt worden sind. Zwischen CMS und Atlas besteht deshalb eine Mischung aus Koordination und Konkurrenz; beide bauen ihren je eigenen Detektor für sich auf je etwas andere Weise.

An Atlas sind 1.850 Forschende von 150 teilnehmenden Instituten und Hochschulen aus 34 Ländern beteiligt. Das Experiment wurde 1992 lanciert; bis der LHC seinen Betrieb aufnimmt, wird Atlas fünfzehn Jahre Vorbereitungsarbeit hinter sich haben. Der Detektor soll dann nochmals etwa fünfzehn Jahre lang Daten liefern.

Dezentrale Strukturen, kollektive Entscheidungen

Peter Jenni stellt sich als "Sprecher" von Atlas vor. "Woanders würde man wohl Projektleiter sagen", erklärt der Schweizer Physiker seinen Titel. Betrachtet man das Organogramm von Atlas, so erinnert dieses eher an eine internationale Organisation als an ein Großunternehmen. Der Sprecher an der Spitze des Managements ist kein mächtiger Chef: Entscheidungen werden in zahllosen Meetings gemeinsam gefällt, das letzte Wort hat, je nach Art des Entscheids, das "executive board" oder das "collaboration board". Die dezentralen Strukturen ergeben sich aus der großen Zahl der teilnehmenden Institute, die nicht auf ihre Mitsprache verzichten wollen. "Die Strukturen", erläutert Peter Jenni, " haben sich so ergeben. Wir werden durch das gemeinsame Ziel vereint." Und das funktioniert gut: "Die Experimente scheinen nicht die Managementprobleme aufzuweisen, die in Industrieorganisationen vergleichbarer Größe auftreten", sagt Wissenschaftsforscherin Knorr-Cetina.

Ausdruck dieser kollektiven Zusammenarbeit ist auch die Publikationsweise. Üblicherweise gilt: Je mehr in der Wissenschaftswelt auf Wettbewerb gesetzt wird, desto wichtiger sind so genannte Zitationsindexe; man zählt, wie viel jemand publiziert und wie oft er oder sie in anderen Publikationen zitiert wird. Am Cern werden diese fragwürdigen Bewertungsmethoden fröhlich unterlaufen. Größere wissenschaftliche Publikationen weisen mehrseitige, alphabetisch geordnete Listen von AutorInnen auf. Wer den Text effektiv verfasst hat, läßt sich daraus nicht eruieren. Auf einem Kongress präsentieren oft MitarbeiterInnen ein Experiment, die einen Auftritt für ihre Karriere brauchen können; wer seine Ziele bereits erreicht hat, verzichtet.

Patente? Nein, danke!

Am Cern werden "letzte" Fragen der Naturwissenschaft gestellt: "Eines ist sicher", verkündet die Cern-Website, "der LHC wird unsere Sicht des Universums verändern." Aber haben neue Erkenntnisse darüber, wie die Welt 10-30 Sekunden nach dem Urknall ausgesehen haben mag, einen Nutzen, der über die bloße Befriedigung wissenschaftlicher Neugier hinausgeht? Nicht wirklich. Der materielle Nutzen des Cern - nach eigenen Angaben bringt jeder investierte Euro zwei bis drei Euro Ertrag - besteht in seinen Nebeneffekten. Das World Wide Web wurde hier entwickelt. Am Cern erworbenes Wissen kommt in medizinischen Therapien zum Einsatz. Derzeit entsteht das "Grid" (englisch für: Gitter), ein Internet-ähnliches Netzwerk, das weltweit brachliegende Rechenkapazitäten nutzbar machen soll. Und nicht zu unterschätzen ist die Ausbildung. Das Cern wurde gegründet, um zu verhindern, dass WissenschaftlerInnen aus dem kriegszerstörten Europa in die USA abwandern. Cern war ein Kind des jungen Friedens, des neuen Europa. Heute forschen Amerikaner in Genf, Russen übrigens auch.

Besonders bemerkenswert ist eine Regel am Cern: keine Patente. Was hier entdeckt wird, gehört allen. Auch technische Entwicklungen werden selten patentiert. Auf ein Patent verzichtete beispielsweise Tim Berners-Lee, der Entwickler des World Wide Web. Man stelle sich vor, dieses wäre von einer privaten Firma erfunden und patentiert worden.

Und was soll nun das Atlas-Projekt hervorbringen? "Schön wäre es", meint Peter Jenni, "das Higgs-Boson zu finden [den letzten Baustein des so genannten Standardmodells, der noch nicht experimentell nachgewiesen wurde/Red.]. Aber wenn wir es nicht finden, wissen wir auch mehr. Es wäre schön, wenn wir Überraschungen erleben würden."

Im Unterschied zu den Genetikern, die sich schwer damit tun, das nicht mehr haltbare Dogma, wonach alle erblichen Informationen in den Genen stecken, aufzugeben, scheinen die TeilchenphysikerInnen viel stärker im Bewusstsein zu leben, dass ihre Theorien nur Theorien sind. Die Wissenschaftsforscherin Knorr- Cetina zitiert einen Physiker, der über ein Messresultat schreibt: "Es ist eine rein experimentelle Zahl, die in sich selbst überhaupt nichts aussagt. Sie ist absolut sinnlos." Die Resultate, die am Cern produziert werden, sind in hohem Masse interpretationsbedürftig, und die Interpretationen können falsch sein.

Die Physik lebt heute mit zwei Theorien (Relativitätstheorie und Quantenmechanik), die für sich je sehr leistungsfähig sind, sich jedoch widersprechen. Vielleicht ist es das, was zu einer Bescheidenheit führt, und vielleicht macht die Zwecklosigkeit des zu Erforschenden ihre Attraktivität aus: An der Idee des Gens hängen handfeste wirtschaftliche Interessen. Wenn sich hingegen das Higgs-Boson als Schimäre erweisen sollte: Nun denn, so haben wir eben wieder einmal dazugelernt.



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Standardmodell

Alle Materie besteht aus Atomen. Diese sind aber nicht unteilbar - dies wäre die Übersetzung des griechischen Worts atomos -, sondern gemäß Standardmodell der Teilchenphysik aus kleineren Bestandteilen zusammengesetzt: Der Atomkern wird von negativ geladenen Elektronen umkreist. Diese sind nach heutigem Wissensstand nicht weiter teilbar. Kerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen, diese wiederum aus Quarks: Ein Proton aus zwei Up- Quarks (Ladung +2/3) und einem Down-Quark (Ladung -1/3), ein Neutron aus einem Up- und zwei Down-Quarks. Somit wird alle natürliche Materie von den drei Grundbauteilen Elektronen, Up-Quarks und Down-Quarks gebildet. Aus diesen Bestandteilen zusammengesetzte Teilchen wie Protonen und Neutronen wiederum heißen Hadronen. Weitere Teilchen haben kurz nach dem Urknall existiert und können in den Beschleunigerexperimenten erzeugt werden.

Teilchenbeschleuniger

Die Physik geht davon aus, dass alle Materie aus kleinsten Teilchen besteht. Teilchenbeschleuniger dienen dazu, Vorhersagen, die sich aus der Theorie ergeben, experimentell zu prüfen. Im Beschleuniger werden Elementarteilchen oder Atomkerne beschleunigt, also mit Energie aufgeladen, um sie miteinander kollidieren zu lassen. Bei der Kollision entstehen neue Teilchen. Die Spuren dieser Teilchen oder ihrer Zerfallsprodukte können in Detektoren registriert werden. Je kleiner der Bereich, in den man "blicken" will, desto stärker muss der Beschleuniger sein.

1989 wurde am Cern in einem 27 Kilometer langen, kreisförmigen Tunnel der Teilchenbeschleuniger LEP (Large Electron-Positron Collider) eingeweiht und nach und nach ausgebaut. Nachdem er seine Kapazitätsgrenze erreicht hatte, wurde er im Jahr 2000 abgeschaltet und demontiert, um im selben Tunnel Platz für einen neuen Beschleuniger zu schaffen. Die Technik der Supraleitung ermöglicht es, viel stärkere Magnetfelder zu erzeugen. Da Supraleitung nur nahe des absoluten Temperatur- Nullpunkts funktioniert, wird der Beschleuniger auf minus 271 Grad Celsius gekühlt.

Dieser Large Hadron Collider (LHC) wird ab 2007 der stärkste Beschleuniger der Welt sein und den heutigen Rekordhalter im Fermilab bei Chicago übertreffen. Das Projekt der USA, einen eigenen Superbeschleuniger zu bauen, wurde 1993 aus Kostengründen gestoppt. Je mehr sich ein Teilchen der Lichtgeschwindigkeit (300.000 Kilometer oder 11.000 Beschleunigerrunden pro Sekunde) annähert, desto schwerer wird das Teilchen und desto mehr Energie benötigt eine weitere Beschleunigung. Im LHC werden Protonen auf eine Energie von 7 Tera-Elektronenvolt (Tev) beschleunigt, Bleikerne auf 1.150 TeV. Ein TeV ist etwa die Bewegungsenergie einer fliegenden Mücke - extrem viel, wenn diese in einem einzelnen Teilchen konzentriert ist.

00:00 14.05.2004

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