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Im Gespräch

Im Gespräch: Prof. Dr. Markus Schumacher, Koordinator der internationalen Arbeitsgemeinschaft zur Suche nach dem Higgs-Teilchen bei ATLAS, Prof. Dr. Ivor Fleck, Fachgebiet Kosmische Strahlung, und Prof. Dr. Peter Buchholz, Leiter der Arbeitsgruppe ‚Experimentelle Teilchenphysik’

Extrakte: Herr Buchholz, sie leiten die Arbeitsgruppe ‚Experimentelle Teilchenphysik’. Was machen Teilchenphysiker? Wie kann man sich die Inhalte Ihrer Arbeit vorstellen?

Buchholz: Naturwissenschaft ist das Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment. Experimentelle Teilchenphysiker stellen dabei gezielte Fragen an die Natur. Bedingt durch den fundamentalen Charakter dieser Fragen in für uns Menschen kaum noch vorstellbar kleinen Dimensionen, ist der technische Aufwand sehr groß und experimentelle Forschungsprojekte sind entsprechend langfristig angelegt. Für mich als Arbeitsgruppenleiter ist es dabei von entscheidender Bedeutung, an Projekten in allen Stadien der Verwirklichung beteiligt zu sein. Im Klartext heißt das, ein Experiment vorzubereiten, ein weiteres aufzubauen und ein drittes auszuwerten – und das alles gleichzeitig.
In unserem Fall ist das konkret, erstens die Planung eines Experiments an einem noch nicht einmal existierenden Teilchenbeschleuniger zur präzisen Vermessung der Eigenschaften vorhergesagter, aber bisher noch nicht nachgewiesener Teilchen. Die Kunst hierbei ist es, einen Detektor zu entwickeln, der genau für diese Fragen geeignet ist. Des weiteren sind wir an zwei Astroteilchenphysik-Experimenten (KASCADE-Grande und Auger) beteiligt, die gerade Daten nehmen und uns damit die physikalische Datenanalyse erlauben. Das Experiment im Aufbau ist das ATLAS-Experiment im Europäischen Labor für Teilchenphysik in Genf (CERN), für das wir einen Teil seines Herzstücks, den ‚Pixeldetektor’, hier in Siegen gebaut haben. Dieses Experiment wird am LHC, dem neuen Protonenbeschleuniger, durchgeführt werden.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Inhalte unserer Arbeit ein sehr breites Spektrum abdecken, von der reinen Software-Entwicklung über die Hardware-Entwicklung bis zum aktiven Bau der Detektor-Komponenten.


Extrakte: Wie kommt man auf die Idee, Teilchenphysiker werden zu wollen? Klingt eher nach einem ungewöhnlichen Berufswunsch.

Buchholz: Bei mir ist der Berufsstart leider schon etwas länger her, aber die Faszination ist noch die alte. Für mich spielen dabei zwei Faktoren die wichtigste Rolle. Einmal die Tatsache, dass es in meinen Augen keinen anderen Bereich der Wissenschaft gibt, der fundamentaleren Fragen nachgeht und trotzdem eine ganz erstaunliche Breite aufweist, zum anderen ist es die gelebte Internationalität, die seit Beginn die Teilchenphysik auszeichnet. Die Größe der Projekte zwang und zwingt zu wirklicher internationaler Zusammenarbeit, in schwierigen Zeiten auch über politische Vorbehalte hinweg. Für mich war und ist der funktionierende weltweite Austausch unter Wissenschaftlern faszinierend.


Extrakte: Der Titel, unter den die aktuelle Ausgabe von ‚Extrakte’ gestellt ist, lautet: ‚Vom Allergrößten zum Allerkleinsten’. Was bedeutet dieser Titel in Hinsicht auf Ihr Arbeitsgebiet? Erhebt die Physik den Anspruch, das ganze Universum erklären zu können?

Fleck: Das Universum, das wir heute als das Allergrößte bezeichnen, ist aus dem Urknall hervorgegangen. Bei diesem wurden die allerkleinsten Teilchen erzeugt, allerdings in einer unvorstellbar großen Anzahl. Diese allerkleinsten Teilchen, auch als ‚Elementarteilchen’ bezeichnet, haben sich dann nach nur kurzer Zeit zu Atomen zusammengefunden.
Beim Urknall wurden aber auch andere Teilchen erzeugt als jene, die die Atome formen. Diese sind jedoch weitestgehend zerfallen. Ein Teil des Urknalls ist aber heute immer noch in Form der Photonen in der kosmischen Hintergrundstrahlung beobachtbar. Es hat dann sehr lange gedauert, bis sich aus den einzelnen Atomen zunächst Staub, dann größere Materieansammlungen und später Sterne und Planeten gebildet haben. Die ersten Sterne sind in der Zwischenzeit schon verglüht und haben dabei die schweren Atome erzeugt.
Das gesamte Universum stammt also von den Elementarteilchen, die beim Urknall erzeugt wurden. Um den Urknall zu verstehen, wird in den Beschleunigern am CERN eine Situation erzeugt, die den Bedingungen des Urknalls ähnelt, allerdings auf einer viel kleineren Skala. Somit können Teilchen sichtbar gemacht werden, die es seit dem Urknall nicht mehr gegeben hat.
Das ganze Universum basiert auf Physik. Auch Prozesse z.B. in der Chemie folgen physikalischen Gesetzen. Allerdings sind die Prozesse heutzutage noch nicht mit den fundamentalen Gesetzen der Physik zu beschreiben, da die Anzahl der teilnehmenden Teilchen zu groß ist. Die Physik ist am besten geeignet, um das ganz Kleine oder das ganz Große zu beschreiben.


Extrakte: Herr Fleck, Sie beschäftigen sich in ihrer Arbeit also mit dem Allergrößten? Heißt das, sie haben das Universum als Ganzes im Blick? Wie kann man sich das vorstellen?

Fleck: Das Universum ist so groß, dass es einer alleine nicht im Blick haben kann. Auch besteht das Universum aus unzähligen Einzelobjekten. Diese sind es, die die Aufmerksamkeit der Physiker auf sich ziehen. Sei es ein Pulsar, ein Doppelsternsystem, ein schwarzes Loch; alle diese Objekte haben unterschiedliche Eigenschaften, die es zu studieren gilt. In der Astroteilchenphysik untersucht man die Signale dieser Objekte, die auf der Erde ankommen; allerdings nicht mit Teleskopen im optisch sichtbaren Licht, sondern mit großen Detektoren, die Neutrinos, Protonenschauer oder ultrahochenergetische Photonen beobachten können.

Extrakte: Herr Schumacher, warum baut man mit 2000 Wissenschaftlern in zwanzigjähriger Kleinarbeit eine gigantische Maschine, nur um ein Teilchen zu finden?

Schumacher: Ich nehme an, Sie meinen das Higgs-Teilchen. Die Frage nach dem Ursprung der Masse der elementaren Teilchen beschäftigt uns, die Teilchenphysiker, nun schon seit fast 40 Jahren. Mit dem LHC sollte es uns endlich gelingen, dieses Rätsel zu lösen. Der favorisierte Kandidat zur Lösung des Massenproblems ist das Higgs-Teilchen. Seine Entdeckung würde eine 30-jährige Suche endlich beenden. Die Suche nach dem Higgs-Teilchen ist eine zentrale, aber nur eine unter vielen Fragen, die wir mit dem LHC beantworten wollen. Zum einen soll Bekanntes wie z.B. das Top-Quark und das W-Boson genauer untersucht werden, dann soll Vermutetes wie z.B. das Higgs-Boson entdeckt und studiert werden und weiterhin wollen wir offen für neue Physik z.B. wie ‚Supersymmetrie’ oder ‚zusätzliche Raumdimensionen’ – um nur einige Modelle zu nennen – sein.


Extrakte: Sie leiten die 200 Kopf starke internationale Arbeitsgruppe, die nach Inbetriebnahme des LHC die Suche nach dem Higgs-Boson bestreitet. Wie kann man sich diese Suche vorstellen?

Schumacher: Das Higgs-Boson ist die Nadel im Heuhaufen der ATLAS-Daten. Für jedes produzierte Higgs-Boson werden 100.000.000.000 für uns – die Higgs-Jäger – uninteressante Kollisionen stattfinden. Ziel ist es, leistungsstarke und stabile Selektionsalgorithmen zu entwickeln, die das obige Signal-zu-Untergrund-Verhältnis auf ein Niveau von etwa eins zu eins anreichern. Zurzeit basieren unsere Studien noch auf Simulationen. Da wir völliges ‚Neuland’ mit dem LHC betreten, ist es wichtig, Methoden zu entwickeln, wie wir den Untergrund aus Daten selbst bestimmen können und wie die Simulation validiert werden kann.
Etwa 200 Leute arbeiten derzeitig in der Higgs-Arbeitsgruppe. In monatlichen Treffen am CERN und intermediären Telefonkonferenzen werden die neuesten Ergebnisse verglichen und diskutiert, und die Strategie für die nächsten Monate wird vereinbart.
Für das Gelingen der Higgs-Suche sind allerdings alle etwa 2000 Kollegen bei ATLAS wichtig: sowohl diejenigen, die den Detektor gebaut haben und bald in Betrieb nehmen, die Leute, die die aufwändige Software geschrieben haben und nun optimieren, als auch schließlich die Higgs-Arbeitsgruppe.


Extrakte: Der LHC wird subatomare Teilchen produzieren, die in insgesamt vier Detektoren vermessen werden. Was versuchen die Detektoren zu finden, wie funktionieren sie?

Buchholz: Detektoren weisen den Durchgang von Teilchen durch Materie nach. Teilchen, die durch einen Detektor fliegen, wechselwirken dabei mit den Bausteinen der Materie, aus der der Detektor gemacht ist. Die Auswirkungen dieser Wechselwirkungen können so verschieden sein wie z.B. freigesetzte Ladungen oder auch Licht. Durch die Messung dieser Effekte kann man dann das Teilchen, seine Richtung und seine Energie bestimmen.


Extrakte: Sie haben bei der Detektorentwicklung mitgewirkt. Sie waren bei der Konzeption und der Realisierung des Herzstücks des ATLAS-Detektors beteiligt, dem so genannten ‚Pixeldetektor’. Er ist das letzte Teilstück vor Vollendung von ATLAS. Wann wird der Pixeldetektor wo in ATLAS platziert. Und was passiert dann?

Buchholz: Der Pixeldetektor umschließt in der Tat im ATLAS-Experiment direkt die Strahlröhre und ist damit das innerste Detektorelement. Er soll spätestens Ende Mai in die Kaverne hinuntergelassen und in ATLAS eingebaut werden. Danach muss er in mühsamer Kleinarbeit verkabelt werden und alle anderen Anschlüsse, wie z.B. die der Kühlung, müssen angeschlossen werden. Danach werden vom Hauptkontrollzentrum des ATLAS-Experiments eine Vielzahl von Tests durchgeführt werden. Einer der ersten ist dabei festzustellen, ob auch alle Kabel an die richtige Stelle gehen. Die dazu notwendigen Software-Programme sind schon vorher entwickelt worden. Da ich gerade ein Forschungsfreisemester habe, kann ich selbst mit drei unserer Studierenden am Einbau und den anschließenden Tests teilnehmen. Hoffentlich klappt alles wie geplant!


Extrakte: Welche Funktion hat der Pixeldetektor, was leistet er, in welchem Verhältnis steht er zum Ganzen?

Buchholz: Der Pixeldetektor ist dem Wechselwirkungspunkt der beiden Protonenstrahlen am nächsten und damit beim Mini-Urknall in der ersten Reihe. Da alle aus der bei der Protonenkollision freigesetzten Energie erzeugten Teilchen diesem Punkt entspringen, ist die Zahl der Teilchen hier am größten und ihr Abstand voneinander am kleinsten. Zu allem Überfluss sind einige, für das Verständnis sehr wichtige, Teilchen auch noch extrem kurzlebig und legen dadurch nur sehr kurze Distanzen zurück. Alles das erklärt, warum wir nur mit solch einem hoch auflösenden Instrument wie dem Pixeldetektor eine Chance haben, zu verstehen, was alles als Konsequenz des Protonenzusammenpralls passiert ist.


Extrakte: Die Astrophysik erforscht den Makrokosmos, die Teilchenphysik den Mikrokosmos. Zwei Paar Schuhe könnte man meinen. Warum arbeiten Sie drei in einer Arbeitsgruppe zusammen.

Fleck: In der Astroteilchenphysik wird nicht nur der Makrokosmos studiert. Es werden auch kosmische Objekte z.B. als Teilchenquellen benutzt. So konnten z.B. mit dem ‚Kamiokande Experiment’ in Japan Neutrinos aus einer Supernovaexplosion nachgewiesen werden und durch einen Zeitvergleich mit der optischen Beobachtung der Explosion eine obere Grenze auf die Masse der Neutrinos extrahiert werden. Genauso sind die Messungen bei AUGER auf die Existenz von ultraschweren Teilchen sensitiv. Der Kosmos kann Teilchen erzeugen, die der Mensch niemals erschaffen könnte. Außerdem werden in der Astroteilchenphysik viele Messmethoden angewandt, die auch in Detektoren der Teilchenphysik benutzt werden. Die Schauer, die bei der Kollision eines Protons kosmischen Ursprungs mit einem Molekül der Erdatmosphäre erzeugt werden, bestehen genau aus den gleichen Teilchen, wie der Schauer eines Jets im Detektor der Teilchenphysik.


Extrakte: Schlägt der ‚Large Hadron Collider’, der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, der zum Ende dieses Jahres in Betrieb genommen wird, ein weiteres, bedeutendes Kapitel in der Geschichte der physikalischen Entdeckungen auf? Was steht uns in den kommenden fünf Jahren physikalischer Forschung zu erwarten?

Schumacher: Wir sind uns ziemlich sicher, dass wir am LHC neue Phänomene entdecken und Antworten auf einige Fragen finden werden, die uns teilweise seit Jahrzehnten beschäftigen. Mit dem LHC, der zurzeit am CERN fertig gestellt wird, betreten wir völliges Neuland. Wir dringen zu Energien vor, die in Beschleunigerexperimenten nie zuvor erreicht worden sind. Solche Energien haben wahrscheinlich etwa
10-12 s nach dem Urknall geherrscht. Was wir entdecken werden, wissen wir natürlich – und meiner Meinung nach auch glücklicherweise – nicht. Sonst wäre die Forschung nicht mehr spannend und auch keine Forschung mehr. Es gibt zwar einige theoretisch motivierte Vorurteile, was uns erwarten wird, z.B. Supersymmetrie, zusätzliche Raumdimensionen usw. Als Experimentalphysiker werden wir aber ohne Vorurteile die Daten des ATLAS-Experimentes analysieren.


Extrakte: In der Geisteswissenschaft gibt es eine Vielzahl von Theorien und Modellen. In der Teilchenphysik nur ein einziges, das so genannte ‚Standardmodell’. Das Standardmodell ist das Destillat von vierzig Jahren weltweiter Forschungsarbeit in der Teilchenphysik. Wie fest sitzt das Standardmodell im Sattel? Erwarten Sie mit der Inbetriebnahme des LHC Erschütterungen? Möglicherweise ein Umschwenken auf die wenigen Alternativtheorien, die auf Fehler im Standardmodell lauern?
Schumacher: Das Standardmodell beschreibt zurzeit alle Ergebnisse der Teilchenphysik mit höchster Genauigkeit und alle Versuche, es in den letzten Dekaden zu falsifizieren, sind fehlgeschlagen. Des weiteren zeichnet es sich durch eine minimale Anzahl von Parametern und eine große konzeptionelle Eleganz aus, die auf abstrakten Symmetrien beruht. Es wird auch weiterhin, zumindest für niedrige Energien, die wir bisher erforscht haben, eine sehr gute Basis unserer Naturbeschreibung bleiben. So wie die Mechanik Newtons für die Physik unseres Alltags ausreicht und man die Relativitätstheorie Einsteins und die Quantenmechanik nur für solche Bedingungen anwenden muss, in denen entweder die Geschwindigkeiten in den Bereich der Lichtgeschwindigkeit kommen oder man Situationen der atomaren Welt beschreiben will. Allerdings glauben wir schon lange nicht mehr, dass das Standardmodell unsere letztgültige Beschreibung bleiben wird. Dafür lässt es zu viel Fragen offen. Wir hoffen, vom LHC erste Antworten zu erhalten, in welche Richtung wir das erfolgreiche Standardmodell erweitern müssen. Es kann aber sehr gut sein, dass unser Bild der Natur eine völlig unerwartete Änderung erfährt. Wie revolutionär diese sein wird, bleibt abzuwarten.


Extrakte: Was fasziniert Sie persönlich am meisten an der Teilchenphysik? Trägt einen die Faszination auch nach vieljähriger, kleinteiliger Forschungsarbeit noch?

Schumacher: Die Möglichkeit, sich mit fundamentalen Fragen der materiellen Welt zu beschäftigen: was ist Masse, was ist die Struktur des Raumes und der Zeit, gibt es eine Urkraft? Die Verbindung zwischen Teilchenphysik und Kosmologie. Neue Erkenntnisse zu gewinnen, die unser Weltbild möglicherweise verändern.
Darüber hinaus die einzigartige Möglichkeit, mit hunderten von gleich gesinnten Kollegen aus aller Welt zusammen zu forschen und dabei ihre Kultur und Mentalität kennen zu lernen.


Extrakte: Welche Vorteile hat es, Teilchenphysik an einer kleinen Universität wie Siegen zu studieren? Ist man hier nicht etwas abgeschnitten vom interessanten Geschehen?

Fleck: Der Vorteil des Studiums an einer kleinen Universität und insbesondere hier in Siegen ist, dass man schon frühzeitig im Studium in die aktuelle Forschung einbezogen wird. Man kann schon während des Grundstudiums in unserer Arbeitsgruppe mitarbeiten. Bei größeren Universitäten ist aufgrund der großen Anzahl von Studierenden diese Möglichkeit nicht gegeben.
Auch in den Vorlesungen ist das Betreuungsverhältnis viel besser als an den großen Universitäten und es herrscht keine Scheu vor einer Diskussion zwischen Dozenten und Studierenden.
Die Teilchenphysik ist international und dadurch daran gewöhnt, Informationen über das Web auszutauschen und Meetings mit Videokonferenzen abzuhalten. Daher ist es egal, an welchem Ort der Welt man sich aufhält, sofern man einen Anschluss an das Computernetzwerk hat.