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Aufbruchsstimmung bei den Zukunftsplanern

CERN legt Zwischenbericht der Machtbarkeitsstudie für geplanten Teilchenbeschleuniger vor

Das internationale Kernforschungszentrum CERN in Genf hat grosse Pläne für die Zukunft – im wahrsten Sinne des Wortes. Während das derzeitige Flaggschiff, der Large Hadron Collider (LHC), noch bis in die 2040er Jahre Daten nehmen soll, arbeitet die internationale Gemeinschaft der Teilchenphysik bereits an möglichen Nachfolgeprojekten, die die am LHC gemachten Entdeckungen vervollständigen sollen.

FCC from above: the midterm review suggests that the best solution would be an almost 91-kilometre  tunnel in the greater Geneva area.
Bild: FCC/CERN

Das grösste und ehrgeizigste dieser Projekte heisst FCC, für Future Circular Collider. Fast alle Schweizer Universitäten und Forschungsinstitute sowie nationale Institutionen wie Swisstopo sind an der Planung und Konzeption der verschiedenen Stufen des FCC beteiligt. Diese Woche hat das Verwaltungsgremium des CERN, der CERN-Rat, die Zwischenergebnisse einer Machbarkeitsstudie, die derzeit durchgeführt wird, abgesegnet.

Die Mitglieder des CERN-Rats bestätigten, dass es zum jetzigen Zeitpunkt keine technischen Hindernisse gibt - die Pläne für den Tiefbau, das Beschleunigerdesign und andere technische Aspekte, die bei einem ehrgeizigen Zukunftsprojekt wie dem FCC berücksichtigt werden müssen, scheinen zum jetzigen Zeitpunkt machbar zu sein, und die Arbeit an der Studie kann weitergehen wie bisher. „Wir haben grosse Fortschritte bei der Festlegung weiterer Details des FCC gemacht", sagt Florencia Canelli von der Universität Zürich und wissenschaftliche Delegierte der Schweizer Delegation im CERN Council.

Die Machbarkeitsstudie wurde 2021 in Angriff genommen, damit die Ergebnisse vorliegen, wenn die nächste Runde der europäischen Strategiediskussion über die Prioritäten und die Zukunft der Teilchenphysik in Europa ansteht. Diese Strategie ist ein internationaler Prozess, der etwa alle sieben Jahre stattfindet und klare Ziele für Projekte setzt, in die die europäische Teilchenphysik-Gemeinschaft Zeit und Aufwand investieren sollte. Die aktuellen Prioritäten dieser Strategie sind die volle Ausschöpfung des wissenschaftlichen Potenzials am Large Hadron Collider LHC, dicht gefolgt von einer so genannten Higgs-Fabrik zur Erforschung der Eigenschaften des am LHC entdeckten Higgs-Teilchens, des elektroschwachen Sektors, der Flavour-Physik und der Physik des Top-Quarks.

Unterschiedliche wissenschaftliche Ziele erfordern unterschiedliche Maschinen, und für eine Higgs-Fabrik braucht man einen Collider, der Elektronen mit ihren Antiteilchen, Positronen, kollidieren lässt, um sehr viel präzisere Messungen durchzuführen, als dies am LHC möglich ist. Protonen gehören zur Familie der Hadronen, ebenso wie schwere Ionen, die heutzutage beide im LHC beschleunigt werden. Die derzeit laufende Machbarkeitsstudie konzentriert sich auf die Realisierbarkeit des Tunnels, der für den neuen Collider und seine erste Inkarnation, FCC-ee, erforderlich ist.

Es ist eine aufregende Zeit für Teilchenphysiker wie Armin Ilg, der derzeit als Postdoc an der Universität Zürich arbeitet. Sein Spezialgebiet ist der innerste Teil eines zukünftigen FCC-Detektors, der Vertex-Detektor. Aber er ist auch aktives Mitglied von Nachwuchsgremien, die Beiträge zu strategischen Fragen über zukünftige Projekte liefern. "Wir haben die einzigartige Möglichkeit, an einer gemeinsamen Vision zu arbeiten", sagt er. Schliesslich werden er und seine Kollegen in den 2040er Jahren, wenn die ersten FCC-Daten erwartet werden, tatsächlich an dem Collider arbeiten. Während die Lösung der Rätsel des Universums mit Hilfe physikalischer Daten im Mittelpunkt ihres Interesses steht, geht es ihnen auch um Fragen der Nachhaltigkeit und Vielfalt." Der FCC befindet sich gerade in einer sehr kreativen Phase", sagt er. "Das müssen wir voll ausnutzen."

Einer der grossen Vorteile ist der Querschnittscharakter der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten – man konzentriert sich auf zentrale Technologien. Im Gegensatz zu früheren Projekten, bei denen Detektorkonzepte festgelegt wurden und die Forschung- und Entwicklungsarbeiten meist innerhalb des Konzepts durchgeführt wurden, sind FCC und andere künftige Projekte - z.B. vorgeschlagene Linearbeschleuniger - in Teams organisiert, die an den Technologien arbeiten, die für alle Projekte benötigt werden. Aus den Erfahrungen der Vergangenheit zu lernen und die bestmöglichen Komponenten für die hohen Anforderungen künftiger Experimente zu entwickeln, ist einer der Kerngedanken dieser informellen Zusammenarbeit. Ilg ist zum Beispiel Experte für einen Siliziumsensor namens MAPS, für Monolithic Active Pixel Sensor.

Dabei handelt es sich um sehr kleine und sehr dünne Sensoren, die ein ultrapräzises Bild der Spuren durchfliegenden Teilchen liefern, wo sie entstehen und wo sie zerfallen. MAPS werden bereits in Teilchendetektoren wie dem ALICE-Experiment am LHC eingesetzt, und die Entwickler von Detektoren für künftige Collider arbeiten eng mit Experten für verschiedene Technologien zusammen, um grösstmögliche Synergie bei der Entwicklung zu erreichen.

Während die Detektorentwickler:innen noch recht am Anfang stehen, herrscht bei den Beschleunigerentwickler:innen und Tunnelexpert:innen bereits rege Betriebsamkeit. Für die Machbarkeitsstudie hat das internationale Gremium rund 100 Szenarien für den Tunnel unter die Lupe genommen: Wo soll er gebaut werden, in welchem Winkel, mit welchem Umfang? Wie sieht die Geologie vor Ort aus, wie ist die Auswirkung auf die Umwelt, können die Forschenden die acht Zugangspunkte leicht erreichen? Wie kommen Kühlung und Strom dorthin, wo sie gebraucht werden, und was sind die besten Plätze für die geplanten vier Experimente? Sie haben sich für einen 91 Kilometer langen Tunnel mit einer durchschnittlichen Tiefe von 200 Metern entschieden. "Im Laufe der Durchführbarkeitsstudie hat das CERN eng mit den lokalen Behörden in seinen Gastländern Frankreich und Schweiz zusammengearbeitet, und diese Zusammenarbeit wird auch in Zukunft von entscheidender Bedeutung sein", heisst es auf der Webseite in des CERN. Die derzeit bevorzugte Lösung würde unter dem Genfersee hindurchführen.

"Natürlich sind die Menschen besorgt über die Vorstellung einer riesigen Maschine unter ihren Füssen, weil sie Angst vor den Auswirkungen haben, die sie mit sich bringen könnte. Sie sind besorgt, dass die Wohnungspreise steigen oder dass ein wissenschaftliches Gebäude ihre Aussicht auf die Alpen beeinträchtigen könnte. All diese Sorgen sind berechtigt, und das CERN geht in den betroffenen Gemeinden sehr aktiv auf sie ein", erklärt Ilg. Natürlich muss er nicht überzeugt werden, dass das Entdeckungspotenzial des FCC enorm ist, aber er freut sich besonders über die Unterstützung der Schweizer Behörden. Er sieht darin eine Chance, die Dinge richtig zu machen - sowohl aus physikalischer als auch aus ökologischer und menschlicher Sicht. "Wenn wir alle zusammenarbeiten, können wir viel erreichen", sagt er. "Und wer weiss, welchen Nutzen FCC-ee oder FCC-hh der Gesellschaft auf lange Sicht bringen werden?"

Falls das Projekt genehmigt wird, könnten die Tunnelbohrmaschinen Anfang der 2030er Jahre mit dem Graben beginnen und die ersten Kollisionen könnten Mitte der 2040er Jahre stattfinden. FCC-ee würde etwa 15 Jahre lang laufen, danach könnte die nächste Stufe, FCC-hh, um 2070 beginnen. Das bedeutet, dass die Teilchenphysiker:innen für die nächsten etwa siebzig Jahre jede Menge Wissenschaft auf dem Schreibtisch hätten. Die Kosten der ersten Ausbaustufe werden zurzeit auf 15 Milliarden Schweizerfranken geschätzt.

Neben der Planung der Vertex-Detektoren für künftige FCC-Experimente sind Schweizer Institute auch an Aktivitäten wie der Entwicklung von FCC-ee-Beschleunigerkomponenten beteiligt. Dies geschieht im Rahmen der Swiss Accelerator Research and Technology Collaboration CHART, deren Mitglieder das PSI, die EPFL, die ETH Zürich, die Universität Genf und das CERN sind. Theoretiker:innen von Schweizer Universitäten sind mit der Vorbereitung von präzisen Berechnungen beschäftigt, während ihre Kolleg:innen aus der Experimentalphysik derzeit Silizium-Sensoren mit präziser Zeitmessung entwickeln und das Entdeckungspotenzial für langlebige Teilchen abschätzen, die in den Detektoren eine beträchtliche Strecke zurücklegen, bevor sie zerfallen. Insgesamt sind rund 150 Institute aus 30 Ländern damit beschäftigt, die Zukunft des FCC zu planen.

Barbara Warmbein

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  • Elementarteilchenphysik

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