CHIPP-Präsident Prof. Rainer Wallny zur aktualisierten “Europäischen Strategie der Teilchenphysik”

“Die Schweizer Teilchenphysik ist sehr gut aufgestellt”

Am 19. Juni hat der CERN-Rat das Update der «Europäischen Strategie der Teilchenphysik 2020» verabschiedet. Dieses Dokument bringt das frühere Strategiepapier auf den neusten Stand, das der Rat im Jahr 2013 kurz nach der Higgs-Entdeckung verabschiedet hatte. Es benennt die mittel- und langfristigen Arbeitsschwerpunkte der teilchenphysikalischen Grundlagenforschung und bildet damit eine wichtige Grundlage für den Bau der europäischen Forschungsinfrastruktur. Zu den Implikationen des Strategie-Updates für die Schweizer Teilchenphysik äussert sich Rainer Wallny, Teilchenphysik-Professor an der ETH Zürich und Präsident des Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP), der Dachorganisation der Schweizer Teilchenphysik.

Prof. Rainer Wallny (ETHZ)
Bild: ETHZ, Switzerland

Herr Prof. Wallny, welches Gefühl weckt bei Ihnen das Strategie-Update, das der CERN-Rat dieser Tage verabschiedet hat?

Die Aktualisierung der europäischen Strategie für Teilchenphysik erfüllt mich mit grosser Zuversicht. Der CERN-Rat hat eine Vision für die Teilchenphysik verabschiedet, die den künftigen Fortschritt unseres Feldes sichert und in der das CERN als das europäische Zentrum für Teilchenphysik weiterhin eine zentrale Rolle spielen wird.

Was ist aus Schweizer Sicht die Kernaussage der aktualisierten Forschungsstrategie?

Zum einen gibt es ein klares Bekenntnis zu einer Präzisionsmaschine, der «Higgs Factory», welche Higgsbosonen in grossem Umfang produzieren wird. Zum anderen wird mit den beschlossenen Machbarkeitsstudien ein klarer Weg hin zu einem Protonbeschleuniger eingeschlagen, der mindestens 100 TeV Schwerpunktsenergie haben soll. Beide Maschinen sind nötig, um die Eigenschaften des Higgsbosons präzise zu vermessen und das Entdeckungspotential für Physik jenseits des Standardmodells zu maximinieren. Wir hoffen zum Beispiel ein Teilchen zu finden, das die Dunkle Materie erklärt, die wir im Universum finden. Ein weiterer zentraler Punkt ist die Intensivierung der Forschungs- und Entwicklungsarbeit für Beschleunigertechnologie, wie sie in der Schweiz bereits mit der CHART-Initiative vorangetrieben wird. Dies ist eine Initiative des Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI), der EPFL, der ETH Zürich, dem Paul Scherrer Institut (PSI), dem ETH-Rat sowie der Universität Genf, in Zusammenarbeit mit dem CERN. Der Entscheid des CERN-Rats unterstützt diese Forschungsstrategie und ich hoffe, dass CHART weiter gestärkt wird.

Das Strategie-Update deckt die drei grossen Teilbereiche der Teilchenphysik ab, an denen Schweizer Physikerinnen und Physiker in verschiedenster Weise beteiligt sind, also die Forschung mit intensiven Teilchenstrahlen bei niedrigen und hohen Energien, die Neutrinophysik und last but not least die Astroteilchenphysik. Hat die Schweizer Teilchenphysik ihre «Ressourcen» richtig verteilt, oder braucht es im Lichte des Strategie-Updates neue Akzentsetzungen?

Die Schweizer Physikerinnen und Physiker sind mit ihren diversen Projekten innerhalb von CHIPP sehr gut aufgestellt, auch im Vergleich mit anderen europäischen Ländern. Für die Teilchenphysik wie für alle anderen wissenschaftliche Disziplinen ist die Forschungsfreiheit zentral. Es wäre kontraproduktiv, würde die Verteilung der Ressourcen «von oben» koordiniert. Die «Europäische Strategie» war ja selbst auch ein Bottom-up-Prozess, an dem die Teilchenphysikerinnen und -physiker aller Mitgliedsländer mitwirken konnten.

«Höchste Priorität» hat gemäss Strategie-Update der Bau einer «Higgs Factory», verstanden als Elektron-Positron-Kollider, mit dem sich Higgs-Teilchen in grosser Zahl produzieren lassen und der die Grundlage für die genaue Untersuchung dieses Teilchens darstellt. Längerfristig soll der «Higgs Factory» ein Proton-Proton-Kollider folgen. Dazu soll nun eine Studie «die technische und finanzielle Machbarkeit» eines Proton-Proton-Kolliders mit Energien von mindestens 100 TeV untersuchen, wobei möglicherweise eine Vorstufe mit einem Elektron-Positron-Beschleuniger zur Erzeugung von Higgsbosonen und Eichbosonen der elektroschwachen Wechselwirkung realisiert werden würde. Das ist exakt das Konzept, das seit rund zehn Jahren mit massgeblicher Schweizer Beteiligung unter dem Namen «Future Circular Collider» (FCC) entwickelt wurde. Wo sehen Sie die Herausforderungen der Machbarkeitsstudie?

Ein zentraler Punkt ist die technische Machbarkeit, die sichergestellt werden muss, bevor eine endgültige Entscheidung getroffen werden kann. Eine solche Maschine bringt vielfältige technologische Herausforderungen mit sich, deren Bewältigung ein breites Portfolio an Expertise erfordern. Aus Schweizer Sicht ist die Magnettechnologie von besonderem Interesse, an der wir mit der Schweizer CHART-Initiative seit längerem arbeiten. Darüber hinaus ist die Geologie des Untergrunds, wo der neue Beschleuniger entstehen soll, ein weiteres Gebiet, wo ich mir vorstellen kann, dass die Schweiz ihre Expertise einbringnen kann. Nicht weniger wichtig sind die Finanzierbarkeit und die Nachhaltigkeit, also die Frage, wie wir energieeffiziente Methoden für Teilchenbeschleuniger entwickeln können, damit der ökologische Fussabdruck des neuen Beschleunigers vertretbar bleibt. In all diesen Punkten betreten wir Neuland, aber ich verspreche mir aus der Entwicklung der Lösungen auch einen Innovationsschub.

Der CERN-Rat hat das CERN-Management mit der Implementierung einer Machbarkeitsstudie zum FCC beauftragt: Ist dann der Compact Linear Collider (CLIC) – der Linearkollider am CERN, der bisher als Alternativkonzept zum FCC gehandelt wurde – aus dem Rennen?

Die R&D-Studien zur CLIC-Beschleunigungstechnologie werden meines Wissens weitergeführt, da das „drive beam“-Konzept eine vielversprechende Innovation in der Beschleunigertechnologie darstellt. Ich lese das Strategie-Update des CERN-Rats aber in der Tat so, dass der FCC-Option für die „Higgs Factory“ (FCC e+e-) eine Präferenz eingeräumt wird gegenüber dem CLIC-Konzept. Ich würde aber nicht so weit gehen zu sagen, dass CLIC vollständig „aus dem Rennen“ ist.

Der CERN-Teilchenbeschleuniger LHC wird bis im Jahr 2038 weiter genutzt. Nach dem Fahrplan des Strategie-Update soll ca. 2026/27 über den Nachfolger entschieden werden, und dieser würde dann voraussichtlich spätestens im Jahr 2048 in Betrieb gehen, also zehn Jahre nach dem Ende des LHC. Ist das schnell genug?

Der LHC brauchte 15 Jahre von der Genehmigung des Projektes bis zu seiner Inbetriebnahme. Insofern erscheint diese Zeitskala realistisch, denn wir werden noch einige Zeit brauchen, die Machbarkeitsstudien durchzuführen und diese Zeit ist gut investiert. Natürlich wäre ich froh, wenn es noch ein bisschen schneller ginge. Es wäre fantastisch, wenn wir vor Mitte des Jahrhunderts einen neuen Teilchenbeschleuniger im Betrieb nehmen könnten, auch wenn ich dann selbst schon längst emeritiert sein werde. Teilchenphysikforschung und die Beantwortung grundlegender Fragen über das Universum sind ein Geschäft, das einen langen Atem und Geduld braucht.

CERN-Direktorin Fabiola Gianotti sagt, der Entscheid über den Nachfolger solle auch im Licht der Ergebnisse des High-Luminosity-LHC gefällt werden, also des weiter aufgerüsteten, leistungsfähigeren LHC, der 2026 in Betrieb gehen soll. Können Sie uns diese Überlegung aus teilchenphysikalischer Sicht erläutern?

Der LHC hat bis jetzt nur etwa 6% der insgesamt bis 2038 zu erwartenden Gesamtdaten geliefert. Neue Entdeckungen warten vermutlich nicht um die Ecke, aber die Suche nach neuer Physik hat am LHC weiterhin ein grosses Potenzial. Die Analysestrategien brauchen nun ein höheres Niveau an verfeinertem und vertieftem Verständnis der theoretischen Vorhersagen. Neben der Suche neuer Teilchen, messen wir auch die fundamentalen Parammeter des Standardmodells mit hoher Präzision und wir suchen Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells, z.B. was die Eigenschaften des Higgsbosons betrifft. Solche hochpräzisen Analysen der LHC-Daten haben das Potenzial, uns Fingerzeige zu geben, die allenfalls relevant sind für die Konstruktion des Nachfolgers.

Man verrät keine Geheimnisse, wenn man darauf hinweist, dass der Bau von Grossforschungsanlagen in internationaler Konkurrenz erfolgt, was globales strategisches Denken und Zusammenarbeit erfordert. Die europäischen Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker bieten im Strategie-Update ausdrücklich ihre Zusammenarbeit beim International Linear Collider (ILC) an, wenn er denn rechtzeitig realisiert wird. Das bedeutet: In Japan würde eine Higgs-Factory mit europäischer Unterstützung gebaut. Glauben Sie, dass am CERN eine zweite Higgs-Factory entstehen kann, sofern vorher in Japan der ILC gebaut wird?

In der Teilchenphysik haben wir ja den Begriff der «coopetition», d.h. des Zusammenspiels von Kooperation und Wettbewerb: beides gehört zusammen, denn grosse Beschleuniger kann man heutzutage nur mit einer Kooperation auf mittlerweile weltweitem Massstab bauen, und Konkurrenz dient auch zur Absicherung der wissenschaftlichen Erkenntnisse. Ich persönlich glaube allerdings, dass wenn der Bau einer «Higgs Factory» in Japan unverzüglich in Angriff genommen werden würde, mit europäischer Unterstützung, dass dann hierzulande die Anstrengungen sich auf den Bau des Protonbeschleunigers konzentrieren würden. Natürlich bleibt auch dann immer noch eine Möglichkeit, die Option eines FCC e+e- weiterzuverfolgen. Im Strategiedokument wird dies ja so formuliert, dass ein zeitnaher ILC «kompatibel» mit der europäischen Strategie ist.

Zurück zur kurzfristigen Perspektive: Ergeben sich aus dem Strategie-Update für die kommenden Jahre neue Arbeitsschwerpunkte für die Schweizer Teilchenphysik?

Ich sehe die europäische und die Schweizer Strategie sehr gut aufeinander ausgerichtet. Ich bin zuversichtlich, dass die Schweizer Teilchenphysik zu dieser europäischen Vision weiterhin massgeblich beitragen wird, beispielweise in der Beschleuniger- und Detektorentwicklung.

Interview: Benedikt Vogel

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