Auf der Suche nach neuer Physik am größten Teilchenbeschleuniger der Welt

Nicht jeder ist voll dabei. Einige Theoretiker befürchten, dass der Ansatz nur zu mehr Fehlalarmen durch den Collider führen wird – zu mehr vorläufigen Ausreißern in den Daten wie „Two-Sigma-Bumps“, die wegen ihrer geringen statistischen Sicherheit so genannt werden. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um Zufallsereignisse, die mit zunehmender Datenmenge und Analyse schließlich verschwinden. Koren befürchtet, dass dies bei einer so ergebnisoffenen Technik noch mehr der Fall sein wird: „Es scheint, dass sie eine Maschine haben wollen, die mehr Two-Sigma-Bumps am LHC findet.“

Nachman erzählte mir, dass er viel Widerstand erhalten habe; Er sagt, ein hochrangiger Physiker habe ihm gesagt: „Wenn Sie kein bestimmtes Modell im Sinn haben, betreiben Sie keine Physik.“ Auf spezifischen Modellen basierende Suchen seien erstaunlich produktiv gewesen – als Paradebeispiel nennt er die Entdeckung des Higgs-Bosons –, aber sie müssen nicht das Ende der Geschichte sein. „Lassen Sie die Daten für sich selbst sprechen“, sagt er.

Größere Maschinen bauen

Was sich Teilchenphysiker in Zukunft wirklich wünschen würden, ist mehr Präzision. Das Problem bei Protonen besteht darin, dass jedes einzelne ein Bündel von Quarks ist. Sie zusammenzuschlagen ist wie eine subatomare Nahrungsschlacht. Das Zusammenstoßen unteilbarer Teilchen wie Elektronen (und ihrer Antiteilchen, Positronen) ineinander führt zu viel saubereren Kollisionen, wie sie auf einem Billardtisch stattfinden. Ohne das Durcheinander können Forscher weitaus präzisere Messungen von Teilchen wie dem Higgs durchführen.

Ein Elektron-Positron-Kollider würde so viele Higgs-Bosonen so sauber erzeugen, dass er oft als „Higgs-Fabrik“ bezeichnet wird. Derzeit gibt es jedoch keine Elektron-Positron-Kollider, die auch nur annähernd die Energien haben, die für die Erforschung des Higgs erforderlich sind. Eine Möglichkeit am Horizont ist der Future Circular Collider (FCC). Dazu müsste in der Schweiz ein unterirdischer Ring mit einem Umfang von 55 Meilen (90 Kilometer) gegraben werden – dreimal so groß wie der LHC. Diese Arbeit würde wahrscheinlich Dutzende Milliarden Dollar kosten, und der Collider würde sich erst fast 2050 einschalten. Es gibt zwei weitere Vorschläge für kurzfristigere Elektron-Positron-Collider in China und Japan, aber geopolitische bzw. Haushaltsprobleme machen sie erforderlich weniger attraktive Aussichten.

Auch Physiker würden gerne zu höheren Energien vordringen. „Die Strategie hat uns buchstäblich nie im Stich gelassen“, sagt Homiller. „Jedes Mal, wenn wir uns einer höheren Energie zuwendeten, entdeckten wir eine neue Schicht der Natur.“ Mit Elektronen wird dies nahezu unmöglich sein; Weil sie eine so geringe Masse haben, strahlen sie jedes Mal, wenn sie einen Collider umkreisen, etwa eine Billion Mal mehr Energie ab als Protonen. Aber nach dem Plan des CERN könnte der FCC-Tunnel umgenutzt werden, um Protonen mit achtmal höheren Energien kollidieren zu lassen als im LHC – und das in etwa 50 Jahren. „Es ist absolut wissenschaftlich fundiert und großartig“, sagt Homiller. „Ich denke, dass CERN es tun sollte.“

Könnten wir schneller zu höheren Energien gelangen? Im Dezember stellte das „Particle Physics Project Prioritization Panel“ (P5) mit dem alliterativen Namen eine Vision für die nahe Zukunft des Fachgebiets vor. P5 befasste sich nicht nur mit dringenden Prioritäten wie der weiteren Finanzierung des HL-LHC-Upgrades und den Plänen für Teleskope zur Erforschung des Kosmos, sondern empfahl auch die Verfolgung eines „Myon Shot“ – eines ehrgeizigen Plans zur Entwicklung einer Technologie zur Kollision von Myonen.

Die Idee eines Myonenbeschleunigers hat Physiker fasziniert, da er das Potenzial hat, sowohl hohe Energien als auch – da die Teilchen unteilbar sind – saubere Kollisionen zu kombinieren. Bis vor Kurzem schien es unerreichbar; Myonen zerfallen in nur 2,2 Mikrosekunden, was es äußerst schwierig macht, mit ihnen zu arbeiten. Im letzten Jahrzehnt haben Forscher jedoch Fortschritte gemacht und gezeigt, dass es unter anderem möglich sein sollte, die aufgewühlte Energiewolke in den Griff zu bekommen, die durch zerfallende Myonen entsteht, wenn sie um die Maschine herum beschleunigt werden. Befürworter eines Myonenbeschleunigers verweisen auch auf seine geringere Größe (10 Meilen), seine schnellere Zeitachse (optimistischerweise bereits im Jahr 2045) und die Möglichkeit eines US-Standorts (insbesondere des Fermi National Laboratory, etwa 50 Meilen westlich von Chicago).

Es gibt viele Vorbehalte: Ein Myonenbeschleuniger steht immer noch vor großen technischen, finanziellen und politischen Hürden – und selbst wenn er gebaut wird, gibt es keine Garantie dafür, dass er verborgene Teilchen entdeckt. Aber insbesondere für jüngere Physiker ist die Befürwortung der Forschung und Entwicklung von Myon-Collidern durch das Gremium mehr als nur eine politische Empfehlung; es ist eine Wette auf ihre Zukunft. „Das ist genau das, was wir uns erhofft hatten“, sagt Homiller. „Dies eröffnet den Weg zu dieser aufregenden, völlig anderen Grenze der Teilchenphysik in den USA.“ Es ist eine Grenze, die er und andere gerne erkunden möchten.

Dan Garisto ist ein freiberuflicher Physikjournalist mit Sitz in New York City.