Der erste CERN-Speicherring funktionierte besser als erwartet

Von Thomas von Randow

Die Magnete haben keinen Strom", rief einer. "Die Sicherungen müssen eingeschaltet werden", rief ein anderer. "Wo ist der Schlüssel zum Sicherungsraum?" fragten viele. Es dauerte fast eine Stunde, bis der Schlüssel gefunden war und die Probe beginnen konnte, die Erprobung des ersten der beiden Speicherringe im europäischen Kernforschungszentrum CERN in Meyrin bei Genf.

Sie freilich verlief dann so glatt, wie es keiner der an dem Projekt beteiligten Physiker und Techniker zu hoffen gewagt hatte. Die Nachricht von diesem Erfolg verbreitete sich in den Fachkreisen schnell, und an der Flut der Glückwunschtelegramme aus Ost und West, die seit Beginn der vorigen Woche im CERN nicht abreißen will, läßt sich ablesen, wie gespannt die Physiker in aller Welt darauf sind, ob das neue große Instrument – es ist jenseits der Schweizer Grenze auf französischem Böden in einem Ringtunnel von 300 Meter Durchmesser untergebracht – tatsächlich funktionieren wird. Vorerst ist dies allerdings nur für einen Teil der Anlage, die – früher als geplant – im kommenden Februar betriebsbereit sein wird, unter Beweis gestellt worden.

Warum ist das Interesse an der neuen Forschungsmaschine so groß?

Eine zusätzliche Linse

Betrachtet man, was durchaus berechtigt ist, Teilchenbeschleuniger wie das große Protonensynchroton des CERN als Mikroskope, mit denen man die subatomare Welt beobachten kann, dann ist ein Speicherringsystem, wie es in der Nähe von Genf jetzt entsteht, eine Art Zusatzlinse, die das Auflösungsvermögen des Mikroskops erheblich vergrößert. Das System im CERN wird das erste seiner Größenordnung sein. Daß es so funktionieren wird, wie es die Theorie vorschreibt, ist bei derlei Großforschungsgeräten keineswegs sicher. Daß der bislang fertiggestellte Teil nach Wunsch arbeitet, ist Grund genug zum verständlichen Stolz, der die Beteiligten erfüllt. Stolz ist man auch darauf, daß die Anlage nicht mehr kosten wird als im Jahre 1964 kalkuliert worden war: 332 Millionen Schweizer Franken in Marktpreisen von 1965.

Im Synchrotron des CERN werden Protonen, die elektrisch positiv geladenen Atomkern-Bausteine, auf einer Kreisbahn von 200 Meter Durchmesser beschleunigt, bis ihre Geschwindigkeit an die des Lichtes, die höchste überhaupt mögliche, heranreicht. Die so mit höher Energie – 28 Milliarden (Giga) Elektronenvolt (GeV) – versehenen Teilchen werden aus der Kreisbahn herausgeleitet und auf Materie gerichtet, wo sie mit den ruhenden Teilchen dieses Materials zusammenstoßen. Bei solchen Kollisionen verwandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie in Materie, das heißt: Es entstehen neue Elementarteilchen, deren Lebensdauer und Flugbahnen studiert Werden. So hoffen die Physiker, dereinst der immer noch mysteriösen Grundstruktur der Materie auf die Spur zu kommen.

Bislang aber haben Beschleunigerexperimente eher zur Verwirrung geführt. Denn es stellte sich in den letzten beiden Jahrzehnten heraus, daß es sehr viele verschiedene Elementarteilchen gibt; über zweihundert wurden inzwischen bekannt. Seitdem bemühen sich die Theoretiker darum, Ordnung in den "Elementarteilchenzoo" zu bringen. Wie wichtig eine Systematik sein kann, lehrt die Erfahrung mit dem Periodischen System der Elemente, dessen Studium zur Erforschung des Atomaufbaus geführt hat.

Es sind auch schon verschiedene Schemata erdacht worden, in die sich die Elementarteilchen sinnvoll einordnen lassen. Eine solche Systematik, die sogenannte SU-3-Theorie, ließ sogar die Existenz bestimmter Elementarteilchen vorhersagen; die erst später entdeckt worden sind. Doch die Gültigkeit dieser Theorie ist damit noch nicht bewiesen; sie steht weiterhin in Konkurrenz mit anderen Hypothesen.

Klarheit kann wohl erst eine Fülle weiterer Experimente mit kollidierenden Elementarteilchen geben, vor allem mit solchen, denen eine weitaus höhere Energie erteilt wird, als es mit den gegenwärtig vorhandenen Beschleunigern möglich ist.

Doch die Kosten für den Bau entsprechend starker Beschleuniger sind ungeheuer groß, weshalb man auf Auswege sann und schließlich auf die Idee mit den Speicherringen kam.

Prallt ein beschleunigtes Elementarteilchen auf ein ruhendes, dann kann sich nur ein kleiner Teil der Bewegungsenergie in neue Teilchen verwandeln, der Rest nämlich wird darauf verwandt, das angestoßene Teilchen seinerseits in Bewegung zu versetzen. In der Tat steht nur ein Viertel der Energie, die der CERN-Beschleuniger den Protonen erteilt, beim Zusammenstoß mit ruhenden Teilchen zur Produktion neuer Materie zur Verfügung. Und dieser Wirkungsgrad ist bei stärkeren Beschleunigern noch ungünstiger – zum Beispiel ist von den 76 GeV Energie, – die das derzeit größte Synchrotron in Serpuchow (Sowjetunion) den Teilchen erteilt, nur ein Siebentel nutzbar.

Kollidieren jedoch zwei mit gleicher Geschwindigkeit aus entgegengesetzten Richtungen kommende Teilchen miteinander, dann kann sich die gesamte Bewegungsenergie in Materie umwandeln. Von zwei mit 28 GeV frontal zusammenstoßenden Protonen des CERN-Beschleunigers würden rund 56 GeV Energie zur Umwandlung in Materie vorhanden sein. Das wäre soviel, wie man beim Beschuß ruhender Teilchen nur mit einem 1700-GeV-Beschleuniger erreichen könnte, einer Maschine, die 22mal so stark sein müßte wie die zur Zeit größte der Welt.

Aus solchen Kalkulationen entstand der Gedanke, die von einem Synchrotron beschleunigten Teilchen auf Kollisionskurs zu bringen. Doch ergab sich hierbei ein Problem. Der vom Beschleuniger gelieferte Teilchenstrahl ist nicht dicht genug, als daß man mit einer ausreichenden Trefferquote der winzigen Partikel rechnen könnte, wenn etwa die eine Hälfte der beschleunigten Teilchen gegen die andere geschossen würde.

Den Weg aus diesem Dilemma weisen die Speicherringe. Wie der Ring eines Beschleunigers besteht der Speicherring aus einer nahezu luftleeren, torusformigen Röhre und Magneten, die die Elementarteilchen zwingen, in der Röhre zu kreisen, ohne mit der Röhrenwand in Berührung zu kommen.

Protonen werden gestapelt

In diesen Ring gelangen die vom Beschleuniger auf hohe Energie gebrachten Teilchen, und hier sorgen Apparaturen dafür, daß sie ihre Geschwindigkeit beibehalten. Während aber der eine Teilchenschub in dem Speicherring kreist, können noch weitere Schübe in ihn gebracht werden. So wird der in dem Ring kreisende Teilchenstrom immer dichter, die Teilchen werden "gestapelt", wie es in der Fachsprache heißt.

Zwei solcher Speicherringe werden auf diese Weise gefüllt. Und wenn die Teilchenströme stark genug geworden sind, dann lenkt man sie aus ihren – gegenläufigen – Kreisbahnen heraus und läßt sie zusammenstoßen. Jetzt ist die Wahrscheinlichkeit dafür, daß es zu Frontalkollisionen kommt, groß genug.

Im CERN soll dieses Prinzip zum erstenmal in großem Maße verwirklicht werden. Die beiden Speicherringe sind hier nicht Kreise, sondern nur kreisähnliche Gebilde, gewissermaßen Quadrate mit abgerundeten Ecken sind. Die beiden einander gleichen Ringe sind konzentrisch so zueinander gestellt, daß sie sich – dank ihrer besonderen Form – an acht Punkten kreuzen. An diesen acht Stellen können die Protonenströme aufeinander gelenkt werden.

Der erste dieser beiden Ringe ist jetzt probeweise mit Protonen aus dem CERN-Synchrotron beschickt worden. Auf Anhieb konnte der Protonenstrom zuerst zwanzig und später sogar vierzig Minuten lang aufrechterhalten werden. Auch die "Stapelung" der beschleunigten Protonen gelang.

Elementarteilchen-Physiker versprechen sich von den Experimenten mit dem neuen CERN-Instrument eine Reihe neuer Einsichten in die Natur der Materie und der Kräfte, die die Welt bewegen. Sensationell wäre die Entdeckung der Quarks. Nach der schon erwähnten SU-3-Theorie müßte es drei fundamentale Teilchen geben, die drei Quarks, aus denen alle anderen Materieteilchen zusammengesetzt sind. Fände man diese elementarsten unter den Elementarteilchen, dann würde eine vollständige Theorie der Materie in greifbare Nähe rücken.

Der erfolgreiche Teilstart des neuen Zusatzgeräts im CERN berechtigt zur Erwartung bedeutender neuer Einblicke in die Welt des Allerkleinsten. Doch darf man nicht vergessen, daß viele Elementarteilchenprobleme nur in Experimenten mit Teilchenströmen nicht nur hoher Energie, sondern auch sehr hoher Dichte gelöst Werden können. Dazu reichen Speicherringe nicht aus, dazu braucht man trotz der genialen Erfindung dieser Zusatzgeräte Beschleuniger, die noch gewaltiger sind als die großen Maschinen der Gegenwart.