Millimeter für Millimeter wird der mit Sensoren und Elektronik vollgestopfte Zylinder in die zentrale Öffnung des riesigen Kolosses vorgeschoben. Auf einer Länge von sieben Metern beträgt der Spielraum nur einen Millimeter. Wenn jetzt etwas schiefgeht und der ATLAS- Detektor zerstört wird, wäre alles umsonst. Bei diesem Drahtseilakt im Jahr 2014 ist jedoch alles gut gegangen und der Detektor wurde von 2015 bis 2018 erfolgreich betrieben.

Hundert Meter unter der Erdoberfläche und hoch wie ein sechsstöckiges Wohnhaus: der ATLAS-Detektor am CERN in Genf (Foto: CERN ATLAS Collaboration)

Schon seit 1995 sind Physiker der Bergischen Universität am Bau und Betrieb des ATLAS- Detektors beteiligt, eines Teilchenbeschleunigers am Large Hadron Collider (LHC) im Europäischen Kernforschungszentrum CERN. Er soll die Spuren geladener Teilchen mit großer Präzision bis zu ihrem Ursprungsort, dem Kollisionspunkt, zurückverfolgen. Denn nach der sensationellen Entdeckung des sogenannten Higgs-Bosons 2012 waren die wichtigsten Ziele der Teilchenphysiker die genaue Vermessung seiner Eigenschaften und die Suche nach anderen neuen Teilchen, die von möglichen Erweiterungen der Theorie der Elementarteilchen vorhergesagt werden.

Die Wissenschaftler der Bergischen Universität sind verantwortlich für wesentliche Komponenten des inneren Spurdetektors, des sogenannten Pixeldetektors und dessen Auslese. In Zusammenarbeit mit Ingenieuren haben sie gedruckte Leiterplatten für das Auslesesystem entwickelt und große Elektronikbausteine programmiert, mit denen die Daten in Echtzeit empfangen, umformatiert und neu versendet werden. Der enge Austausch mit Vertretern des Fachs Elektrotechnik kommt den Physikern dabei sehr zugute.

"Schwerpunkt unserer Arbeit ist die Auswertung von Kollisionen, in denen Top-Quarks erzeugt werden. Das Top-Quark ist das mit Abstand schwerste aller Elementarteilchen und spielt deshalb bei vielen Phänomenen der Elementarteilchenphysik eine entscheidende Rolle", erklärt Professor Wolfgang Wagner, der die Wuppertaler Arbeitsgruppe "Experimentelle Elementarteilchenphysik" zusammen mit Professor Christian Zeitnitz leitet.

"Der Traum jedes Physikers"

Neben den bekannten und gut erforschten Produktionsprozessen könnten Top-Quarks auch beim Zerfall sehr schwerer, bisher unbekannter Teilchen entstehen. Dazu zählen zum Beispiel die Lepto-Quarks. Sie könnten mehrere tausend Mal schwerer sein als ein Proton und am ATLAS-Detektor in Proton-Proton-Kollisionen erzeugt werden. Die Existenz von Lepto-Quarks würde eine Verbindung zwischen zwei Sorten von Elementarteilchen herstellen, den Leptonen und den Quarks. So ließe sich aus der Theorie heraus erklären, warum das Proton exakt die gleiche elektrische Ladung trägt wie das Elektron, und damit wäre verständlich, warum Atome elektrisch neutral sind.

Einbau der innersten Lage des Pixel-Detektors, zu deren Bau die Wuppertaler Arbeitsgruppe Experimentelle Elementarteilchenphysik wesentliche Beiträge geleistet hat (Foto: CERN ATLAS Collaboration)

Da die Suche nach der direkten Produktion neuer Teilchen, die durch ihren Zerfall in andere Teilchen nachgewiesen werden, bisher nicht erfolgreich war, gerät eine andere Analysestrategie immer stärker in den Fokus. Die Produktionsraten von Prozessen mit Top-Quarks, wie sie die etablierte Theorie der Elementarteilchenphysik vorhersagt, werden präzise vermessen. Würden die Forscher eine Abweichung von den Vorhersagen finden, wäre dies ein Hinweis darauf, dass die Theorie erweitert werden muss. Die Kopplung der Top-Quarks an andere Elementarteilchen wäre verändert. "Uns interessiert besonders, ob auch die neutralen Wechselwirkungsteilchen, das Photon, das Z-Boson und das Higgs-Boson, die Quarksorte ändern können. Das ist eine Frage, die wir in den nächsten Jahren genau untersuchen wollen. Natürlich ist es der Traum eines jeden Physikers, einen solchen Effekt zu finden", erläutert Professor Wagner.

"Von 2021 bis 2023 werden wir noch einmal Daten nehmen und die Datenmenge verdoppeln", berichtet Professor Zeitnitz. "Und ab 2026 wollen wir mithilfe eines erneuerten ATLAS-Detektors die Datenmenge sogar verzehnfachen, sodass noch genauere Messungen möglich werden."


»Uns interessiert besonders, ob auch die neutralen Wechselwirkungsteilchen, das Photon, das Z-Boson und das Higgs-Boson, die Quarksorte ändern können. Das ist eine Frage, die wir in den nächsten Jahren genau untersuchen wollen. Natürlich ist es der Traum eines jeden Physikers, einen solchen Effekt zu finden.« Professor Wolfgang Wagner


Das Analysieren von Messergebnissen und ihre theoretische Reflexion sind aber nicht nur den Teilchenphysikern vorbehalten: Seit 2010 besteht an der Bergischen Universität auch eine unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Volkswagenstiftung geförderte interdisziplinäre Zusammenarbeit von Teilchenphysik, Wissenschaftsgeschichte und Wissenschaftsphilosophie. Darauf aufbauend haben 2016 die DFG sowie in Teilen auch der österreichische Wissenschaftsfonds FWF sechs Projekte der Forschergruppe "The Epistemology of the Large Hadron Collider" bewilligt. Hier kooperieren Expertinnen und Experten von sieben Universitäten aus Deutschland, Österreich und den USA. Sie denken aus physikalischer, historischer, philosophischer und soziologischer Perspektive über die Erkenntnisse nach, die am LHC gewonnen werden. "Interdisziplinäre Forschungsgruppen dieser Art sind eher eine Seltenheit. Die besonderen Umstände, die in diesem Fall zur interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Geistes- und Naturwissenschaft geführt haben, liegen in der besonderen Bedeutung der gegenwärtigen Forschungen der Teilchenphysik", betont Professor Gregor Schiemann, Sprecher der Forschergruppe und Professor für die Geschichte und Theorie der Wissenschaften an der Bergischen Universität.

Natur- und Geisteswissenschaft kooperieren

Die Bildung der Gruppe stand noch ganz im Zeichen der Erwartung eines grundlegenden Wandels in den Fundamenten der physikalischen Theorien. Eines Wandels, der von der Hoffnung auf die Entdeckung neuer Phänomene getragen wurde. So eindrucksvoll das bisherige Wissen über die Bausteine der Materie ist, weist es doch noch ernstzunehmende Mängel auf, die durch neue, teilweise schon vorausgesagte Entdeckungen behoben werden sollten. "Für die drei Geisteswissenschaften ist es von großem Wert, einen vielleicht tiefgreifenden Wandlungsprozess, in dessen Folge sich Begriffe und Theorien einer Naturforschung ändern, in Echtzeit zu beobachten und zu analysieren", erklärt Schiemann. Worauf gründen sich die Erwartungen der Teilchenphysiker?

Künstliche Intelligenz unterstützt Experimente

Welche leitenden Prinzipien gibt es für die Beurteilung und Konstruktion von Theorien? Muss zwischen konkurrierenden Theorien entschieden werden? Das sind nur einige Fragen, mit denen sich die Forschungsgruppe beschäftigt. Und die geisteswissenschaftliche Reflexion der Naturforschung hilft umgekehrt den Teilchenphysikerinnen und -physikern, ihr eigenes Tun besser zu verstehen.

Ihre Erwartungen wurden in den vergangenen Jahren allerdings enttäuscht. Zwar wurde die Voraussage des Higgs-Teilchens bestätigt, aber die Ansätze zur Lösung der bestehenden Mängel haben sich nicht bewährt. Jetzt steht die Teilchenphysik vor neuen Herausforderungen. An die Seite der bisherigen Verfahren zur Suche nach neuen Phänomenen tritt der vermehrte Einsatz neuerer Methoden zur Durchführung und Auswertung von Experimenten. "Grob gesprochen sind die bisherigen Verfahren vorrangig daran orientiert, Voraussagen von Theorien zu überprüfen", so Schiemann. Die neueren Methoden versprechen mehr Möglichkeiten, bisher noch nicht bekannte Phänomene zu entdecken. Dabei spielen Verfahren der künstlichen Intelligenz, insbesondere das sogenannte Maschinenlernen, eine große Rolle. Durch diese methodische Umorientierung gewinnt die experimentelle Praxis gegenüber den bestehenden Theorien eine größere Bedeutung.

Dieser Wandlungsprozess ist für die geisteswissenschaftliche Reflexion der Naturforschung von erheblicher Relevanz. Verlieren jetzt auch die leitenden Prinzipien zur Beurteilung und Konstruktion von Theorien ihre Geltung? Wie wirkt sich die mangelnde Bestätigung von theoretischen Vorhersagen auf die übrigen Theorien aus? Wird man Entdeckungen, die nicht von Theorien vorausgesagt werden, verstehen können?

Der Reiz der interdisziplinären Zusammenarbeit reicht allerdings weit über die aktuelle Forschung hinaus. Schließlich zielt Teilchenphysik auf nicht weniger ab, als die Materie des gesamten (beobachtbaren) Universums mit ihren Theorien zu erfassen und zu entdecken, "was die Welt im Innersten zusammenhält", wie es Goethes Faust formuliert hat. Sie bildet schon jetzt eine fundamentale Grundlage für das Naturwissen, ohne die auch ein geisteswissenschaftliches Weltverständnis undenkbar ist.



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