Am 21.10.2008 wird der Large Hadron Collider ( LHC ) am CERN nach über 10 Jahren Bauzeit eingeweiht. Der LHC ist ein Beispiel für internationale friedfertige Ingenieurskunst. Er ist der größte Kühlschrank der Welt mit den leistungsfähigsten supraleitfähigen Magneten, die die beiden Protonenströme auf eine Kreisbahn mit 27 km Umfang zwingen. Dort , wo die Wasserstoffkerne aufeinanderstoßen , erzeugen sie einen Mini-Urknall mit einer Energie von 14 TeV. Die Stoß-Energie verwandelt sich thermische Energie und diese in einen Teilchenschauer.

Die Abermillionen Ereignisse in der Sekunde werden detektiert und vom Grid ausgewertet. Das Grid ist eine Zusammenschaltung gewwaltiger Rechenkapzitäten , die rund um die Welt verteilt sind, gewissermaßen ein Super-Internet. Das Internet der ersten Generation wurde auch am CERN entwickelt . Es hat unser Leben verändert und eine Revolution sozialen Verhaltens ausgelöst. Schon eine solche neu geschaffene Technologie für alle rechtfertigt den immensen Aufwand, den die Elementarteilchenphysik betreibt.

Und wozu das alles ?

Es geht darum das letzte, noch nicht nachgewiesene Teilchen des überaus erfolgreichen Standardmodells nachzuweisen. Es ist das Higgs-Boson, die Anregung des Higgsfeldes. Das Higgsfeld ist ein skalares Hintergrundfeld , das alles durchdringt, so wie das skalare Temperaturfeld, das auch nicht abgestellt werden kann.

Experimentelle Ergebnisse schränken die Masse des Higgs-Bosons ein zwischen 100 und 200 GeV . Das durch den Zusammenstoß zweier Protonen bei 14 TeV entstehende Higgs-Boson zerfällt innerhalb des Bruchteils einer Sekunde und kann nur durch seine Zerfallsprodukte rückwirkend identifiziert werden. Wird das Higgs-Boson mit statistischer Sicherheit nachgewiesen, erhält Mr. Higgs nach 40 Jahren seinen Nobelpreis. Es gibt zunehmend viele Physiker, die nicht an die Existenz des Higgs-Bosons glauben. Sie können sich nicht vorstellen, wie durch das Higgs-Boson das Massenspektrum der Quarks und Leptonen erklärt werden kann.

Neben dem Higgs-Boson werden am LHC die ersten supersymmetrischen Teilchen erwartet . Die Supersymmetrie ist eine überraschend entdeckte Raumzeit-Symmetrie. Sie stellt die Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen her. Fermionen sind unterscheidbare, Bosonen sind ununterscheidbare Teilchen. Das wichtigste Fermion ist das Elektron. Elektronen haben die gleiche Masse, sie können aber in einem Atom nicht den gleichen Energiezustand einnehmen. Sie müssen sich in den Quantenzahlen unterscheiden. Bosonen hingegen können in Abhängigkeit von der Temperatur gleiche Quantenzustände einnehmen. Nach der herrschenden Lehre soll jedes Ferimion ein Partner-Boson und jedes Boson ein Partner-Fermion haben. Die Anzahl der Teilchen würde sich verdoppeln und die ersten Superteilchen sollen am LHC gefunden werden.

Wir haben eine ähnliche Situation wie vor100 Jahren, als der Welle-Teilchen-Dualismus entdeckt wurde. Es war eine sensationelle Entdeckung und Schlußfolgerung von de Broglie, daß das Elektron als Teilchen und als Welle existiert . Existiert das Elektron als Fermion und auch als Boson ? Nach der Idee der Supersymmetrie postuliert man zwei verschiedene Teilchen . Warum postuliert man auch hier nicht einen Dualismus ? Das Elektron existiert demnach im Spannungsfeld zwischen Teilchen und Welle und zwischen
Unterscheidbarkeit und Ununterscheidbarkeit.

Was ist der Ursprung der Masse ?

Einer der grandiosen Erfolge der Elementarteilchenphysik war die Vereinigung der elektromagnetischen Wechselwirkung mit der schwachen Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung. Die Theorie wurde bestätigt durch den Nachweis der W- und Z-Bosonen am LEP des CERN. W- Bosonen und Z-Bosonen haben jeweils eine Masse, die in der Theorie nicht vorgesehen ist. Die Teilchen des Standardmodells sind masselos. Mit dem Higgs- Mechanismus war es nach vielen Mühen gelungen, die Masse in die Theorie einzuführen ohne daß mathematische Unendlichkeiten entstehen. Die Theorie bleibt konsistent, wenn ein zusätzliches skalares Higgs-Feld mit dem zugehörigen Higgs-Boson eingeführt wird.

Die Vereinigungsenergie markiert eine Phasengrenze des Vakuums. Bei der Abkühlung des Universums koppelte sich die schwache Wechselwirkung von der elektroschwachen Wechselwirkung ab. Die schwache Kraft verletzt die Parität. Sie bricht die Spiegelsymmetrie. Die Natur unterscheidet durch die schwache Kraft zwischen rechts und links. Welt und Spiegelwelt unterscheiden sich , wenn auch geringfügig. Mit dem Bruch der Raumsymmetrie kommt die Masse in die Welt. Die Masse ist ein Maß für die Trägheit. Das Photon mit der Ruhemasse 0 bewegt sich als einziges Teilchen trägheitslos. Es kann von keinem Teilchen überholt werden.

An der Phasengrenze hält die Temperatur inne. Es entsteht Entropie und diese Entropie wird bei der Temperatur an der Phasengrenze in Massenenergie umgewandelt. Die Entropie wird dabei in Quanten aufgenommen. Die entstehenden Massenverhältnisse verhalten sich wie die Wahrscheinlichkeiten auf der logarithmischen Zahlengeraden. j

Am LHC stellt man sich einer weiteren Herausforderung, dem Rätsel der fehlenden Antimaterie. Antimaterie ist nach Richard Feynman Materie, die in der Zeit zurückläuft. Die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie beruht daher auf der Asymmetrie der Zeit. Die Asymmetrie der Zeit wird mit Zerfallprozessen nachgewiesen , die die CP-Symmetrie verletzen. Hierzu wurde der CMS-Detektor konzipiert.

Als 1954 die Verletzung der Spiegelsymmetrie , der P-Parität , entdeckt wurde , war das ein Schock für die Gemeinde der Physiker. Man hoffte dann, daß dann wenigstens bei der der Paritätsumkehr nachgeschalteten Ladungsumkehr die Symmetrie erhalten bleibt . Doch diese Hoffnung wurde 1974 zerstört, als man den ersten CP-verletzenden Zerfallsprozess nachweisen konnte. Die Schlußfolgerung aus dem CPT-Theorem war dann, daß die Zeitsymmetrie dann auch verletzt sein musste. Aus der Asymmetrie der Zeit folgt dann, daß es einen Materieüberschuss gegenüber der Antimaterie geben muss . Am CMS-Detektor des LHC sollen weitere CP-verletzenden Prozesse jetzt nachgewiesen werden. Die werden auch benötigt , um die Abwesenheit der Antimaterie erklären zu können .

In Deutschland haben sich 17 Universitätsinstitute , das Forschungszentrum und das Max-Planck-Institut für Physik in München zur Helmholtz-Allianz " Physik an der Teraskala " zusammengeschlossen. Sie bündeln das Expertenwissen der einzelnen Institute und wollen Deutschland in der Experimentalphysik nach vorne bringen. Weiterhin steht das CERN demnächst unter deutscher Führung. Deutschland nacht ernst mit der Suche nach dem "Ursprung der Masse".

Die nächste Herausforderung für die Schatzsucher am CERN ist das Rätsel der Dunklen Materie. Nur 5 % der Materie sind sichtbar im optischen Spektralbereich zwischen 400 und 800 nm . 95 % der Materie kann der Mensch mit seinen Sinnen nicht wahrnehmen. Und das sorgt für Aufregung. Ist die nicht sichtbare Materie eine andere Materieform, deren Atomkerne nicht aus Protonen und Neutronen besteht ? Man spricht von nicht-baryonischer Materie. Muss etwa das Gravitationsgesetz Newtons modifiziert werden, um die beobachteten Bewegungskurven der Sterne am Rande der Galaxien zu erklären. Auch diese Ansätze gibt es . Gibt es noch nicht entdeckte neue Teilchen, etwa die leichten Teilchen der Supersymmetrie , um die gravitativ wirkenden optisch nicht sichtbaren Massen zu erklären ?

Für die Wahrnehmung der Strahlung jenseits des optischen Lichtspektrums benötigt der Mensch Instrumente, die unsichtbare Röntgenstrahlung in optisch sichtbar Anzeigenwerte transformieren. Aus diese Weise wurde mit Röntgensatelliten entdeckt, dass Galaxien von einem Hallo Röntgenlicht strahlender Materie umgeben sind, gerade dort , wo die Dunkle, gravitativ wirkende Materie vermutet wird. Gibt es thermodynamische angeregte Materie, die in den nächst niedrigen Zustand fällt und dabei Röntgenstrahlung ausstrahlt ? Wir können ja das Proton (uud) als Grundzustand der baryonischen Materie auffassen und das Neutron (udd) als den ersten angeregten Zustand. Wenn das Neutron zerfällt, dann strahlt es ein geladenes Leptonenpaar aus, was natürlich nicht optisch wahrgenommen wird.

Ein weiteres Thema beschäftigt die Physik rund um den LHC : die Schwäche der Gravitationskraft im Vergleich zur elektromagnetischen Kraft und zusätzliche Dimensionen. Mit dem LHC soll nach Energielücken gefandet werden, die auf neue Dimensionen schließen lässt.

Das Billiardspiel wird vom Impulserhaltungssatz und vom Energieerhaltungssatz beherrscht. Der Impulserhaltungssatz gilt in der vierdimensionalen Raumzeit. Wird die erste Hartkugel beim Billiardspiel angestoßen, dann müssten die Kugeln im Idealzustand ständig in Bewegung bleiben. Stattdessen kommen Sie nach einiger Zeit zum Stillstand, weil die Stoßenergie durch Reibung in Wärme umgewandelt wird. Die Wärmeenergie entweicht aus dem System der vierdimensionalen Raumzeit in eine andere 5. Dimension. Und diese Dimension ist die Temperatur. Die Temperatur steigt geringfügig an.

In der Theorie der Elementarteilchenphysik spielt die Temperatur als Dimension überhaupt keine Rolle. Ausgangspunkt ist die potentielle und die kinetische Energie und daraus die Berechnung der Lagrangedichte und des Wirkungsquerschnitts. Die Theorie funktioniert, wenn die Massen der Elementarteilchen auf Null gesetzt werden. Das widerspricht der experimentellen Praxis und das ist das derzeitige Problem der Physik. In den Experimenten an den Beschleunigern wurden Ruhemassen der Elementarteilchen ungleich 0 gemessen. Die Massen des Massenspektrums der Elementarteilchen erscheinen beliebig und das ist ein weiteres Problem.

Die engen Beschleunigungsrohre des LHC werden unter Vakuum auf der Temperatur des flüssigen Heliums knapp über dem Temperatur-Nullpunkt gehalten, einzig zu dem Zweck mit den supraleitenden Magnete mit dem stärksten Magnetfeld, das jemals von Menschenhand erzeugt wurde, die beiden Protonenströme auf die Ringbahn zu zwingen. Beim Zusammenstoß entsteht in einem winzigen Punkt eine unvorstellbar hohe Temperatur, ein winziger Urknall. Diese gewaltige thermische Energie, die in der Theorie überhaupt kein Thema ist, wird nicht kontinuierlich abgegeben, sondern in Quanten . Die thermische Energie verwandelt sich in Massenenergie und in mechanische Energie. Die Massenteilchen entstehen entsprechend der Erhaltungssätze und bewegen sich in Raum und Zeit gemäß dem Impulserhaltungssatz.

Ein weiterer angeregter thermodynamischer Zustand ist das uds , gewissermaßen ein seltsames Proton. Wird das s-Quark aus der 2. Familie an der Materiebildung beteiligt, dann kann das Rätsel der Dunklen Materie auf andere Art gelöst werden, mit einem Teilchen aus dem Baukasten der Natur , für das man bisher keine Verwendung gefunden hat .

Die Vorstellung, dass die Temperatur eine weitere 5. Dimension sein könnte, macht vielen Menschen noch Schwierigkeiten. Bei den postulierten zusätzlichen Dimensionen, denken die Theoretiker an zusätzliche Raumdimensionen, die aufgerollt sein sollen. Die Zeit als Dimension bereitet vielen schon Probleme. Dabei sind Dimensionen unabhängige Varialble, die einen Zustand oder ein Ereignis definieren. Trifft man sich in einem Hochhaus, dann ist neben der Angabe der Straße mit Hausnummer als dritte Dimension auch die Angabe des Stockwerk notwendig. Hinzu kommt natürlich der Zeitpunkt, sonst wird das Treffen verfehlt. Unterschätzt wird die Angabe der Temperatur, z.B. aus dem Wetterbericht, denn sie entscheidet darüber, wie wir uns kleiden und wie wir uns vor Kälte oder Wärme schützen.

Wir leben in der Sprache der Stringtheorie auf der Membran einer 5-dimensionalen Raumzeit, auf einem ganz schmalen Temperaturband zwischen -40 °C und 40 °C. Außerhalb dieses Temperaturbandes gibt es dramatische Gefahren für das Leben. Das Band ist äußerst schmal , gemessen am Band der kosmischen Temperatur, die von der Plancktemperatur mit 10^32 °K bis zu den 2.7 °K des Mikrowellenstrahlenhintergrunds reicht. Die Temperatur ist für uns so selbstverständlich, daß wir sie als Dimension außer acht lassen. Und trotzdem steht sie über der Zeit. Die Temperatur bestimmt den Zeitablauf der Prozesse. Das ist da Metier der Chemie. Wir legen Nahrungsmittel in das Gefrierfach, um den Zeitablauf natürlicher biologischer Prozesse zu stoppen. Wir erhitzen Flüssigkeiten, um eine chemische Reaktion zu beschleunigen. 10°c Temperaturerhöhung verdoppelt die Reaktionsgeschwindigkeit in der Chemie.

Die Gravitation ist deswegen so schwach, weil sie in die 5. Dimension hinein wirkt. In unserer näheren kosmischen Umgebung leben wir in einer Welt der Protonen, Neutronen und Elektronen. Sie bilden die Atome, aus denen wir bestehen. Gehen wir ind Zeit Millionen und Milliarden Lichtjahre zurück, dann nähern wir uns auch dem Urknall mit seinen gigantischen Temperaturen. Es kommt dort zu Quarkmischungen der 3 Elementarteilchen.Familien. Es existiert dort eine Materie jenseits der Protonen, Neutronen und Elektronen. Diese Materie besteht aus den thermodynamisch angeregten Zuständen der Teilchen der 1. Familie und sie erzeugt eine gewaltige Gravitationskraft , die wiederum eine gewaltige Raumzeitkrümmung erzeugt. Es ist ja bis jetzt unumstritten, daß sich am Anfang der Welt die elektromagnetische , die schwache , die starke und die schwere Kraft zu einer Urkraft vereinigt haben.