CERN legt den weltgrößten Teilchenbeschleuniger für vier Jahre still

Es ist eine Zäsur, wie sie das Genfer Forschungszentrum CERN seit dem Anlauf seines Vorzeigegeräts nicht erlebt hat: Irgendwann im Juli werden die Ingenieure den leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt abschalten. Nach einer letzten, dicht gedrängten Saison von Protonenkollisionen verstummt der Large Hadron Collider (LHC) – ein 27 Kilometer langer Ring, rund 100 Meter unter dem Ackerland an der schweizerisch-französischen Grenze bei Genf – für fast vier Jahre. Es ist die folgenreichste Pause in der Geschichte der Maschine, und das Labor setzt sie auf eine der hartnäckigsten Fragen der Physik.

Die Abschaltung macht den Weg frei für den High-Luminosity-LHC (HL-LHC), einen umfassenden Ausbau, der die Datenausbeute des Beschleunigers um etwa das Zehnfache steigern soll. Nicht ein stärkerer Strahl ist das Ziel, sondern ein weitaus intensiverer: erheblich mehr Kollisionen, feiner aufgezeichnet, damit die Physikerinnen und Physiker das Higgs-Boson genauer vermessen und seltenen Phänomenen nachgehen können, die das heutige Gerät zu selten erzeugt – darunter mögliche Spuren der Dunklen Materie, jener unsichtbaren Substanz, die den Großteil der Masse im Universum ausmachen soll.

„Es ist meiner Ansicht nach unmöglich, die Bedeutung und die Faszination des High-Luminosity-LHC zu überschätzen – es ist das größte Projekt, das das CERN in den vergangenen 20 Jahren in Angriff genommen hat“, sagte CERN-Generaldirektor Mark Thomson, als das Labor im Februar mit den Tests der neuen Komponenten in voller Größe begann.

Kurze, heiße Saison – dann jahrelange Stille

Der laufende Betrieb, Run 3 genannt, wurde bis Juli 2026 verlängert, um vor dem Öffnen der Anlage noch ein letztes Datenpaket herauszuholen. Das CERN beschreibt die Saison als kurz, aber intensiv. Ist sie vorbei, beginnt der dritte lange Stillstand des Labors (Third Long Shutdown, LS3).

Der Zeitplan ist verrutscht. LS3 startet nun rund siebeneinhalb Monate später als ursprünglich vorgesehen, und die Pause selbst verlängert sich um etwa vier Monate. In der Folge ist der Anlauf des umgebauten Beschleunigers – Run 4 – jetzt für Juni 2030 geplant, rund ein Jahr später als zuvor angesetzt. Die Arbeiten am Kette der Vorbeschleuniger beginnen im September 2026, der schrittweise Wiederanlauf des Betriebs ist für 2028 vorgesehen.

Die Entscheidung, den Start des HL-LHC um etwa ein Jahr zu verschieben und die Dauer des Stillstands zu verlängern, spiegelt einen Konsens wider, der von unseren wissenschaftlichen Gremien getragen wird.

Diese Einschätzung stammt von Mike Lamont, dem CERN-Direktor für Beschleuniger und Technologie. Die Verzögerung, so berichten das CERN und die Fachzeitschrift CERN Courier, geht vor allem auf die schwierigen Phase-II-Umbauten der Detektoren ATLAS und CMS zurück – aufwendige Erneuerungen der Spurdetektoren und Kalorimeter, die den Zeitpuffer aufzehrten. Hinzu kamen die Belastungen durch die Covid-19-Pandemie, die Folgen des russischen Angriffs auf die Ukraine sowie Tiefbauarbeiten – das Bohren der vertikalen Schächte –, die mehr Zeit beanspruchten als geplant.

Was der Umbau tatsächlich verändert

Nur etwa 1,2 der 27 Kilometer des Rings werden erneuert, doch die neuen Bauteile gehören zum Anspruchsvollsten, was das Labor je gewagt hat. Rund um die beiden großen Vielzweck-Experimente ATLAS und CMS installieren die Teams:

• Neue Fokussiermagnete aus Niob-Zinn (Nb3Sn), einem spröden Supraleiter, der ein Spitzenfeld rund 50 Prozent stärker erlaubt als die heutigen Niob-Titan-Magnete des LHC – so lassen sich die Strahlen an den Kollisionspunkten enger bündeln.
• „Crab“-Kavitäten – etwa 16 kompakte supraleitende Hochfrequenz-Resonatoren, die die Protonenpakete unmittelbar vor dem Aufeinandertreffen kippen, sodass sie sich vollständiger überlagern und mehr Kollisionen erzeugen.
• Ein verstärktes Schutzsystem, innovative supraleitende Stromleitungen sowie neue Kavernen und Servicegalerien an den Experimentstandorten.

Der Lohn heißt Luminosität – die Kollisionsrate. Das CERN erwartet, dass der Umbau die integrierte Luminosität um etwa das Zehnfache über den ursprünglichen Auslegungswert hebt, mit 140 bis 200 Kollisionen pro Strahlkreuzung statt heute rund 60. Im Februar nahm das Labor einen Prototyp in voller Länge in Betrieb, die sogenannte „IT String“, um zu prüfen, ob Magnete, Kavitäten und Kühlsysteme zusammenspielen, bevor sie in den Tunnel kommen.

„Alle Systeme sind bereits einzeln getestet worden“, sagte Oliver Brüning, eine führende Figur im HL-LHC-Projekt. „Das Ziel der IT String ist es, ihre Integration und ihr Zusammenwirken unter Betriebsbedingungen zu bestätigen.“

Die Physik: mehr Higgs – und eine Chance auf Dunkle Materie

Mehr Kollisionen bedeuten mehr der seltensten Ereignisse. Das CERN schätzt, dass die umgebaute Maschine mindestens 15 Millionen Higgs-Bosonen pro Jahr erzeugen wird – gegenüber rund drei Millionen aus dem LHC im Jahr 2017 – und über ihre gesamte Laufzeit in der Größenordnung von 380 Millionen, verglichen mit etwa 55 Millionen seit dem Start des ursprünglichen Beschleunigers. Diese statistische Schlagkraft erlaubt es, weitaus präziser zu messen, wie das Higgs mit anderen Teilchen wechselwirkt – ein Test, ob das Standardmodell trägt oder Risse zeigt.

Sie schärft auch die Suche nach dem Unbekannten. Das CERN versteht den LHC als Werkzeug, um einige der tiefsten offenen Fragen des Fachs anzugehen: ob die Theorie der Supersymmetrie zutrifft, ob es zusätzliche Raumdimensionen gibt und worin die Dunkle Materie besteht. Keine dieser Möglichkeiten hat sich bislang gezeigt; die Wette lautet, dass ein weitaus größerer Datensatz die Chancen verbessert, ein schwaches, seltenes Signal aufzuspüren – oder Möglichkeiten auszuschließen.

Eine Rechnung über Kontinente hinweg

Das Materialbudget des Beschleuniger-Umbaus beläuft sich auf rund 950 Millionen Schweizer Franken über die Jahre 2015 bis 2026; das weitere Programm, samt der Detektor-Erneuerungen, kostet erheblich mehr. Etwa ein Zehntel des Budgets fließt als Sachleistung von Partnerlaboren ein: Die HiLumi-Kollaboration umfasst nahezu 50 Institutionen in mehr als 20 Ländern, die meisten in Europa, doch sie reicht bis in die Vereinigten Staaten, nach Japan, Kanada und China.

Diese internationale Arbeitsteilung ist in der Hardware selbst ablesbar. Das US-Labor Fermilab bei Chicago baute und lieferte fünf der Niob-Zinn-Fokussiermagnete, fünf weitere Baugruppen sollen bis Mitte 2027 folgen. Für eine Maschine, deren Bau Jahrzehnte und einen ganzen Kontinent gebraucht hat, ist die kommende Stille unter Tage kein Ende, sondern ein langes, teures Luftholen vor dem nächsten Versuch, das Kleingedruckte des Universums zu entziffern.