Gab es den Urknall wirklich?

Vor 70 Jahren wurde CERN als nichtmilitärisches Zentrum für Kernforschung gegründet. Seither versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dort die Rätsel unseres Universums zu entschlüsseln. Doch nach wie vor sind grundlegende Fragen nicht geklärt. Würde ein Durchbruch gelingen, wäre damit die Theorie von der Entstehung unseres Universums endlich bewiesen  – oder aber widerlegt.

Die gängigste Erklärung für die Entstehung des Weltalls ist die Urknall-Theorie. Nach einer der dieser Theorie zu Grunde liegenden Formeln, der Dirac-Gleichung, müsste es neben unserer materiellen Welt auch eine Antimaterie-Welt geben. Es ist u. a. in CERN bereits gelungen, Antimaterie herzustellen. Diese wird derzeit weiter untersucht, um neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Warum betrifft uns das?

Die Menschen trieb immer schon die Fragen nach dem Warum und Woher an. Neben dem Versuch, diese großen Fragen der Menschheit zu lösen, entstehen am CERN Innovationen, die aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sind, darunter das WWW, der Touchscreen oder auch medizinische Anwendungen, u. a. in der Diagnostik und der Krebstherapie.

Und jetzt?

Ob und wann es zu einem Durchbruch kommt, ist ungewiss. Da CERN der einzige Ort weltweit ist, an dem Antimaterie gespeichert wird, werden hier nun u. a. Methoden entwickeln, um diese zu transportieren. In der Theorie wäre Antimaterie für viele Anwendungen denkbar, etwa zum Antrieb von Fahrzeugen, um von einem Planeten zum nächsten zu gelangen, oder zur Energieerzeugung.

Gebäude 393 liegt mitten am Gelände des Forschungsinstituts CERN. Mit seiner grauen Blechfassade gleicht es einer schmucklosen Lagerhalle. Einzig die Aufschrift "Antimatter Factory" verrät, dass im Inneren weltweit Einzigartiges passiert: Hier wird Antimaterie erzeugt und sogar gespeichert. Ein riesiger Fortschritt in der Wissenschaft, um den bisher ungelösten Rätseln rund um unser Universum näherzukommen.

Was passierte beim Urknall genau? Und warum existiert zwar unsere materielle Welt, doch bisher konnte niemand das Pendant aus Antimaterie finden, das es nach den gängigen Modellen der Teilchenphysik geben müsste? Es sind Fragen wie diese, auf die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am riesigen CERN-Campus in der Nähe von Genf Antworten finden wollen.

Um neue Erkenntnisse zu gewinnen, stehen am CERN gleich acht Teilchenbeschleuniger zur Verfügung. In deren Inneren kollidieren Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Detektoren zeichnen die beim Zusammenprall der Teilchen entstehenden Signale auf. So gelingt es, einen Zustand wie kurz nach dem Urknall zu simulieren. "Die Hochenergie-Teilchenbeschleuniger sind eine Art Zeitmaschine, die uns zu Zeitpunkten ganz kurz nach dem Urknall, an den wir aktuell ja glauben, bringen", erklärt Teilchenphysiker Carsten Welsch.

Die Steuerung der Beschleuniger erfolgt zentral vom CC, dem Control Center, aus. Dutzende Bildschirme zeigen an, ob alles reibungslos läuft. Ist das der Fall, ist es im rund um die Uhr besetzten Control Center recht ruhig. Tritt jedoch ein Fehler auf, versammeln sich innerhalb kürzester Zeit Dutzende Forscherinnen und Forscher rund um die Bildschirme, um das Problem schnellstmöglich zu finden und zu beheben. Zu ihnen gehört Sara Morales Vigo. Die PhD-Studentin aus Spanien ist dafür zuständig, verloren gegangene Protonen mit Hilfe von 4.000 Detektoren, die entlang den Beschleunigern angebracht sind, wieder aufzuspüren. "Finden wir sie nicht, könnten sie den Beschleuniger beschädigen", weiß Morales Vigo.

Der Zutritt zu den Beschleunigern selbst ist per Iris-Scan gesichert. Sind sie in Betrieb, darf sie aus Sicherheitsgründen aber ohnehin niemand betreten. Im Winter sind die Teilchenbeschleuniger dann zwei bis drei Monate zur Wartung abgeschaltet.

Auch in Gebäude 393 befindet sich neben hochkomplexen Apparaturen und sehr, sehr vielen Kabeln einer der Beschleuniger, der Antiproton Decelerator (AD). Seine Funktion ist allerdings eine entgegengesetzte: Im AD werden Antimaterieteilchen nicht beschleunigt, sondern abgebremst, um sie anschließend zu speichern und genauer zu untersuchen.

Die Speicherung erfolgt in sogenannten Fallen. Diese sind mit Vakuum gefüllt und von Magneten umgeben, die verhindern, dass Antiteilchen mit den Wänden der Falle zusammenstoßen. Denn passiert das, würden sich Antimaterie und Materie gegenseitig auslöschen.

In der Antimatter Factory laufen gerade sechs große Experimente. Die Mitwirkenden am "Puma"- Experiment entwickeln eine Möglichkeit, gespeicherte Antimaterie transportieren zu können.

Teilchenphysiker Carsten Welsch wiederum arbeitet mit seinem Team am "AEgIS"-Experiment. Anfang des Jahres ist dabei ein Durchbruch gelungen. Welsch: "Wir haben eine neue Kühlmethode entwickelt. Damit kann die Lebenszeit von Positronium deutlich erhöht werden. Das eröffnet uns jetzt ein komplett neues Physikprogramm." So seien plötzlich Experimente durchführbar, die bisher grundsätzlich nicht möglich waren. In weiterer Folge will Welsch nun den Einfluss der Gravitation auf Antimaterie erforschen.

Ob und wann die Lösungen auf die großen Fragen der Physik in Gebäude 393 gefunden werden, ist offen. Jedes Ergebnis trägt dazu bei, das Bild weiter zu vervollständigen. Aber, gibt Teilchenphysiker Welsch zu bedenken: "Die Urknall-Theorie ist sie ein Modell, das auf Beobachtungen und Interpretationen basiert, nicht eine endgültig gesicherte Tatsache. Die grundsätzliche Fragestellung, wie alles begann, bleibt also weiterhin spannend."

Physiker Carsten Welsch führt am CERN Experimente mit Antimaterie durch, einer Substanz, die Stoff zahlreicher Romane und Science-Fiction-Filme ist. Kann mit ihr endlich der Urknall bewiesen werden? Ist sie wirklich so gefährlich? Und: Warum ist die teuerste Substanz der Welt nicht die perfekte Geldanlage?

Was genau wollen Forscherinnen und Forscher am CERN herausfinden?

Carsten Welsch: Das große Ziel des CERN ist es, uns tiefere Einblicke in die Natur zu geben: Warum sind wir hier? Wie können wir die Welt um uns herum verstehen? Am CERN werden die grundlegenden Bausteine der Materie studiert und darüber hinaus die Kräfte, die zwischen diesen Teilchen wirken.

Es wird also versucht, die Entstehung des Universums zu verstehen?

Ja. In gewissem Sinn kann man sagen, dass Hochenergie-Teilchenbeschleuniger eine Art Zeitmaschine sind, die uns zu Zeitpunkten ganz kurz nach dem Urknall, dem sogenannten Big Bang, an den wir aktuell ja glauben, bringen. Wir können mit den Teilchenbeschleunigern Zustände im Labor generieren, die seit dieser Zeit nicht mehr frei im Universum gesehen worden sind.

Der Urknall ist die gängige Theorie zur Erklärung der Entstehung des Universums. Ist diese Theorie mittlerweile bewiesen oder gibt es noch Lücken?

Momentan haben wir mehr Lücken als Antworten. Wenn wir auf das Universum rund um uns blicken, wissen wir, dass wir 95 Prozent davon nicht verstehen. Wenn man sich fragt: Wie bewegen sich Galaxien relativ zueinander? Wie genau dehnt sich das Universum aus? Wir können fünf Prozent sehr gut beschreiben, aber 95 Prozent eben nicht. Es gibt Konzepte wie dunkle Energie oder dunkle Materie. Das sind Konzepte, denen im Detail nachgegangen wird. Experimentell fehlt hier aber noch der Nachweis.

Das heißt, es ist nicht gesichert, dass es jemals einen Urknall gab?

Die Theorie des Urknalls ist die dominierende wissenschaftliche Erklärung für den Ursprung des Universums, aber wie bei allen wissenschaftlichen Theorien ist sie ein Modell, das auf Beobachtungen und Interpretationen basiert, nicht eine endgültig gesicherte Tatsache. Die grundsätzliche Fragestellung, wie alles begann, bleibt also weiterhin spannend.

Welche Alternativen zur Urknall-Theorie gibt es?

Ich bin auf diesem Gebiet zwar kein Experte, es gibt aber eine ganze Reihe von alternativen Ansätzen. Etwa ein Universum, das sich stets selbst erneuert, das sogenannte zyklische Universum. Das heißt, man hat so eine Art Urknall und eine Ausdehnungsphase des Universums, dann aber auch eine Kontraktionsphase, in der alles wieder in sich zusammenfällt. Anschließend startet der Prozess neu. Doch auch hier gibt es viele offene Fragestellungen, auf die wir wahrscheinlich nie eine Antwort finden werden: Wie oft sind wir diesen Prozess schon durchlaufen? Finden wir das heraus, würde sich automatisch die nächste Frage stellen: Wie hat alles angefangen? Gab es überhaupt einen Anfang? Und: Ist das Konzept der Zeit das richtige? Oder war alles ganz anders?

Sie arbeiten am CERN am sogenannten AEgIS-Experiment. Was ist das konkrete Ziel Ihrer Forschungen?

Die Antimatter Factory ist eine Ausnahmeerscheinung am CERN. Sie ist eine relative kleine Anlage, der Beschleuniger macht Teilchen nicht schneller, sondern langsamer. Wir nehmen zunächst hochenergetische Protonen und schie­ßen sie auf einen Metallblock. Dadurch erzeugen wir mit einer geringen Wahrscheinlichkeit Antimaterie, speziell Antiprotonen. Diese fangen wir ein, bremsen sie ab und studieren sie im Detail. Wir versuchen, so zu verstehen, wie sich Antimaterie verhält.

Antimaterie kommt in vielen Filmen und Büchern vor. Dan Brown schreibt in seinem Roman "Illuminati" darüber, dass Antimaterie vom CERN gestohlen und missbräuchlich als Waffe verwendet wird. Ist so etwas tatsächlich denkbar?

 Dan Brown verwendet in seinem Roman einen Effekt, den Antimaterie hat: Wenn ein Antimaterie - auf ein Materieteilchen trifft, verschwinden beide. Sie gehen über in pures Licht, in reine Energie. Wenn man daran anknüpft und an ­ nimmt, man hätte ein Kilogramm Materie und ebenso viel Antimaterie und bringt die beiden zusammen, dann habe ich tatsächlich eine gewaltige Bombe. Das gäbe eine riesige Detonation.

Also wäre die Herstellung einer Antimaterie-Bombe tatsächlich möglich?

In der Realität ist es so, dass die Produktionsraten von Anti-Protonen extrem niedrig sind. Pro Million Protonen, die wir auf unser Target schießen, kriegen wir nur ein einziges Anti-Proton heraus. Ein Schuss ist nur alle zwei Minuten möglich und wir können maximal 10¹³ Protonen auf den Metallblock schießen, ansonsten würde der Metallbock schmelzen. Für ein Gramm Antimaterie bräuchten wir aber rund 10²³ Teilchen. Das heißt, die Menge, die wir aktuell herstellen können, ist absolut winzig und nicht geeignet, eine Bombe zu bauen. Die Energie aller Anti-Protonen, die wir jemals im Labor erzeugt haben, reicht gerade einmal, um eine Tasse Tee heiß zu machen.

Antimaterie gilt als teuerste Substanz der Welt. Gab es schon Angebote von Menschen, die sich alles leisten können, die gerne Antimaterie kaufen würden?

Wir haben in der Tat vor 15 Jahren Studien am CERN gemacht, ob man nicht Antiprotonen für medizinische Anwendungen im Rahmen der Krebsbekämpfung verwenden könnte. Das Ergebnis war, dass die biologische Effizienz von Anti-Protonen tatsächlich drei Mal so hoch wie jene von Protonen ist. Die Kosten einer solchen Anlage sind allerdings enorm. Auf der Suche nach einer möglichen Finanzierung hatten wir dann Gespräche mit Venture-Capital-Gebern, die eine Klinik in der Nähe von Las Vegas für extrem Gutbetuchte eröffnen wollten. Das hat sich aber letztlich zerschlagen, und ich denke, das war auch besser so.

Sonstige Angebote von Menschen, die gerne Antimaterie daheim in der Vitrine stehen haben wollte, gab es nicht?

Das Problem der Antimaterie ist: Sobald sie irgendetwas berührt, annihiliert sie, d. h. sie verschwindet in reiner Energie. Das ist vermutlich nicht die beste Geldanlage. Wenn ich Antimaterie zu Hause haben wollte, würde ich eher auf Positronen setzen. Ich würde mir eine radioaktive Substanz kaufen, die von sich aus zerfällt und Positronen erzeugt. Dann könnte ich sagen: Ich habe eine Antimateriequelle zu Hause.

Da die Reaktion von Materie und Antimaterie so viel Energie freisetzt: Wäre es nicht eine Möglichkeit für die zukünftige Energiegewinnung?

Grundsätzlich kann man an alle möglichen Arten von interessanten Anwendungen denken. Zum Beispiel auch für Weltraumantriebe, um von einem Stern zum anderen zu kommen, dafür wäre Antimaterie perfekt. Das Problem ist allerdings, dass wir einen komplett neuen Produktionsmechanismus finden müssten, bei dem wir um viele Größenordnungen mehr Antimaterie erzeugen können, als es momentan machbar ist. Und derzeit gibt es keine Anzeichen, dass es solch einen Mechanismus gibt. Um Ihre Frage zu beantworten: Hätte ich eine große Falle zum Speichern von Antimaterie und viel bessere Produktionsmechanismen, könnte ich mir daraus einen Antimaterie-Reaktor bauen. Von der Effizienz der Energieumwandlung her wäre das perfekt.

Immer wieder werden Stimmen laut, die Wissenschaft am CERN sei zu teuer. Was antworten Sie diesen Kritikern?

Zuerst würde ich sie einladen, zum CERN kommen und sich persönlich anzuschauen, wie dieses einmalige Labor funktioniert. Es ist ein Innovationsmotor, der die besten Köpfe der Welt zusammen bringt, um gemeinsam an wirklich großen Problemen zu arbeiten. Es gibt hier keine Animositäten aufgrund von Religion, Nationalitäten und dergleichen. CERN ist daher ein gutes Beispiel, wie man generell international zusammenarbeiten sollte, nicht nur in der Teilchenphysik. Wenn man über den Campus geht, erkennt man außerdem, dass das Geld der Mitgliedsstaaten nicht in teure Gebäude oder andere Prestigeaktivitäten investiert wird, die keinen wissenschaftlichen Wert haben. Vielmehr sieht man, dass alle Investitionen direkt in Experimente und die Ausbildung des Nachwuchses fließen. Die Mehrzahl der Leute am CERN sind sehr jung. Sie stehen am Anfang ihrer Karriere, und CERN ist für viele ein Booster für die Motivation, Kreativität und auch eigene Karriere. Die Wissenschaftler und Techniker kehren dann mit vielen neuen Kontakten und Ideen in ihre Heimatländer zurück, um dort weiterzuforschen.

Welche Frage wäre jene, von der Sie sich persönlich wünschen, dass sie die Wissenschaft beantworten könnte?

Ich würde mir wünschen, dass die Wissenschaft die Frage beantwortet, wie Supraleiter bei Raumtemperatur funktionieren können. Wenn wir diese dann zu einem Alltagsmaterial machen und Strom ohne Widerstand in Privathaushalte transportieren könnten, wäre das eine absolute Revolution im Energiebereich.

Dieser Beitrag ist ursprünglich in der News-Printausgabe Nr. 35/2024 erschienen.