19.06.2020

HIGGS-FABRIK UND FUTURE COLLIDER: ZUKUNFTSSTRATEGIE FÜR DAS CERN PRÄSENTIERT

Europas Teilchenphysiker/innen stellen in einem neuen Strategiepapier die Weichen für die Zukunft. Die Planungen, an denen auch die Österreichische Akademie der Wissenschaften beteiligt ist, sehen einen Teilchenbeschleuniger für die Produktion von Higgs-Bosonen vor und Studien zum Bau eines Nachfolgers des Large Hadron Colliders, der die siebenfache Energie erreichen soll.

Bild: Copyright ÖAW/Harald Ritsch

Die mit dem Nobelpreis gewürdigte Entdeckung des Higgs-Bosons war erst der Anfang: Das lange gesuchte und 2012 an der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) erstmals nachgewiesene Elementarteilchen hat das Tor zu völlig neuen Forschungen und Erkenntnissen aufgestoßen. Nun soll zukünftig eine „Higgs-Fabrik“ das große Potenzial dieses Forschungsfelds erschließen und dem noch immer weitgehend mysteriösen Teilchen auf die Spur kommen. Das ist eine der Empfehlungen der vom CERN ins Leben gerufenen European Strategy Group. Diese vereint Teilchenphysiker/innen aus den europäischen Mitgliedsländern, darunter Österreich, um über die zukünftige Ausrichtung der europäischen Teilchenphysik und damit auch der bei Genf in der Schweiz beheimateten Wissenschaftsinstitution zu beraten.

Fabrik zur Erzeugung von Higgs-Bosonen

In ihrer am 19. Juni 2020 präsentierten Forschungsstrategie schlägt die Gruppe von Teilchenphysiker/innen, zu der auch Jochen Schieck, Direktor des Instituts für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gehört, den Bau eines neuen Elektronen-Positronen-Beschleunigers vor. Mit dieser „Higgs Fabrik“ sollen Higgs-Bosone erzeugt und genauer als bisher untersucht werden. Die Forscher/innen versprechen sich davon neue Hinweise für die Suche nach einer Physik jenseits des bisher gültigen aber lückenhaften Standardmodells.

„Für ein besseres Verständnis des Higgs-Bosons müssen wir dessen Wechselwirkung mit anderen Elementarteilchen extrem präzise vermessen können“, erläutert Jochen Schieck. „Hier könnten wir tatsächlich neue Physik entdecken“, zeigt sich der ÖAW-Teilchenphysiker zuversichtlich. Dazu beitragen soll neben der Higgs-Fabrik auch eine bereits 2013 in die Wege geleitete Erweiterung des bestehenden Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC). 

Nachfolger des LHC

„Europa besitzt eine jahrzehntelange Führungsrolle in der Entwicklung von Hochfeld-Beschleunigermagneten, wie sie auch am LHC zum Einsatz kommen“, sagt Schieck. „Diese Rolle wollen wir weiter ausbauen.“ Das würde auch der Entwicklung eines neuen Proton-Proton-Beschleunigers zugute kommen, der den mindestens bis zum Jahr 2038 laufenden LHC ablösen könnte.

Ein solcher Future Collider könnte Energien von mindestens 100 Teraelektronenvolt – dem  Siebenfachen des LHC – erreichen. Um die technische und finanzielle Umsetzbarkeit eines solchen zukünftigen Beschleunigers zu prüfen, empfehlen die Physiker/innen eine Machbarkeitsstudie, die noch in diesem Jahrzehnt abgeschlossen werden soll.

Parallel dazu sollen auch alternative Konzepte von Beschleunigern evaluiert werden. Dazu gehören etwa Plasma-Wakefield-Beschleuniger, bei denen Elektronen mit Plasmawellen beschleunigt werden, oder ein Myonen-Collider. Myonen sind enge Verwandte des Elektrons, haben aber eine 200 Mal so große Masse. Dadurch wären energiereichere Kollisionen möglich. Allerdings zerfallen Myonen schneller und müssten aufwändig aufbereitet werden. „Ob das machbar ist, ist derzeit unklar“, so Schieck. Deswegen soll die Realisierbarkeit dieser Konzepte auf den Prüfstand gestellt werden.

Mehr Open Access und Industriepartnerschaften

Neben Machbarkeitsstudien für neue Beschleuniger rät die Strategiegruppe zur Ausarbeitung einer Technologie-Roadmap im Bereich der Beschleunigerentwicklung, in der beispielsweise Synergien mit anderen Wissensgebieten, wie der Photonen- und Neutronenwissenschaft oder der Fusionsenergie, ausgelotet werden sollen. Darüber hinaus soll eine stärkere Öffnung zu Fachbereichen wie der Astrophysik oder der Kernphysik angestrebt werden.

Auch die Zusammenarbeit mit der Industrie will man weiter intensivieren. Neben Forschungen an Hochtemperatursupraleitern, die ein enormes Anwendungspotenzial, zum Beispiel für die verlustfreie Leitung von Strom mit niedrigem Aufwand versprechen, betrifft dies auch den Austausch von Wissen. So soll künftig noch stärker als bisher am CERN gewonnenes Know-how geteilt werden, beispielsweise in Form von Open Access und Open Science. Aber auch bei bestehenden Kooperationen, wie dem medizinischen Teilchenbeschleuniger MedAustron, an dem auch ÖAW-Teilchenphysiker/innen forschen, soll die Innovationskraft durch den verstärkten Austausch von Grundlagenforschung und angewandter Forschung weiter stimuliert werden, damit neue Erkenntnisse und Anwendungen möglichst vielen Menschen zugute kommen.

Hintergrund

Österreich ist seit 1959 Mitglied des CERN. Das Institut für Hochenergiephysik wurde von der ÖAW 1966 gegründet, mit dem Auftrag Forschungsarbeit am CERN zu leisten. Seitdem war das ÖAW-Institut an mehreren Experimenten beteiligt, die insgesamt zu drei Nobelpreisen geführt haben, unter anderem für die Entdeckung des berühmten Higgs-Bosons. Neben dem Institut für Hochenergiephysik forscht auch das Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik der ÖAW am CERN.

Weitere Informationen:

Interview mit Jochen Schieck

https://europeanstrategy.cern/

CERN Pressemeldung

2020 Update of the European Strategy for Particle Physics


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