Aus welchen Teilchen besteht unser Universum? Und welche Kräfte zwischen ihnen machen das Universum zu dem, was es ist? Mit diesen Fragen beschäftigt sich die Teilchenphysik. Deshalb untersuchen Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker die sogenannten Elementarteilchen, die kleinsten bekannten Bausteine der Materie und suchen auch nach neuen, noch unentdeckten Teilchen. Elementarteilchen sind noch kleiner als Atomkerne und sehr schwierig aufzuspüren. Aber es gelingt – dank Teilchenbeschleunigern. Damit werden zum Beispiel Protonen (Bausteine von Atomen) auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und aufeinander geschossen, so dass sie kollidieren. Die riesige Energie, die bei diesen Kollisionen freigesetzt wird, kann Elementarteilchen produzieren, die dann in Messapparaturen durch deren Wechselwirkungen sicht- und messbar werden. Damit lassen sich die ersten Momente nach dem Urknall nachstellen, als das ganze Universum entstand.

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf ist der weltgrösste Teilchenbeschleuniger. Dort können Protonen mit 100 Mal grösserer Energie erzeugt werden, als in allen anderen Beschleunigern der Welt. Die Kollisionen werden mit riesigen Detektoren beobachtet, wie etwa mit dem ATLAS-Detektor, der von der Universität Bern mitentwickelt wurde. Die entstehenden Daten werden im weltumspannenden Rechennetzwerk LHC Computing Grid, an dem die Universität Bern ebenfalls beteiligt ist, verarbeitet und können schliesslich von Forschenden auf der ganzen Welt analysiert werden.

Fünf Milliarden Kollisionen pro Sekunde

Mit genau dieser Prozedur gelang 2012 am LHC ein Meilenstein der Teilchenphysik: die Entdeckung des Higgs-Bosons. Das Higgs-Boson ist ein Elementarteilchen und ist das letzte Puzzlestück, welches dem Standardmodells der Teilchenphysik hinzugefügt wurde. Dieses beschreibt alle bekannten Elementarteilchen und drei der vier Wechselwirkungen zwischen ihnen. Damit sind aber noch lange nicht alle offenen Fragen beantwortet. Nach wie vor ist es nicht gelungen, die Gravitation mit dem Standardmodell der Teilchenphysik in Einklang zu bringen. Und auch die Dunkle Materie und die Dunkle Energie, welche nach jetzigem Wissensstand 95% des Universums ausmachen, sind noch nicht durch das Standardmodell beschrieben.

Der LHC erzeugt momentan etwa eine Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde. Mit dem Ausbau des Teilchenbeschleunigers kann diese Zahl markant gesteigert werden. Die Verbesserungen im Rahmen des sogenannten High Luminosity Programmes führen dazu, dass ab 2025 mindestens fünf Milliarden Kollisionen pro Sekunde beobachtet werden können. Mit dieser Vervielfachung der Datenmengen werden die Forschenden die Elementarteilchen in Zukunft noch besser untersuchen und hoffentlich einige offene Fragen der Teilchenphysik klären können. Der Teilchenbeschleuniger wird im Zuge des Ausbaus in High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) umbenannt.

Die Universität Bern am CERN

Die Universität Bern ist mit dem Laboratorium für Hochenergiephysik (LHEP) und dem Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) an mehreren Grossprojekten am CERN beteiligt. So war das LHEP Gründungsmitglied des ATLAS-Experiments und hatte grossen Anteil an der Entwicklung des ursprünglichen Datenerfassungssystems. Weiter hat das Berner ATLAS-Team massgeblich bei der Entwicklung einer zusätzlichen Sensorschicht mitgewirkt, die bei der letzten langen Abschaltung des LHC im Jahr 2014 eingebaut wurde (der sogenannte ATLAS Insertable B-Layer).

Das Team um die Professoren Michele Weber und Antonio Ereditato besteht aus 15 Forschenden und ist auch mit der Analyse der Daten von ATLAS beschäftigt. Es sucht unter anderem nach neuen Teilchen, die es in einer Erweiterungs-Theorie zum Standardmodell, die sogenannte Supersymmetrie, geben sollte. Gemäss der Supersymmetrie existiert zu jedem bekannten Teilchen ein Zwilling, und darunter auch ein Teilchen welches die Dunkle Materie erklären könnte.

Zukünftige Herausforderungen für die Detektoren

Die grössere Anzahl Protonenkollisionen am HL-LHC stellt die Detektoren vor einige Herausforderungen. So beschädigt die aus den Kollisionen entstehende Strahlung die Komponenten der Detektoren. Dies ist besonders im Innersten der Detektoren zu spüren, wo die Kollisionen besonders nahe sind. Um die entstehenden Schäden am LHC nachzustellen, nutzt das Team den Zyklotron (Kreis-Teilchenbeschleuniger) am Berner Inselspital.

Auch die Systeme, welche die Daten aus den Sensoren auslesen, sind noch nicht gerüstet für den Betrieb am HL-LHC. «Die zukünftig benötigte Datenübertragungsrate ist bis zu 30-mal grösser, als die jetzigen Systeme leisten können», sagt Michele Weber. Aus diesen Gründen wird der innerste Teil des ATLAS-Detektors ersetzt. Das Team um Michele Weber hat einen grossen Anteil an der Entwicklung dieses sogenannten Inner Tracker (ITk). Das Team hat in den letzten Jahren zudem zur Entwicklung einer neuen, strahlungsresistenten Sensor-Technologie (genannt HV-CMOS) beigetragen, die den hohen Anforderungen des HL-LHC gerecht werden kann.

Das LHEP hat ausserdem die Entwicklung der sogenannten Optoboards für den ITk übernommen. Diese wandeln die riesigen Mengen an elektrisch übertragenen Daten, die von den Sensoren kommen, in Lichtsignale um. Dadurch können die Daten zuverlässig in Glasfasern aus dem Detektor ausgelesen werden. Das ermöglicht den Physikerinnen und Physikern, die Suche nach der Natur der Elementarteilchen weiter voranzutreiben.

«Bis 2025 der HL-LHC und seine aufgerüsteten Detektoren den Betrieb aufnehmen können, ist noch viel Arbeit zu leisten, doch der Aufwand lohnt sich», sagt Antonio Ereditato. Das High Luminosity Programm stellt durch die Verbesserungen am Beschleuniger und an den Detektoren sicher, dass bis 2035 das volle wissenschaftliche Potenzial des LHC ausgeschöpft werden kann.