Teilchenphysiker träumen von einem Myon Collider

Jul 13, 2023

Nachdem sie jahrelang im Dunkeln schlummerten, gewinnen Vorschläge für einen Myonenbeschleuniger unter Teilchenphysikern wieder an Bedeutung

Teilchenphysiker sind unwahrscheinliche Evangelisten, aber in Vorträgen, auf Konferenzen und mit T-Shirts, Aufklebern und Memes verbreiten viele von ihnen die gute Nachricht von einem Myonenbeschleuniger – einer Maschine der nächsten Generation, die Myonen, die massiven Cousins ​​von, zusammenschlagen würde Elektronen. In einem Manifest aus dem Jahr 2021, „The Muon Smasher's Guide“, legten die Teilchenbefürworter ihre Argumente dar. „Wir bauen Collider nicht, um zu bestätigen, was wir bereits wissen, sondern um zu erforschen, was wir nicht wissen“, schrieben sie. „Die Myonen rufen, und wir müssen gehen.“

Für Befürworter liegt der Reiz eines Myonenbeschleunigers darin, dass er die Stärken zweier bestehender Beschleunigertypen kombinieren kann. Diese riesigen Maschinen kollidieren im Allgemeinen entweder mit Protonen oder mit Elektronen in unterirdischen Ringen. Durch die Aufzeichnung der Folgen dieser Zusammenstöße können Physiker Informationen über die Lage des subatomaren Landes sammeln. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile. Schwere Protonen – bei denen es sich in Wirklichkeit um ein wimmelndes Bündel kleinerer, fundamentalerer Teilchen handelt – erzeugen chaotische, mit Trümmern verstopfte, hochenergetische Kollisionen. Leichte Elektronen kollidieren sauber, aber bei niedrigeren Energien.

Die heutige Spitzenanlage, der Large Hadron Collider (LHC), zerschmettert Protonen, um die Grenzen des Standardmodells zu erforschen, der Theorie, die als Karte des grundlegendsten Territoriums im Universum dient. Als Karte hat sich das Standardmodell voll und ganz bewährt. Es stellt die bekannte Landschaft der Elementarteilchen und der Kräfte, die sie verbinden, präzise dar – so gut, dass jede Abweichung von der Theorie Schlagzeilen macht. Aber wie alle Karten hat auch das Standardmodell Grenzen: Es berücksichtigt die Schwerkraft nicht und es fehlen derzeit Antworten auf Rätsel wie die Identität der Dunklen Materie.

Physikern ist es noch nie gelungen, Myonen kollidieren zu lassen, vor allem weil die Teilchen nur knapp 2,2 Mikrosekunden leben, bevor sie zerfallen. Könnte man Myonen bekämpfen, würden sie Kollisionen erzeugen, die sowohl sauber als auch hochenergetisch wären – ideal für die Erkundung über die Grenzen des Standardmodells hinaus. In Myonen „hat uns die Natur ein Geschenk gemacht; wir sollten es ausnutzen“, argumentiert Patrick Meade, Theoretiker an der Stony Brook University.

Das Schicksal eines künftigen Colliders liegt in der Hand des alliterativ benannten „Particle Physics Project Prioritization Panel“ (P5), einem hochkarätigen Ausschuss, der alle zehn Jahre zusammenkommt, um Forschungspläne festzulegen und die Finanzierung wichtiger Projekte zu empfehlen. Der P5-Bericht soll diesen Herbst erscheinen, und viele Physiker hoffen, dass er einen starken Vorstoß für einen Myonenbeschleuniger enthält.

Es gibt keine Garantie dafür, dass ein zukünftiger Collider neue Teilchen finden würde, aber Befürworter sind begeistert vom Entdeckungspotenzial, das Myonen bergen. Eine Zukunft mit einem echten lebenden Myonenbeschleuniger bleibt in weiter Ferne. Selbst auf der schnellsten und optimistischsten Zeitlinie würde sich ein Myonenbeschleuniger erst nach mindestens zwei Jahrzehnten einschalten. Doch Physiker träumen bereits davon, wo sie mit Myonen forschen können. „Wir haben die Möglichkeit, etwas noch nie dagewesenes zu tun“, sagt Cari Cesarotti, Theoretikerin am Massachusetts Institute of Technology. „Die Hindernisse, die es vor zehn Jahren gab, lösen sich auf. Jetzt ist die Zeit! Für mich ist es einfach so: Warum solltest du es nicht tun wollen?“

Das Problem mit Myonen ist, dass sie sterben. Während ihrer kurzen Lebensdauer müssen sie gekühlt, fokussiert und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Der praktikabelste Ansatz beginnt damit, die Myonen durch ein Medium wie flüssigen Wasserstoff zu leiten, wodurch ihnen Energie entzogen wird. Dann können starke Magnete die Myonen fokussieren und sie in eine Schleife beschleunigen, wo sie kollidieren, bevor sie zerfallen. Variationen dieses Plans gibt es seit Jahrzehnten – ein Entwurf wurde wegen seiner Ähnlichkeit mit der spiralförmigen Halle des Museums „Guggenheim“ genannt.

Neugierig darauf, wie machbar das alles sei, gründete das Energieministerium 2011 das Muon Accelerator Program (MAP), eine kleine Forschungs- und Entwicklungsinitiative, die die Machbarkeit kollidierender Myonen untersucht. Ein Team von Beschleunigerphysikern machte sich an die Arbeit, Computermodelle von Kollidern zu erstellen, um herauszufinden, welche Designs am besten funktionieren könnten. Doch gerade als die Bemühungen in Gang kamen, bedeuteten zwei Entdeckungen scheinbar den Untergang eines jeden Myonenbeschleunigers.

Wenn Myonen zerfallen, erzeugen sie Neutrinos – substanzlose Teilchen, die kaum mit Materie interagieren. Bei diesem Prozess entstehen so viele Neutrinos, dass „die Menschen schon immer von der Möglichkeit fasziniert waren, Myonen als Neutrinoquelle zu nutzen“, sagt André de Gouvêa, Neutrinotheoretiker an der Northwestern University. Jahrelang schien es, als sei der Bau eines Myonenbeschleunigers die einzige Möglichkeit, die Frage zu beantworten, ob sich Neutrinos anders verhalten als Antineutrinos. Aber im Jahr 2012 zeigten Ergebnisse des Daya Bay Reactor Neutrino Experiments, eines in China ansässigen Experiments, bei dem Neutrinos aus Kernreaktoren nachgewiesen wurden, dass die Frage nicht so schwer zu beantworten sein würde. Anstelle eines Myonenbeschleunigers entschieden sich Neutrinophysiker daher für das Deep Underground Neutrino Experiment, das derzeit in South Dakota gebaut wird.

Der entscheidende Schlag für Myonenbeschleuniger war ironischerweise die Entdeckung des Higgs-Bosons, des Teilchens, das anderen Elementarteilchen Masse verleiht. Scheinbar im Zentrum unzähliger Geheimnisse des Standardmodells zu stehen, zwingt das Higgs-Molekül viele Physiker dazu, es so detailliert wie möglich zu untersuchen, indem sie das Teilchen in großen Mengen produzieren – und sie haben Pläne gemacht, dies durch den Bau sogenannter Higgs-Fabriken zu erreichen. Aber für einen Myonenbeschleuniger ist der Versuch, Myonen allein durch die Produktion von Higgs-Bosonen zusammenzuschlagen, ein Worst-Case-Szenario – wie der Einsatz eines Hubschraubers, um Lebensmittel zu besorgen. „Wenn man sich die unterschiedlichen Energieskalen potenzieller Myonenkollider ansieht, ist die Higgs-Fabrik eine der am schwierigsten tatsächlich zu bauenden“, gibt Mark Palmer, Beschleunigerphysiker und ehemaliger Direktor von MAP, zu.

Anstatt also den Versuch zu riskieren, einen Myon Collider zu bauen, empfahl der P5-Bericht von 2014 ein Upgrade, das den Large Hadron Collider effektiv in eine Higgs-Fabrik verwandeln würde. Das als unwesentlich erachtete MAP wurde gestrichen und das Programm innerhalb weniger Jahre aufgelöst. „Wir hatten ein großartiges Produkt, aber keinen guten Kunden“, sagt Diktys Stratakis, Beschleunigerphysiker am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), der Teil von MAP war.

Die Geschichte hätte dort enden können, wenn nicht eine Gruppe italienischer Physiker einen neuen Ansatz zur Erzeugung von Myonen mithilfe von Positronen (Antiteilchen von Elektronen) ohne komplizierten Abkühlungsprozess erforscht hätte. Aber die Italiener fingen bei Null an. „Wir hatten keine Software. Ich war verzweifelt“, sagt Donatella Lucchesi, Teilchenphysikerin am Nationalen Institut für Physik in Italien. Lucchesi flog nach Fermilab, etwas außerhalb von Chicago, und flehte die MAP-Physiker an, den alten Code aufzuspüren, der auf einem staubigen, vergessenen Computer versteckt war. (Die andere Hälfte wurde später entdeckt und Lucchesi musste einen Freund rekrutieren, um sie auf einem USB-Stick nach Italien zurückzubringen.)

Obwohl sich der neuartige Positronenansatz als nicht realisierbar herausstellte, hatten US-Forscher auf der anderen Seite des Atlantiks von den italienischen Bemühungen gehört und begannen, sich selbst mit der Sache zu befassen.

Vor einem Jahrzehnt hatten viele in den USA ansässige Physiker die Aussicht auf einen Myonenbeschleuniger völlig außer Acht gelassen. „Ich bin gerade zu dem Schluss gekommen, dass das eine Fantasie war“, sagt Nathaniel Craig, ein Theoretiker an der University of California in Santa Barbara. Die technischen Herausforderungen schienen zu groß und es war nicht klar, warum die Fähigkeiten eines Myonenbeschleunigers benötigt werden könnten.

Doch als US-Physiker im Jahr 2020 damit begannen, Ideen für die Zukunft ihres Fachgebiets zu sammeln, hatte sich die Physiklandschaft verändert. Populäre supersymmetrische (SUSY) Theorien, die Ergänzungen zum Standardmodell waren, hatten eine Schar neuer Teilchengegenstücke vorgeschlagen, die darauf warteten, erforscht zu werden – das Photon würde einen „Photino“-Doppelgänger haben und so weiter. Im Prinzip könnten diese Gegenstücke erklären, warum die Higgs-Masse niedrig ist, und gleichzeitig hervorragende Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie darstellen. Das Problem ist, dass der LHC seit der Entdeckung des Higgs-Bosons bei Suchvorgängen, die bis zu etwa 1.000 Gigaelektronenvolt (GeV) durchgeführt haben, keine neuen SUSY-Teilchen gefunden hat.

Dieser Mangel an neuer Physik – manchmal auch als „Krise“ bezeichnet – hat viele Physiker dazu gezwungen, nach anderen Optionen zu suchen und sich insbesondere nach Kollisionen bei weitaus höheren Energien zu sehnen. „Was Sie wirklich wollen, ist eine Art Labor für elektroschwache Physik“, sagt Craig. Bei extrem hohen Energien vereinen sich die elektromagnetische Kraft, die das Verhalten geladener Teilchen wie Elektronen steuert, und die schwache Kraft, die Prozesse wie Spaltungszerfälle steuert, zu einer „elektroschwachen“ Kraft.

Die Beobachtung der Existenz des Higgs-Bosons war ein Triumph. Aber wie Craig und andere argumentieren, war diese Entdeckung nur der „Vorbote“ der elektroschwachen Physik. Bei höheren Energien und mit Präzisionsmessungen hoffen die Physiker, mehr und tiefergehende Fragen zum Higgs zu stellen – wie es an andere Teilchen koppelt, warum seine Masse so klein ist und welche Rolle es im frühen Universum spielte. Es ist eine esoterische Suche mit sehr realen Implikationen – wenn beispielsweise nur ein Parameter des Higgs positiv statt negativ wäre, hätten sich nie Atome gebildet, weil masselose Elektronen niemals in ihrer Umlaufbahn bleiben würden. „Die Tatsache, dass ein Minuszeichen die Tatsache bestimmt, dass Sie und ich dieses Gespräch führen, ist das Seltsamste in der Natur“, sagt Meade.

Durch den mangelnden Erfolg von SUSY neu ausgerichtet, untersuchten die Physiker die konkurrierenden Collider-Kandidaten und stellten fest, dass nur ein Myon-Collider die gewünschte Energie und Präzision in einer einzigen Maschine vereinen würde. Darüber hinaus schien es, als wäre ein Myonenbeschleuniger dank der Arbeit von MAP und dem italienischen Team keine Fantasie mehr. Anfang 2020 bewiesen die ersten Ergebnisse des langzeitverzögerten Muon Ionization Cooling Experiments, dass eine Myonenkühlung möglich ist. „Wir hatten die Gelegenheit, uns alle Fortschritte anzusehen, die gemacht wurden, und kamen zu dem Schluss: ‚Oh mein Gott, vielleicht ist es nicht so weit weg, wie wir ursprünglich dachten‘“, sagt Sergo Jindariani, Detektorphysiker am Fermilab.

Während der Pandemie trafen sich Jindariani und seine Kollegen über Zoom und überlegten, wie sie verbleibende technische Herausforderungen lösen könnten, beispielsweise das gefürchtete Problem des „strahleninduzierten Hintergrunds“. Bei hohen Energien erzeugen rasende Myonen unmittelbar vor einer Kollision eine Art chaotische Wolke aus aufgewühlter Energie, die es unmöglich macht, etwas zu sehen. Aber mit einem neuen Design, das Wolframdüsen und eine am LHC entwickelte Zeitmessmethode verwendet, glauben Forscher nun, dass sie in der Lage sein werden, das Durcheinander herauszufiltern, um die Kollision von Myonen deutlich zu sehen.

Auch wenn ein Myonenbeschleuniger zunehmend realisierbar wird, bevorzugen viele vorsichtige Physiker immer noch andere Beschleunigeroptionen. Einige hoffen auf den in Japan ansässigen International Linear Collider (ILC), eine Higgs-Fabrik, die Elektronen und Positronen bei niedrigen Energien kollidieren lassen würde. Doch obwohl die Pläne für den ILC „schaufelbereit“ sind, bleibt er in der Schwebe – abhängig von den Launen der japanischen Regierung. Unsicherheit erzeugt Angst, und einige Physiker sagen insgeheim, dass das ILC tot sei.

Wissenschaftler am CERN, dem europäischen Labor für Teilchenphysik in der Nähe von Genf, das den LHC gebaut hat und für dessen Betrieb verantwortlich ist, waren von der Aussicht auf einen Myonenbeschleuniger fasziniert, aber nicht genug, um andere Pläne zu verdrängen. Damals wie heute war das nächste große Ding des CERN der Future Circular Collider (FCC), der, wenn er gebaut würde, einen Umfang von kolossalen 90 Kilometern hätte. „Ein Myon Collider ist ein ‚Plan B‘“, sagt Daniel Schulte, Beschleunigerphysiker am CERN und Leiter der International Muon Collider Collaboration.

Das FCC soll als Higgs-Fabrik beginnen, die Elektronen und Positronen kollidieren lässt. Die Aussichten aller Higgs-Fabriken wurden jedoch durch Hardware- und Software-Upgrades am LHC beeinträchtigt, die seine Fähigkeit zur Untersuchung des Teilchens verbessert haben. Das war „ein Teil des Territoriums, von dem wir dachten, es handele sich zweifellos um das Gelände einer Higgs-Fabrik“, sagt Craig. „Der LHC hat Fortschritte gemacht.“

Im Bestreben, höhere Energien zu erreichen, möchte CERN den FCC schließlich aufrüsten, um Protonen bei 100.000 GeV kollidieren zu lassen – siebenmal höher als die derzeitige Kapazität des LHC. Aber die Zeitpläne sind entmutigend. Mit dem Bau des FCC muss noch begonnen werden, und die Inbetriebnahme der Anlage ist für frühestens 2048 geplant. Protonenkollisionen am FCC würden erst etwa 2075 stattfinden.

„Das macht vielen jungen Leuten Angst“, sagt Meade. „Wir sagen im Grunde, dass diese Fragen einfach außerhalb unseres Horizonts liegen und dass niemand, der jetzt lebt, sie beantworten wird.“ Für Nachwuchsforscher birgt der Myonenbeschleuniger einen zusätzlichen Reiz: Teilweise aufgrund seiner geringeren Größe könnte er um das Jahr 2045 ans Netz gehen – und eine epochale Energieverbesserung bieten, Jahrzehnte bevor das FCC seine ersten Protonen kollidieren lassen würde.

„Ich glaube, das war der Wendepunkt für mich“, erklärt Karri DiPetrillo, Experimentalphysikerin an der University of Chicago. Sie und andere junge Physiker waren eine treibende Kraft hinter der steigenden Beliebtheit des Myon Colliders, indem sie Vorträge hielten und versuchten, zögerlichere ältere Kollegen zu überzeugen. Für einen ihrer Vorträge fügt DiPetrillo einen morbid-humorvollen Zeitstrahl ein: Das Jahr 2060 ist markiert mit „Karri geht in den Ruhestand?“ Und im Jahr 2070 – Jahre vor dem Protonenstart der FCC – steht auf einem Beizschild: „Karri stirbt???“

Wenn irgendein Ort in den USA als Friedhof der Teilchenphysik bezeichnet werden kann, dann ist es Waxahachie, Texas. Abgesehen von einigen unscheinbaren Gebäuden ist das bemerkenswerteste Merkmal der trockenen Landschaft eine Reihe unvollendeter Tunnel, die einem 2-Milliarden-Dollar-Loch im Boden gleichkommen. Dies sind die schändlichen Überreste des Superconducting Super Collider (SSC), der einst als leuchtender Höhepunkt der „großen Wissenschafts“-Pläne des Landes galt.

Wäre es fertiggestellt worden, hätte sich der Ring des SSC über 87 km erstreckt und Protonen mit 40.000 GeV zerschmettert. Bei seinen Erkundungen von Energien, die heute unzugänglich sind, hätte es das Higgs-Molekül (und wer weiß was noch) leicht gefunden, möglicherweise mehr als ein Jahrzehnt vor dem LHC.

Es gibt keinen einzigen Grund, warum der SSC getötet wurde. Misswirtschaft im Haushalt, der Widerstand anderer Physiker, die Konkurrenz durch die Internationale Raumstation, das Ende des Kalten Krieges – ein Freibrief für die Hochenergiephysik – und ein unglücklicher Vorfall, bei dem sich der damalige Präsident George H. W. Bush über den japanischen Premierminister erbrach, trugen alle zum SSC bei trauriges Schicksal.

Seit 30 Jahren ist die Absage des Megaprojekts für Teilchenphysiker eine düstere Mahnung, ihre Erwartungen zu zügeln. Der Traum, einen Myonenbeschleuniger zu bauen, ist eine Rückkehr zum Ehrgeiz. Ebenso bemerkenswert wie alles andere am Myon Collider ist die Begeisterung, die er bei seinen Befürwortern hervorruft, von denen viele stolz Kleidung mit Myonenmotiven tragen. Bei einem Vortrag in Minneapolis im April dieses Jahres fasste Nima Arkani-Hamed, Theoretiker am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, seine Argumente für einen Myonenbeschleuniger zusammen: „Es ist einfach verdammt aufregend!“

Trotz unbekannter Vorteile und gewisser Risiken strömen viele Teilchenphysiker in die Myonenfalte. „Wenn wir keine Herausforderung haben“, sagt Jindariani, „werden die klügsten Leute woanders hingehen.“

Mit anderen Worten: Wir kollidieren nicht mit Myonen, weil sie einfach sind, sondern weil sie hart sind.

Daniel Garisto ist ein freiberuflicher Wissenschaftsjournalist, der über Fortschritte in der Physik und anderen Naturwissenschaften berichtet. Er lebt in New York. Bildnachweis: Nick Higgins

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