Vom grössten Experiment der Welt hat man sich mehr erhofft. 27 Kilometer lang erstreckt sich der Tunnel des berühmten LHC-Teilchenbeschleunigers von einem Vorort Genfs aus kreisrund bis weit nach Frankreich. Darin werden winzigste Teilchen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aufeinandergeschossen. Messgeräte mit den Ausmassen mehrstöckiger Gebäude zeichnen auf, was bei den Kollisionen passiert. Und tatsächlich gelang es den Forschern vor sieben Jahren, das Higgs-Teilchen zu entdecken, das sich nie zuvor in einem Experiment gezeigt hatte.

Überraschend war die Entdeckung aber nicht. An der Existenz dieses Teilchens hatte in Fachkreisen kaum jemand mehr gezweifelt, seit Jahrzehnten hatten es die Physiker in ihre Berechnungen einbezogen. Spannender wäre es für sie, neuartige Teilchen und Phänomene zu entdecken, die bislang nur in kühnen Spekulationen vorkommen. Doch dazu reichen die aktuellen Teilchenbeschleuniger offenbar nicht aus. Die Schlussfolgerung in den Augen vieler Physikerinnen und Physiker ist klar: Es braucht eine noch grössere Maschine.

Vielleicht finden sich dann endlich Hinweise auf neuartige Physik, Antworten auf jene grossen Fragen, an denen sich Wissenschafter seit Jahrzehnten die Zähne ausbeissen. Wieso gibt es zum Beispiel im Universum mehr Materie als Antimaterie? Und was hat es mit der dunklen Materie auf sich, die in grossen Mengen im Universum vorhanden sein muss, aber von niemandem gesehen wird?

100 Kilometer lang soll der Nachfolger des LHC-Beschleunigers werden, für den ein Team von Wissenschaftern am Kernforschungszentrum Cern in Genf im Januar ein umfangreiches Konzept vorlegte. Er wäre wie der bereits bestehende Beschleuniger kreisförmig, aber fast viermal so lang. In einer ersten Phase soll er Elektronen auf ihre Antiteilchen schiessen, später dann Protonen auf Protonen. Bei solchen Kollisionen entstehen unter anderem ebenjene Higgs-Teilchen, über deren Eigenschaften die Teilchenforscher mehr erfahren möchten.

Der Bau eines Beschleunigers mit solch monströsen Dimensionen in der Region Genf ist ein langfristiges Projekt. Die ersten Experimente könnten im Jahr 2040 durchgeführt werden, heisst es derzeit. Doch möglicherweise ist die Konkurrenz schneller: In China gibt es Pläne für einen Beschleuniger, der nach dem gleichen Prinzip funktioniert und dieselben physikalischen Fragen beantworten soll – dies aber schon ab 2030. Hat China die Nase vorn im Wettlauf um die kleinsten Teilchen?

Europa unter Druck

Günther Dissertori, der als Physikprofessor der ETH Zürich an Projekten mit dem aktuellen Beschleuniger in Genf beteiligt ist, sagt: «Wenn China sich entscheidet, ihn zu bauen, könnte der Tunnel sehr schnell realisiert werden. Ob er auch im angekündigten Zeitrahmen mit den geplanten Maschinen bestückt wird, ist eine andere Frage.»

Aber schon der Tunnelbau allein wäre ein harter Schlag für ein europäisches Projekt. «Es würde dann Politiker geben, die sagen: Wenn China einen Beschleuniger baut, benötigt Europa nicht auch noch einen.»

Konkurrenz für den Standort Genf kommt aber auch aus Japan. Dort gibt es Pläne für einen Linearbeschleuniger, also keinen ringförmigen, sondern einen geraden Tunnel. Von zwanzig Kilometer Länge ist die Rede, doch derzeit ist unklar, wie die japanische Regierung dazu steht. Im Dezember hatte ein Komitee des japanischen Wissenschaftsrats einen kritischen Bericht dazu veröffentlicht. Nun wollen Forscher aus aller Welt wissen, ob Japans Regierung das Projekt unterstützt, doch dort drückte man sich bislang vor einem klaren Statement.

Die Frage nach dem Nutzen

In der Schweiz verfolgt man die Aktivitäten in Japan besonders genau, weil für das Kernforschungszentrum Cern in Genf ebenfalls ein Projekt für einen Linearbeschleuniger vorliegt. Begonnen würde mit vergleichsweise bescheidenen 11,4 Kilometer Länge, doch der Tunnel soll später auf 29 und schliesslich auf 50 Kilometer ausgebaut werden – das ist schon fast so lang wie der Gotthard-Basistunnel.

Die Physiker im Umfeld des Genfer Forschungszentrums müssen sich nun einigen, auf welche Karte sie setzen: ob auf einen Linear- oder auf einen Kreisbeschleuniger. In einem geraden Tunnel können Elektronen und ihre Antiteilchen prinzipiell auf höhere Energien beschleunigt werden als in einem kreisförmigen, was die Chance für die direkte Entdeckung neuartiger Phänomene mit diesen Teilchen erhöht. In einem kreisförmigen können dagegen mehrere Experimente platziert werden statt nur eines. Auch die Strahlintensitäten sind höher, womit grössere Datenmengen erreicht werden. Und es können nebst Elektronen auch die viel schwereren Protonen zum Kollidieren gebracht werden, wobei wiederum neuartige Effekte auftreten können.

Viele Menschen mögen der Meinung sein, auch ohne die Antworten auf die Fragen nach dunkler Materie oder Antiteilchen, die sie sich nie gestellt haben, ganz gut durchs Leben zu kommen. Physiker halten dagegen, dass aus der Grundlagenforschung viel Nützliches entsteht, das nicht vorhersehbar ist. Paradebeispiel ist das World Wide Web, das am Cern in Genf entwickelt wurde.

Doch die Ungewissheit, was am Ende rauskommt, bleibt das grosse Handicap der Teilchenbeschleuniger. Die deutsche Physikerin und Bloggerin Sabine Hossenfelder hat im Januar in einem viel beachteten Beitrag in der «New York Times» gar infrage gestellt, ob es überhaupt einen neuen Teilchenbeschleuniger braucht.

Die grosse Mehrheit der Community ist sich aber einig mit ETH-Professor Günther Dissertori: «Es sind Investitionen in die Zukunft, nicht Geldverschwendung.» Würde Asien in diesem Fachgebiet die Führung übernehmen, würden mit der Zeit wohl viele kluge Köpfe aus Europa abwandern.

Einige Forschende haben beim Standort China zudem Bedenken hinsichtlich der Forschungsfreiheit. «Eine Forschungsumgebung wie das Cern ist ein leuchtendes positives Beispiel für offene internationale Zusammenarbeit im grossen Stil», sagt Dissertori.

Bei all den Hoffnungen machen sich die Wissenschafter aber auch Gedanken darüber, wie es weitergehen könnte, wenn keines der grossen Bauprojekte für Genf zustande käme. Dann bliebe ihnen nichts anderes übrig, als den bestehenden Tunnel mit einem stärkeren Beschleuniger auszurüsten. Die Chance auf spektakuläre Entdeckungen wäre dabei deutlich kleiner als bei einem neuen Beschleuniger. Aber es würde auch ein paar Milliarden Franken weniger kosten.