Dreimal länger als der heutige LHC: CERN plant neuen Mega-Beschleuniger

Der heutige Teilchenbeschleuniger des Europäischen Kernforschungszentrums CERN bei Genf zählt bereits zu den größten Forschungsanlagen der Welt. Nun liegen Pläne für ein Projekt vor, das selbst diese Dimensionen deutlich übertreffen würde. Ein neuer unterirdischer Ring mit fast 91 Kilometern Umfang könnte ab den 2040er Jahren die Nachfolge des Large Hadron Collider antreten. Die Anlage soll dabei helfen, einige der hartnäckigsten Rätsel der Physik zu lösen – und könnte Technologien hervorbringen, die weit über die Grundlagenforschung hinausreichen.

Mehr als tausend Wissenschaftler und Ingenieure arbeiteten an den Plänen für einen sogenannten Future Circular Collider. Der unterirdische Ring soll technisch, wirtschaftlich und ökologisch umsetzbar sein und könnte ab den 2040er Jahren entstehen. Ob das Milliardenprojekt tatsächlich gebaut wird, ist noch offen. Fachgremien prüfen derzeit die Vorschläge.

CERN plant einen Ring von bisher unerreichter Größe

Schon der heutige Large Hadron Collider sprengt normale Maßstäbe: Sein Ring misst 27 Kilometer. Der nun vorgeschlagene Nachfolger würde sich über 90,7 Kilometer erstrecken und durchschnittlich rund 200 Meter tief unter Frankreich und der Schweiz verlaufen.

Für die Studie untersuchten die Beteiligten rund 100 mögliche Varianten. Am Ende blieb eine Trasse übrig, die wissenschaftliche Anforderungen, Bauaufwand, Umweltfragen und Kosten möglichst gut miteinander verbindet. Vorgesehen sind acht Standorte an der Oberfläche sowie vier große Experimente.

Der Tunnel wäre damit mehr als dreimal so lang wie die heutige Anlage. Seine Größe hat einen einfachen Grund: Je größer der Ring, desto höher lassen sich die Energien erreichen, mit denen Teilchen aufeinanderprallen.

Warum das Higgs-Boson weiter Fragen aufwirft

Der Anstoß für das Projekt geht auf eine der bekanntesten Entdeckungen der modernen Physik zurück. Im Jahr 2012 gelang am Large Hadron Collider der Nachweis des Higgs-Bosons. Damals galt das als wissenschaftlicher Meilenstein.

Doch viele Fragen blieben offen. CERN beschreibt das Higgs-Boson als das „einfachste und zugleich rätselhafteste bislang entdeckte Teilchen“. Seine Eigenschaften beschäftigen die Forschung bis heute.

Das Teilchen hängt mit einem Mechanismus zusammen, der kurz nach dem Urknall anderen Elementarteilchen ihre Masse verlieh. Ohne diesen Prozess hätten sich keine Atome gebildet. Sterne, Planeten und schließlich auch Leben wären nicht entstanden.

Mit einer neuen Anlage könnten Wissenschaftler die Eigenschaften des Higgs-Bosons deutlich genauer vermessen als bisher. Darüber hinaus hoffen sie auf Hinweise auf bislang unbekannte Naturgesetze.

Diese zwei Ausbaustufen sind vorgesehen

Die Pläne sehen zunächst einen Elektron-Positron-Beschleuniger vor. Diese Maschine würde als hochpräzises Forschungsinstrument dienen. Dabei stünden das Higgs-Boson, die schwache Wechselwirkung und das sogenannte Top-Quark im Vordergrund.

Später könnte derselbe Tunnel einen deutlich leistungsstärkeren Protonenbeschleuniger aufnehmen. Dessen Kollisionsenergie soll etwa 100 Teraelektronenvolt erreichen. Kein bisheriger Beschleuniger kommt in diesen Bereich vor.

Laut Studie gibt es zwei wissenschaftliche Ziele: Zum einen sollen bekannte Teilchen genauer untersucht werden. Zum anderen suchen Physiker nach Phänomenen, die mit heutigen Anlagen bislang unsichtbar bleiben.

Das Milliardenprojekt würde über Jahre gebaut

Auch die Kosten spielen in der Machbarkeitsstudie eine große Rolle. Für die erste Ausbaustufe rechnen die Verantwortlichen mit Investitionen von rund 15 Milliarden Schweizer Franken (über 16 Milliarden Euro). In dieser Summe enthalten sind:

• der Bau des Tunnels
• die technische Infrastruktur
• die Beschleunigeranlagen
• vier große Detektoren

Der Bau würde sich über etwa zwölf Jahre erstrecken. Frühestens Anfang der 2030er-Jahre könnten die Arbeiten beginnen. Die Finanzierung soll ähnlich organisiert werden wie beim heutigen Large Hadron Collider. Ein großer Teil der Mittel würde von den 25 Mitgliedstaaten des CERN bereitgestellt – und damit auch von Deutschland.

Welche Folgen das Projekt für Umwelt und Region hätte

Ein Vorhaben dieser Größe sieht sich zwangsläufig mit Fragen des Umwelt- und Landschaftsschutzes konfrontiert. Deshalb widmet die Studie diesem Bereich umfangreiche Kapitel.

Nach Angaben des CERN soll die Anlage von Anfang an nach Nachhaltigkeitskriterien geplant werden. Energie soll möglichst wiederverwendet werden, zugleich sollen Eingriffe in Umwelt und Landschaft begrenzt bleiben.

Frankreich und die Schweiz begleiten die Planungen bereits heute. In den kommenden Jahren sollen zudem Gespräche mit Gemeinden, Behörden und weiteren Beteiligten stattfinden.

Teilchenbeschleuniger liefern oft mehr als neue Physik

Technologien aus der Teilchenphysik fanden in der Vergangenheit ihren Weg in zahlreiche Anwendungen. Dazu gehören moderne medizinische Bildgebung, Teilchentherapien gegen Krebs, supraleitende Materialien und hochempfindliche Detektoren. Auch die Energie- und Fusionsforschung profitiert von Entwicklungen aus diesem Bereich.

Ob der Future Circular Collider gebaut wird, entscheidet sich erst später. Zunächst prüfen unabhängige Expertengremien die Pläne, danach befasst sich der CERN-Rat damit. Eine Richtungsentscheidung wird nach aktuellem Stand um 2028 erwartet.

Kurz zusammengefasst:

• CERN prüft den Bau eines neuen Teilchenbeschleunigers mit 90,7 Kilometern Umfang, der den heutigen Large Hadron Collider deutlich übertreffen würde.
• Die Anlage soll das Higgs-Boson präziser untersuchen und nach bislang unbekannten Teilchen oder Naturgesetzen suchen.
• Die erste Ausbaustufe würde rund 16 Milliarden Euro kosten; über den Bau soll voraussichtlich erst um das Jahr 2028 entschieden werden.

Übrigens: Am CERN entstand bei Teilchenkollisionen kurzzeitig Gold aus Blei. Der seltene Effekt liefert Forschern wichtige Daten über Atomkerne und könnte helfen, die Physik der Zukunft besser zu verstehen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pixelrise via CERN