Die „Superrennstrecke“ der mikroskopischen Welt: China plant den Bau des leistungsstärksten „Partikel-Autoscooters“ der Welt

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Guo Fei (Yantai-Universität)

Hersteller: China Science Expo

In Science-Fiction-Filmen sehen wir oft Zukunftstechnologien, die die mikroskopische Materialwelt frei betreten und verlassen können. Und jetzt werden solche Science-Fiction-Szenen in China Realität. Unter der Erde, in einem 100 Kilometer langen Tunnel, könnte ein riesiges „Mikroskop“ entstehen, das uns einen Blick in die tiefsten Geheimnisse der Erde und sogar des Universums ermöglicht.

Dabei handelt es sich um den weltweit größten Teilchenbeschleuniger, den China bauen will: den Circular Electron Positron Collider (CEPC). Es wird nicht nur den Fortschritt der Grundlagenforschung fördern, sondern könnte auch unser Verständnis des Universums völlig verändern.

Die Geheimnisse der Teilchenbeschleuniger entschlüsseln: die „Super-Rennstrecke“ der mikroskopischen Welt

Ein Teilchenbeschleuniger ist wie eine „Superrennstrecke“ in der mikroskopischen Welt. In diesem hochentwickelten Gerät verwenden Wissenschaftler hochentwickelte und komplexe beschleunigende elektrische Felder, um winzige Partikel mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit reisen zu lassen, wobei sie lange Tunnel umgehen und an bestimmten Stellen kollidieren.

Wenn zwei Strahlen schneller Teilchen an einem vorbestimmten „Beobachtungspunkt“ kollidieren, ist das wie die Entstehung eines Miniatur-„Urknalls“ auf subatomarer Ebene. Diese hochenergetischen Kollisionen ermöglichen es uns, physikalische Phänomene zu beobachten, die normalerweise verborgen bleiben, da wir gemäß Einsteins berühmter Masse-Energie-Gleichung E=mc² wissen, dass enorme Mengen Energie in Materie umgewandelt werden können. Bei diesen hochenergetischen Kollisionen kann die enorme Energiemenge, die sofort freigesetzt wird, verschiedene Phänomene hervorrufen, die in unserer alltäglichen Welt nicht üblich sind, und uns auch die Möglichkeit geben, einen Blick auf die strukturellen Geheimnisse mikroskopischer Partikel zu werfen.

Noch spannender ist, dass diese hochenergetische Kollision auch den hochenergetischen Zustand zum Zeitpunkt der Entstehung des Universums reproduzieren kann. Durch die Simulation der hohen Temperaturen und der hohen Dichte im frühen Universum können wir besser verstehen, wie sich das Universum von einer Singularität zu dem riesigen Sternenhimmel entwickelte, den wir heute sehen. Es ist, als hätten wir eine „kosmische Zeitmaschine“, die uns die Möglichkeit gibt, zu untersuchen, wie das Universum in seinen frühesten Tagen aussah.

Aus diesem Grund gelten Kreisbeschleuniger als eines der wichtigsten Werkzeuge der modernen Physik. Es ist nicht nur ein „Supermikroskop“ zur Erforschung der mikroskopischen Welt, sondern auch eine „Zeitmaschine“ zur Erforschung der Entstehung des Universums.

Der Compact Muon Solenoid (CMS)-Detektor am Large Hadron Collider (LHC), wobei die Leiter unten rechts seine Größe verdeutlicht.

(Bildquelle: Wikipedia)

Der Teilchenbeschleuniger, den China bauen will, heißt Circular Electron-Positron Collider (CEPC). Sein Hauptziel ist die Untersuchung des Higgs-Bosons, eines mysteriösen Teilchens, das 2012 entdeckt wurde und im übertragenen Sinne als „Gottesteilchen“ bezeichnet wird. Wie der zentrale Zauberspruch in einem Zauberbuch glaubt man, dass das Higgs-Boson anderen Teilchen Masse verleihen kann.

Durch eingehende Untersuchungen hoffen Wissenschaftler, einige der grundlegendsten Fragen des Universums zu beantworten: Warum hat Materie Masse? Wie hat sich das Universum entwickelt? Warum gibt es im Universum mehr Materie als Antimaterie?

Im Standardmodell gibt es sechs Quarks (violett) und sechs Leptonen (grün). Neben Fermionen gibt es vier Eichbosonen (rot) und das Higgs-Boson (gelb).

(Bildquelle: Wikipedia)

CEPC ist wie ein Werkzeug, das uns hilft, dieses Kernmantra zu entschlüsseln. Mit dem Bau dieses „Supermikroskops“ leisten chinesische Wissenschaftler wichtige Beiträge zur menschlichen Erforschung der Geheimnisse des Universums und dürften große Durchbrüche in der physikalischen Grundlagenforschung erzielen.

CEPC: Die Kristallisation wissenschaftlicher und technologischer Innovationen

Das Design von CEPC ist ein technisches Wunderwerk, das mehrere Spitzentechnologien integriert. Diese riesige „Strecke“ besteht aus einem unterirdischen Tunnel mit einem Umfang von 100 Kilometern, was der Länge von 250 aneinandergereihten Standard-Laufbahngleisen von 400 Metern entspricht. In dieser riesigen Anlage werden Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, wodurch es zu Kollisionen mit hoher Energie kommt. CEPC ist nicht nur aufgrund seiner Größe, sondern auch hinsichtlich seiner Effizienz und Präzision einzigartig. Es könnte jedes Jahr Millionen von Higgs-Bosonen produzieren, was es Wissenschaftlern ermöglichen würde, die Eigenschaften dieses mysteriösen Teilchens mit beispielloser Präzision zu messen.

Gruppenfoto des CEPC-Teams, des International Advisory Committee und einiger Mitglieder des International Review Committee des CEPC Conceptual Design Report

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Noch spannender ist, dass der Bau von CEPC, wenn alles gut geht, voraussichtlich im Jahr 2027 beginnen und etwa 10 Jahre dauern wird. Dies bedeutet, dass der Komplex mindestens mehrere Jahre vor dem europäischen Future Circular Collider (FCC) fertiggestellt sein wird und China in diesem Technologiewettlauf wahrscheinlich einen Vorteil erlangen wird.

Herausforderungen und Chancen bestehen nebeneinander: Aufbau einer wissenschaftlichen Forschungsplattform von Weltklasse

Allerdings ist es nicht einfach, den großen Plan des CEPC in die Tat umzusetzen. Der Bau eines derart großen und hochentwickelten Geräts erfordert Durchbrüche in vielen Spitzentechnologien. Von supraleitenden Magneten bis hin zu Präzisionssteuerungssystemen erfordert jede Komponente eine extrem hohe Präzision und Stabilität. Es ist wie das Zusammenbauen einer hochpräzisen Uhr, und jedes Teil muss perfekt sein.

Die technischen Herausforderungen sind ebenso enorm. Beim Graben eines 100 Kilometer langen unterirdischen Tunnels müssen komplexe geologische Bedingungen und Umweltauswirkungen berücksichtigt werden. Derzeit konkurrieren drei Städte – Qinhuangdao, Changsha und Huzhou – um das Recht, den Standort für CEPC auszuwählen, und jeder Standort hat seine eigenen einzigartigen Vorteile und Herausforderungen.

Im Inneren des CERN LHC-Collider-Tunnels

(Bildquelle: Wikipedia)

Trotz dieser Herausforderungen bietet das CEPC-Projekt auch enorme Chancen. Es wird Chinas Entwicklung in vielen Hochtechnologiebereichen fördern, von der Supraleitungstechnologie bis zur Präzisionsfertigung, was China große Vorteile bringen wird. Und was noch wichtiger ist: Es wird eine große Zahl erstklassiger Wissenschaftler und Ingenieure für China ausbilden und so eine solide Talentbasis für zukünftige wissenschaftliche und technologische Innovationen schaffen.

Wenn das CEPC-Projekt reibungslos umgesetzt wird, wird es der Menschheit in Zukunft ein neues Fenster zum Verständnis des Universums öffnen. Das CEPC-Projekt ist zweifellos ein mutiges technologisches Abenteuer, aber es ist dieser Mut, das Unbekannte zu erforschen, der die menschliche Zivilisation vorantreibt. Unabhängig vom Ergebnis hat Chinas Mut, diesen großen Plan vorzuschlagen und voranzutreiben, den Ehrgeiz und die Verantwortung einer großen Wissenschafts- und Technologiemacht unter Beweis gestellt. Freuen wir uns auf dieses riesige „Mikroskop“ aus China, das uns hilft, weitere Geheimnisse des Universums zu lüften!

Quellen:

1. Nature, China könnte 2027 mit dem Bau des größten Teilchenbeschleunigers der Welt beginnen

2. Wang Yifang baut einen großen Beschleuniger, um den wissenschaftlichen Traum zu verwirklichen