Der Large Hadron Collider erklärt
26. Mai 2024Staffel 3Episode 5
Equedia Investment Letter
Er ist riesig.
Er ist 27 Kilometer lang und 100 Meter unter der Erde.
Tausende von Menschen aus über 100 Ländern brauchten 30 Jahre, um ihn zu bauen.
Er kostet mehr als 5 Milliarden Dollar.
Er ist das größte wissenschaftliche Instrument, das je von Menschen gebaut wurde.
Es heißt, er könne Portale zu anderen Dimensionen öffnen und sogar Schwarze Löcher erzeugen.
Und er wurde eingeschaltet.
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Er ist riesig.
Er ist 27 Kilometer lang und 100 Meter unter der Erde.
Tausende von Menschen aus über 100 Ländern brauchten 30 Jahre, um ihn zu bauen.
Er kostet mehr als 5 Milliarden Dollar.
Er ist das größte wissenschaftliche Instrument, das je von Menschen gebaut wurde.
Es heißt, er könne Portale zu anderen Dimensionen öffnen und sogar Schwarze Löcher erzeugen.
Und er wurde eingeschaltet.
Was ist es also?
Er heißt Large Hadron Collider (LHC).
Gebaut von der Europäischen Organisation für Kernforschung, besser bekannt als CERN, ist er das weltweit größte operationelle Vakuumsystem und der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger – ein langes kreisförmiges Rohr, bestehend aus speziellen Röhren, die so leer wie der interstellare Raum und kälter als der Raum selbst sind.
Tatsächlich beträgt die Temperatur in diesen Röhren unglaubliche -271,3 °C – nur wenige Grad unter der Temperatur, bei der jede molekulare Bewegung aufhört: dem absoluten Nullpunkt.
Dennoch kann er eine erstaunliche Temperatur von 5 Billionen Grad Celsius erzeugen – heißer als eine Supernova-Explosion und 366.000 Mal heißer als das Zentrum der Sonne.
Kein Wunder, dass einige glauben, er könne ein Schwarzes Loch erzeugen und die Welt in die Luft jagen.
Aber was ist es wirklich?
Es ist ein massiver Teilchenbeschleuniger.
Keine Sorge; Teilchenbeschleuniger gibt es schon seit den 1930er Jahren.
Sie werden verwendet, um energiereiche Teilchen zu erzeugen, um zu erforschen, was das Zentrum von Atomen, die Struktur des Atomkerns, ausmacht.
Diese Beschleuniger können ringförmig sein, wo Teilchen im Kreis herumsausen, oder geradlinig, wo Teilchen von einem Ende zum anderen rasen.
Sie funktionieren, indem sie elektrische Felder nutzen, um Teilchen in eine Richtung zu drücken, wodurch mehr Energie erzeugt wird und sie sich schneller bewegen.
Theoretisch ist die Länge eines Beschleunigers, wie eines Teilchenbeschleunigers, direkt mit der Energie und Geschwindigkeit der Teilchen verbunden, die er erzeugen kann.
Längere Beschleuniger ermöglichen eine stärkere Beschleunigung, was bedeutet, dass die Teilchen höhere Geschwindigkeiten erreichen können. Dies liegt daran, dass die Teilchen mehrmals beschleunigt werden, während sie die Länge des Beschleunigers durchlaufen, und bei jedem Durchgang mehr Geschwindigkeit gewinnen.
Mit 27 Kilometern Länge beschleunigt der Large Hadron Collider Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, bevor er sie kollidieren lässt.
Aber warum?
Protonen sind heute eine der kleinsten bekannten Teilchen – nur Quarks und Leptonen (dazu später mehr) sind kleiner.
Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Ein Proton ist etwa 100.000 Mal kleiner als das Atom, in dem es sich befindet.
Stellen Sie sich ein Sandkorn vor, das typischerweise 0,5 bis 2 Millimeter groß ist. Bedenken Sie nun, dass ein Proton etwa 100.000 Mal kleiner ist als dieses Sandkorn. Wäre ein Sandkorn so groß wie die Erde, wäre ein Proton auf dieser Skala etwa so groß wie eine kleine Murmel.
Das ist noch nicht einmal das Verrückte daran.
Im Large Hadron Collider bewegen sich zwei hochenergetische Teilchenstrahlen, die Protonen tragen, mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, bevor sie zur Kollision gebracht werden. Die Strahlen bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen in separaten Strahlrohren innerhalb eines Raums, der die Breite eines menschlichen Haares hat.
Dieser Haarstrang mag klein erscheinen, aber ein Proton im Vergleich zur Breite Ihres Haares ist wie ein Salzkorn im Vergleich zur gesamten Erde!
Protonen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, zusammenzustoßen, ist extrem schwierig – wie zwei Nadeln aus 10 Kilometern Entfernung mit solcher Präzision abzufeuern, dass sie sich auf halbem Weg treffen und sich gegenseitig spalten.
Wie machen sie das also?
Um sicherzustellen, dass die Protonen auf Kurs bleiben, hält ein 27 km langer Ring aus supraleitenden Magneten Magnetfelder aufrecht, die helfen, diese Teilchen zu lenken und zu fokussieren.
Die Elektromagnete bestehen aus speziellen Elektrokabelspulen, die in einem supraleitenden Zustand arbeiten und Elektrizität effizient ohne Widerstand oder Energieverlust leiten. Dies erfordert das Kühlen der Magnete auf – 271,3 °C – eine Temperatur, die kälter ist als der Weltraum.
Kurz vor der Kollision wird eine andere Art von Magnet verwendet, um die Teilchen näher zusammenzudrücken und so die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen zu erhöhen.
Dieser gesamte Prozess erfordert eine unglaubliche Menge an Energie, daher muss alles perfekt sein, genau wie ein Raketenstart.
Tatsächlich verbraucht der Large Hadron Collider im Betrieb etwa 120 Megawatt Leistung – das reicht aus, um eine kleine Stadt zu versorgen!
Natürlich wäre es albern zu glauben, dass sie nur ein paar Protonen abschießen, damit das alles funktioniert.
Warum das Risiko eingehen, nur eine Nadel abzuschießen, um eine andere Nadel in 10 km Entfernung zu treffen? Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Nadeln sich treffen, wäre ziemlich gering.
Und so ist es.
Wie machen sie das also?
Nun, wie Sie wahrscheinlich erraten haben, schießen sie mehr als ein Proton gleichzeitig ab – Milliarden, tatsächlich.
Im Durchschnitt enthält jeder Strahl 100 Milliarden Protonen, die in entgegengesetzte Richtungen geschickt werden – das sind 100 Milliarden Protonen gegen 100 Milliarden Protonen!
Aber nicht alle dieser Protonen werden gleichzeitig abgefeuert.
Sie ordnen diese Protonen in Bündeln an, mit etwa 2.808 Bündeln pro Strahl, wobei jedes Bündel Milliarden von Protonen enthält.
Mit 2.808 Bündeln pro Strahl zirkulieren zu jeder Zeit etwa 208.320 Bündel im Collider.
Und raten Sie mal, wie viele tatsächlich pro Kreuzung kollidieren?
Nur 50-60 Protonen.
Deshalb tun sie dies immer und immer wieder – unglaubliche 30 Millionen Mal… pro Sekunde!
Mit fast 3000 Bündeln, von denen jedes über 100 Milliarden Protonen enthält, erzeugt der Large Hadron Collider 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde!
Aber warum?
Geht es darum, eine andere Dimension zu öffnen? Geht es darum, ein Schwarzes Loch zu erzeugen? Geht es darum, böse Geister herbeizurufen?
Vielleicht…
Aber das ist technisch und wissenschaftlich nicht das, wofür er konzipiert wurde.
Er wurde entwickelt, um zu untersuchen, was das Universum erschaffen hat – um zu verstehen, was am Anfang des Universums, als der Urknall angeblich stattfand, passiert sein könnte.
Wie hat das Kleinste vom Kleinen eine so enorme Energiemenge erzeugt, um das Universum, wie wir es heute kennen, zu erschaffen?
Besorgt über CERN?
Ich weiß, was Sie denken: Wenn es uns gelingt, den Urknall, die größte Explosion in der Geschichte des Universums, zu replizieren, würde uns das nicht auslöschen?
Nun, es gibt noch keinen Grund zur Sorge – noch nicht.
Obwohl er darauf ausgelegt ist, die Zeit am nächsten zum Urknall zu replizieren, beträgt die freigesetzte Energie, wenn zwei Protonen im Large Hadron Collider kollidieren, nur ein Milliardstel Joule.
Dies ähnelt der kinetischen Energie einer fliegenden Mücke.
Im Vergleich dazu setzt ein Blitz etwa 5 Milliarden Joule Energie frei, oder etwa 1 Million Mal mehr Energie als eine einzelne Proton-Proton-Kollision im Large Hadron Collider.
Wissenschaftler haben jedoch entdeckt, dass Protonen bei unglaublich hohen Geschwindigkeiten so viel Energie freisetzen, dass diese sich in physikalische Masse umwandeln kann.
Wenn die Energie hoch genug ist, kann sie sich in mysteriöse oder unbekannte Teilchen verwandeln – und genau danach suchen Wissenschaftler.
Sehen Sie, Mathematik ist eine sehr interessante Sache, die viele unbeantwortete Fragen vorhersagen und lösen kann.
Zum Beispiel wurde Albert Einsteins Relativitätstheorie, besser bekannt als E=mc 2, erst Jahrzehnte nach ihrer ersten Veröffentlichung bewiesen.
Im Jahr 1869 schuf der russische Chemiker Dmitri Mendelejew ein Gerüst, das sich zum modernen Periodensystem entwickelte. Doch als er es entwarf, ließ er Platzhalter für Elemente, von denen er wusste, dass sie existierten, die aber noch nicht identifiziert worden waren. Er antizipierte sogar die Eigenschaften bestimmter unentdeckter Elemente und gab ihnen provisorische Namen wie „Eka-Aluminium“ für ein Element, das Aluminium ähnelte. Jahre später wurde Eka-Aluminium als Gallium identifiziert. Trotz einiger Inkonsistenzen erwies sich seine Theorie der „fehlenden Elemente“ als ziemlich genau.
Könnte es also, so wie wir die Elemente im Periodensystem mit Mathematik entdeckt haben, Teilchen geben, die wir noch entdecken müssen und die unsere Sicht auf das Universum verändern könnten?
Die Antwort ist ja.
Das Standardmodell
Stellen Sie sich vor, etwas immer wieder zu teilen, bis Sie etwas erhalten, das nicht mehr geteilt werden kann.
Dies sind Elementarteilchen – die grundlegendsten Bausteine von Materie und Energie im Universum.
Sie haben von Elektronen und Photonen gehört – das sind Elementarteilchen.
So wie Chemiker sich auf das Periodensystem verlassen, verlassen sich Physiker auf das Standardmodell für diese Elementarteilchen – eine Theorie in der Teilchenphysik, die die fundamentalen Teilchen und Kräfte beschreibt, aus denen das Universum besteht.
Fermionen sind die Teilchen, aus denen Materie besteht. Dazu gehören Quarks (aus denen Protonen und Neutronen bestehen) und Leptonen (wie Elektronen), die kleinsten der kleinen, wie wir sie heute kennen.
Tatsächlich sind Quarks und Leptonen so klein, dass es keine Anzeichen dafür gibt, dass sie überhaupt eine Größe haben. Seltsam, oder?
Physiker am Tevatron des Fermilab und an den LEP- und LHC-Kollidern des CERN haben jedoch eine Grenze für die Größe von Quarks und Leptonen festgelegt: Sie müssen kleiner sein als etwa das 0,001-fache der Größe eines Protons.
Bosonen hingegen sind Teilchen, die die Kräfte zwischen Fermionen vermitteln. Einfacher ausgedrückt, sind sie die Träger von Kräften und Energie im Universum.
Vor 2012 sagte das Standardmodell jedoch voraus, dass es ein weiteres Teilchen geben sollte – ein Teilchen, das wahrscheinlich am Anfang des Universums vorhanden war, aber noch nicht gefunden wurde.
Sie nannten dieses mysteriöse Teilchen das „Gottesteilchen“, auch bekannt als Higgs-Boson.
Die Existenz des Higgs-Bosons war notwendig, um zu erklären, wie Teilchen Masse erhalten – ohne seine Bestätigung wäre das Standardmodell unvollständig.
Hier beschreibt Nobelpreisträger Peter Higgs, was es ist.
https://x.com/NobelPrize/status/1779190652175011900
Einfacher ausgedrückt, ist dieses „Gottesteilchen“ der Grund, warum alles, was wir fühlen, existiert.
Um die Existenz des Higgs-Bosons zu bestätigen, mussten Physiker genügend Energie an einem Ort konzentrieren, um es zu erzeugen – zum Beispiel zwei Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammenstoßen lassen.
Das ist einer der Hauptgründe – zumindest, wie sie öffentlich erklärt haben –, warum der Large Hadron Collider geschaffen wurde.
Im Jahr 2012, nach wiederholtem Zusammenstoßen von Protonen im Large Hadron Collider, wurde das Higgs-Boson entdeckt.
Aber wie?
Hier spielt die Mathematik eine entscheidende Rolle – und deshalb waren Tausende von Wissenschaftlern nötig, um dies zu bestätigen.
Sehen Sie, wenn die Protonen zusammenstoßen und die speziellen mysteriösen Gottesteilchen erzeugen, existieren diese nur kurz, bevor sie wieder zu normalen Teilchen werden.
Deshalb verfügt der Large Hadron Collider über einige der fortschrittlichsten Sensoren und Detektoren, die je für die Teilchenphysikforschung gebaut wurden.
Wenn diese Teilchen explodieren und nach außen zu den Sensoren fliegen, zeichnen die Sensoren genau auf, wo diese Teilchen auftreffen.
Rückwärts arbeitend und unter Verwendung der komplexesten Physik, um zu rekonstruieren, was im Moment der Kollision geschah, um das mysteriöse Teilchen zu bestätigen, konnten Physiker einen kleinen Ausschlag feststellen.
Es sieht so aus:
Und ja, das ist es. Dieser Ausschlag bestätigte die Anwesenheit des Higgs-Bosons.
Milliarden von Dollar, 100 Länder und Tausende von Wissenschaftlern gipfelten in der Erzeugung dieses Ausschlags in einem Diagramm.
Wenn Sie wirklich glauben, fortgeschrittene Physik verstehen zu können, erfahren Sie hier mehr über diesen „Ausschlag“.
Was für ein Ausschlag!?!
Sicherlich hätten Wissenschaftler nicht so viel Zeit und Geld ausgegeben, nur um einen Ausschlag in einem Diagramm zu erzeugen.
Sicherlich versuchten sie zumindest, Portale zu öffnen oder Dämonen zu beschwören.
Nun, trotz einer eher alltäglichen Entdeckung, was das reale Leben betrifft, hat das Nebenprodukt der Arbeit am CERN tatsächlich eine Menge realer Anwendungen hervorgebracht.
Dazu gehören Krebsbehandlungen, Elektroautos, medizinische Bildgebung und sogar das World Wide Web.
Vielleicht könnte die Entdeckung mit dem Large Hadron Collider unsere Welt schließlich in ein neues Zeitalter der Entdeckungen katapultieren. Vielleicht kann sie uns helfen, Dunkle Materie oder sogar Antigravitation und Nullpunktenergie besser zu verstehen.
Und obwohl es Skeptiker gibt, was der Large Hadron Collider uns lehren kann, hält das die Wissenschaftler nicht davon ab, ihre Forschung voranzutreiben.
Tatsächlich planen Wissenschaftler bereits die Entwicklung eines noch größeren Colliders in Europa – einen, der 100 km lang ist und lapidar als Future Circular Collider bezeichnet wird.
Raten Sie, wer sonst noch einen eigenen 100-km-Collider bauen möchte?
Genau, China.
„Der Bau des weltweit größten Teilchenbeschleunigers könnte in China in drei Jahren beginnen, obwohl er noch die Genehmigung der Regierung erhalten und die Finanzierung sichern muss, sagte ein führender Wissenschaftler.
Der 36 Milliarden Yuan (5 Milliarden US-Dollar) teure Circular Electron Positron Collider (CEPC), auch bekannt als Higgs-Fabrik, wird etwa 10 Jahre Bauzeit in Anspruch nehmen und laut Wang Yifang, Direktor des Instituts für Hochenergiephysik in Peking, das nächste globale Zentrum der Teilchenphysik werden.
Durch die Beschleunigung von Elektronen und ihren Antiteilchen – Positronen – in einem 100 km langen (62 Meilen) unterirdischen Tunnel auf extrem hohe Energien und deren Zusammenstoß wird der CEPC Millionen von Higgs-Bosonen erzeugen und Wissenschaftlern ermöglichen, neue Entdeckungen jenseits des Standardmodells zu machen – unserer bestehenden besten Theorie zur Beschreibung der grundlegenden Bausteine des Universums.“
Während Milliardäre wie Elon Musk und Jeff Bezos Dinge ins All schießen, versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt, die Dinge zu erschaffen, die den Raum ausmachen.
Was wird passieren, wenn wir Teilchen mit höheren Energien als je zuvor zusammenstoßen lassen?
Ein 100-km-Collider könnte potenziell Kollisionsenergien von 100 Tera-Elektronenvolt erreichen, etwa das Sechsfache der Kollisionsenergie des Large Hadron Collider (LHC) und gleich der Kollisionsenergie, die durch Supernova-Überreste, Pulsare und kosmische Strahlung erzeugt wird.
Die Frage ist, wird das einen Unterschied machen?
Was glauben Sie, wird passieren? Werden wir ein Schwarzes Loch erzeugen? Eine andere Dimension öffnen? Dunkle Materie erschaffen und unbegrenzte Energie nutzen?
Der Grund, warum in diesem Investment-Newsletter erklärt wird, was der Large Hadron Collider ist, besteht darin, Ihnen zu zeigen, dass eine Fülle neuer Technologien am Horizont auftaucht, die unser Verständnis der Welt verändern werden.
Dazu gehören nicht nur neue Entdeckungen mit KI, sondern auch Entdeckungen mit Werkzeugen, die es uns ermöglichen, Dinge so klein zu sehen, dass wir Krankheiten mit nur einem einzigen Atemzug erkennen können.
Viel Erfolg bei der Jagd.
Suchen Sie die Wahrheit und seien Sie vorbereitet,
Carlisle Kane
