Am CERN bei Genf hat einer der größten Umbauten in der Geschichte des Large Hadron Collider begonnen. Techniker kappen im 27 Kilometer langen Tunnel die ersten Verbindungen, um 28 supraleitende Magnete auszubauen, die seit fast 20 Jahren den Teilchenstrahl formen. Ihre Nachfolger sollen Magnetfelder von 11,3 Tesla erzeugen. Was die neuen Magnete leisten sollen und warum ausgerechnet diese Bauteile so entscheidend sind, zeigt, wohin sich die Teilchenphysik bewegt.
Der Large Hadron Collider, kurz LHC, ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. In einem ringförmigen Tunnel rund 100 Meter unter der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich rasen Protonen in zwei gegenläufigen Strahlen fast mit Lichtgeschwindigkeit im Kreis. An vier Stellen des Rings kreuzen sich die Strahlen, und dort stehen die großen Detektoren ATLAS, CMS, ALICE und LHCb. Sie zeichnen auf, was bei den Zusammenstößen der Protonen entsteht. 2012 wiesen Physiker am CERN auf diese Weise das Higgs-Boson nach, das erklärt, wie Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Damit der Strahl auf seiner Bahn bleibt, ist der Tunnel mit Tausenden Magneten verschiedener Bauart ausgekleidet. Dipole lenken die Teilchen um die Kurve, Quadrupole und Magnete höherer Ordnung bündeln und korrigieren den Strahl. Die supraleitenden Spulen arbeiten bei 1,9 Kelvin, also bei minus 271,3 Grad Celsius, kälter als der Weltraum.
Seit Juli 2026 steht der Beschleuniger still. Die dritte Betriebsphase, Run 3, endete nach mehreren Verlängerungen, und die dritte lange Wartungspause mit dem Namen Long Shutdown 3 begann. In dieser Zeit wird der LHC zum High-Luminosity LHC umgebaut, kurz HiLumi LHC. Das Ziel ist eine deutlich höhere Luminosität, also eine viel größere Zahl von Teilchenkollisionen pro Zeiteinheit. Je mehr Zusammenstöße die Detektoren aufzeichnen, desto besser lassen sich seltene Prozesse beobachten und bekannte Teilchen wie das Higgs-Boson genauer vermessen. Nun hat das CERN einen symbolträchtigen Meilenstein erreicht: Die ersten Verbindungen zwischen den Magneten, die ersetzt werden sollen, wurden durchtrennt. Damit beginnt der Austausch von Bauteilen, die seit der Errichtung der Maschine zu ihrem Herzstück gehören.
Im Mittelpunkt des Umbaus stehen die sogenannten Inner Triplets. Das sind Gruppen aus jeweils drei Quadrupolmagneten, die beidseits der vier großen Experimente sitzen. Ihre Aufgabe ist es, die Teilchenstrahlen unmittelbar vor dem Kollisionspunkt so stark wie möglich zu bündeln. Je enger der Strahl zusammengedrückt wird, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Protonen aus den beiden Strahlen tatsächlich zusammenstoßen, statt aneinander vorbeizufliegen. Seit dem 7. September 2026 bauen Teams die Abschnitte des Beschleunigers links und rechts der Experimente ATLAS und CMS zurück. Insgesamt sollen dort 28 supraleitende Magnete entfernt werden, darunter die Inner Triplets. Wie die Mitteilung des CERN zum Beginn der Abtrennung beschreibt, besuchte Generaldirektor Mark Thomson zum Start der Arbeiten den Tunnelabschnitt am ATLAS-Experiment. Die bisherigen Inner Triplets wurden zwischen 2005 und 2007 installiert und liefen damit fast zwei Jahrzehnte im Dauerbetrieb.
Die neuen Inner Triplets sind das Ergebnis jahrelanger Entwicklungsarbeit. Die bisherigen Magnete des LHC verwenden Spulen aus Niob-Titan, einem bewährten Supraleiter, der aber bei hohen Magnetfeldern an seine Grenzen stößt. Die Nachfolger setzen auf Niob-Zinn. Dieses Material bleibt auch in deutlich stärkeren Feldern supraleitend, ist aber spröde und schwierig zu verarbeiten. Die Spulen müssen nach dem Wickeln bei hoher Temperatur geglüht werden, damit sich die supraleitende Verbindung überhaupt bildet. Die neuen Quadrupole erreichen Felder von 11,3 Tesla, rund 40 Prozent mehr als die bisherigen Magnete. Zum Vergleich: Ein typischer Kühlschrankmagnet bringt es auf etwa ein Hundertstel Tesla. Mit den stärkeren Feldern lässt sich der Strahl vor den Detektoren ATLAS und CMS noch enger fokussieren. Die Experimente ALICE und LHCb verfolgen andere Forschungsziele und brauchen diese Steigerung nicht. Ihre Inner Triplets bleiben deshalb an Ort und Stelle, werden aber ebenfalls überarbeitet, damit auch sie von der höheren Gesamtleistung profitieren.
Der Ausbau der alten Magnete ist nur der Anfang einer langen Umbauphase. Nach Angaben des CERN soll der erste Quadrupol der neuen Generation Anfang 2029 in den Tunnel gebracht werden. Insgesamt müssen 16 Kryostate und 28 Kryobaugruppen installiert werden, also die gekühlten Gehäuse, in denen die supraleitenden Magnete bei tiefsten Temperaturen arbeiten. Parallel dazu werden weitere Komponenten erneuert, etwa spezielle Kavitäten, die die Teilchenpakete vor dem Zusammenstoß leicht verdrehen, und neue supraleitende Stromleitungen. Auch die Detektoren selbst erhalten neue Elektronik, um die höhere Datenflut zu verarbeiten. Laut dem aktuellen Zeitplan des CERN für die Beschleuniger soll der High-Luminosity LHC im Juni 2030 den Betrieb aufnehmen. Bis dahin ruht die Kollisionsphysik am größten Beschleuniger der Welt, während die Experimente die riesigen Datenmengen aus Run 3 weiter auswerten.
Mehr Kollisionen bedeuten vor allem bessere Statistik. Viele der spannendsten Prozesse in der Teilchenphysik sind extrem selten und tauchen nur in einem winzigen Bruchteil der Zusammenstöße auf. Mit dem High-Luminosity LHC soll sich die Luminosität gegenüber dem ursprünglichen Design um ein Mehrfaches steigern lassen. Physiker wollen damit etwa messen, wie das Higgs-Boson mit sich selbst wechselwirkt, eine Eigenschaft, die über die Stabilität des Vakuums und die Frühphase des Universums Auskunft geben könnte. Zudem hoffen sie, Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells zu finden, etwa auf die Natur der Dunklen Materie. Wie viel Präzision moderne Grundlagenforschung inzwischen erreicht, zeigt auch eine Atomuhr, die in 300 Milliarden Jahren um keine Sekunde abweichen würde. Ob der umgebaute Beschleuniger tatsächlich neue Teilchen oder Kräfte aufspürt, ist offen. Sicher ist nur, dass die Physiker ab 2030 so viele Daten erhalten wie nie zuvor.
Der LHC ist seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 2008 immer wieder umgebaut worden. Schon während der zweiten langen Wartungspause ersetzten Teams 22 der großen supraleitenden Hauptmagnete und verstärkten die elektrische Isolierung von 1.232 Dipolen. Der jetzige Umbau geht jedoch weiter: Erstmals verschwinden Schlüsselkomponenten aus der Bauzeit vollständig und werden durch eine neue Magnettechnologie ersetzt, die bislang noch in keinem großen Beschleuniger im Dauerbetrieb lief. Die Verantwortlichen am CERN sprechen von einer Übergabe von einer Generation technischer Innovation an die nächste. Für die Grundlagenforschung ist das ein wichtiger Schritt, denn Niob-Zinn-Magnete gelten auch als Schlüsseltechnologie für mögliche künftige Beschleuniger, die noch höhere Energien erreichen sollen. Wie weit solche Experimente reichen, zeigt auch die Suche nach den Grenzen der Quantenphysik tief im Fels, bei der ein Detektor im Labor unter dem Gran Sasso 62 Tage lang still blieb. Am CERN beginnt nun eine neue Ära der Teilchenphysik.