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Vor zehn Jahren – am 14. September 2015 – wiesen die Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA erstmals Gravitationswellen direkt nach. Das von den LIGO-Detektoren in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) aufgespürte Signal GW150914 gab den Startschuss in das Zeitalter der beobachtenden Gravitationswellenastronomie [1, 2]. Aus dem Vergleich der gemessenen Signalform mit theoretischen Vorhersagen auf Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie ließ sich schnell der Ursprung des Signals rekonstruieren: Dabei handelte es sich um Gravitationswellen, die zwei Schwarze Löcher vor etwa 1,4 Milli­arden Jahren bei ihrer Verschmelzung in den Tiefen des Alls abgestrahlt haben. Diese Gravitationswellen breiteten sich anschließend mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen aus, bevor ein Teil der Wellenfront im September 2015 inner­halb von Sekundenbruchteilen durch die Interferometerarme der LIGO-Detektoren rauschte.

Dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen war ein Jahrhundert theoretischer und experimenteller Vorarbeiten vorausgegangen. Die Existenz von Gravita­tionswellen – Störungen der Raumzeit, die sich wellenartig­ durch Raum und Zeit ausbreiten und dabei Abstände in der Raumzeit periodisch strecken und stauchen – hatte ­Albert Einstein 1916 aus den Gleichungen seiner Allgemeinen ­Relativitätstheorie abgeleitet. Ein erster indirekter Nachweis von Gravitationswellen gelang in den 1970er- und 1980er-Jahren mittels Beobachtungen eines Doppelpulsars im Sternbild Adler, dessen Umlaufperiode stetig aufgrund des Energieverlustes durch die Abstrahlung von Gravitationswellen abnimmt. (...)

Immer bessere Messverfahren ermöglichen es, die Allgemeine Relativitätstheorie immer genaueren Tests zu unterziehen: Präzisionsinstrumente kommen für praktische Messungen zum Einsatz, die nur im Rahmen einer gesicherten Theorie korrekt und konsis­tent interpretierbar sind. Daher gehen präzisere praktische Anwendungen oft mit besseren Grund­lagentests Hand in Hand. Dieser Artikel beleuchtet verbesserte Tests der Grundlagen wie auch der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Hochgenaue Messungen von Ort, Zeit und Gravita­tion finden in Geodäsie, Metrologie, Positionierungssystemen wie Galileo und in der Astronomie statt. Zum Einsatz kommen dabei etwa Gravimeter, Gradio­meter, Uhren, Laserinterferometer, Lunar Laser Ranging oder Very Long Baseline Interferometry. Diese präzisen Messverfahren setzen nicht nur auf ausgefeilte Technologien, sondern basieren auf den Grundprinzipien der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie (SRT, ART) sowie der Quantenmechanik. Die Gültigkeit dieser Theorien bildet die Basis für unser Verständnis der physikalischen Welt. Eine winzige Änderung dieser fundamentalen Gesetzmäßigkeiten würde die Physik dramatisch beeinflussen und sämtliche Messverfahren und Definitionen, einschließlich des neuen Internationalen Einheitensystems (SI), infrage stellen. Daher ist es von größter Bedeutung, dass Teilchen, Uhren, Lichtstrahlen und andere Objekte sich im Gravitationsfeld genau so verhalten, wie es die SRT, ART und die Quantenmechanik vorhersagen. Diese Notwendigkeit treibt uns dazu an, die Gesetze dieser Theorien immer wieder aufs Neue zu überprüfen. In letzter Zeit sind einige bemerkenswerte Fortschritte bei Tests der ART gelungen, um die es in diesem Artikel gehen soll (siehe auch [1]). Diese Fortschritte basieren auf immer präziseren Instrumenten, neuen logistischen Möglichkeiten, aber auch auf der Nutzung der Weltraumumgebung. (...)

unser gesamtes gegenwärtiges Wissen über Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen. Mathematisch als Quantenfeldtheorie formuliert, macht es sehr konkrete Vorhersagen, die sich experimentell überprüfen lassen. Das Konstruktionsprinzip dieser erfolgreichen Theo­rie basiert auf Eichsymmetrien. Diese beschreiben die Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen durch den Austausch zugehöriger Eichbosonen, die mit einer gewissen Stärke aneinander koppeln. Eichbosonen sind selbst Elementarteilchen mit einem Spin von 1; sie heißen daher auch Vektorbosonen. Als Beispiel beschreibt der Austausch von Photonen die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen. 
Die Forderung von Symmetrien schränkt die Theorie jedoch stark ein. So verbietet sie zunächst jegliche Massen für die Austauschteilchen der Wechselwirkungen − ein wortwörtlich massives Problem bei der Formulierung des Standardmodells in den 1950er- und 1960er-Jahren. Erst die Einführung eines neuen Quantenfeldes, des Higgs-Feldes, ermöglichte massive Austauschteilchen. Im mathematisch-theoretischen Jargon bricht das Higgs-Feld die Symmetrie spontan. Dieser mathematische Trick erlaubte es, die Exis­tenz massiver Vektorbosonen konsistent in das Modell zu integrieren. Die Prozedur ist als Higgs-Mechanismus bekannt und sagt ein Teilchen ohne Spin vorher: das Higgs-Boson. Vor zehn Jahren gelang es am Large Hadron Collider, dieses nachzuweisen; im Jahr darauf erhielten Peter Higgs und François Englert für ihre Vorhersage den Physik-Nobelpreis. (...)

Das Standardmodell der Urknall-Kosmologie beschreibt die Physik auf kosmologischen Skalen auf Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie und des kosmologischen Prinzips. Letzteres beruht auf der Annahme, dass das Universum auf kosmologischen Skalen räumlich homogen und isotrop ist. Verschiedene Kombinationen kosmologischer Beob­achtungen haben das so genannte ΛCDM-Modell der Kosmologie, das eine späte Expansion des Universums erfordert, fest etabliert. Dieses einfache Weltmodell versetzt uns in die Lage, die beobachtete Phänomenologie auf kosmologischen Skalen zu erklären.

Dennoch zwingt uns dieses einfache Bild, drei unbekannte Bestandteile einzuführen: Dunkle Energie in Form einer kosmologischen Konstante, Dunkle Materie und das Inflaton-Feld. Trotz vieler Jahre der Forschung gelang es bislang nicht, deren Herkunft zu identifizieren. Innerhalb des einfachen kosmologischen Standardmodells bleiben somit große theoretische Herausforderungen bestehen. Das hartnäckigste theoretische Hindernis ohne befriedigende Grundlage ist das Problem der kosmologischen Konstante, deren Beobachtung und theoretische Vorhersage um einen Faktor von 10¹²⁰ auseinander liegen. Das ist die größte Diskrepanz zwischen theoretischen Vorhersagen und Beobachtungen der gesamten Wissenschaft!

Albert Einsteins Arbeiten von 1905 haben die Physik nachhaltig geprägt [1]: seine Erklärung des photoelektrischen Effekts, die Erkenntnis des thermostatistischen Ursprungs1) der Brownschen Bewegung und nicht zuletzt die Formulierung der Relativitätstheorie. Die darauf folgenden Bestrebungen, quantenmechanische und relativistische Konzepte zu vereinheitlichen, waren zentraler Forschungsgegenstand der Physik des letzten Jahrhunderts. Sie führten u. a. zu quantenfeldtheoretischen Methoden, die ihren bisherigen Höhepunkt im aktuellen Standardmodell der Elementarteilchen finden. Im Gegensatz dazu erwies sich die Einbettung von Brownschen Bewegungskonzepten [2−4] und Thermodynamik [5, 6] in die Relativitätstheorie lange Zeit als problematisch.

Ursprünglich bezeichnet Brownsche Bewegung die Zufallsbewegung mesoskopischer Partikel in einer molekularen Flüssigkeit, die der Botaniker Robert Brown 1827 erstmals detailliert untersucht hat. Einstein, Paul Langevin und Norbert Wiener entwickelten mathematische Techniken, um dieses Phänomen zu quantifizieren. Diese Methoden finden heute vielfältige Anwendungen in der Physik, Mathematik, Biologie und Chemie [2, 3]. Sie bilden die Grundlage moderner Diffusionsmodelle, die allgemein darauf abzielen, die quasi-zufällige Dynamik ausgewählter Freiheitsgrade („Brownsche Teilchen“) in einem komplexen Hintergrundmedium („Wärmebad“) mit partiellen oder stochastischen Differentialgleichungen statistisch zu beschreiben. Eine solche Unterteilung in primäre und sekundäre Freiheitsgrade ist in der Regel dann sinnvoll, wenn eine natürliche Skalentrennung vorliegt. Dies ist z. B. der Fall, wenn Austauschprozesse im Wärmebad sehr schnell ablaufen, sich die typischen Massen- und Längenskalen seiner Bestandteile deutlich von denen des Brownschen Teilchens unterscheiden und sich die Wechselwirkungen mit dem Hintergrundmedium näherungsweise als unkorrelierte Stöße auffassen lassen. Ein anschauliches Beispiel ist ein kleiner Farbtropfen, der sich in Wasser ausbreitet, d. h. von einem stark lokalisierten Ausgangspunkt in die umgebende Füssigkeit diffundiert. Die Farbpartikel spielen hierbei die Rolle Brownscher Teilchen und die Wassermoleküle die des Wärmebads. ...

In wenigen Wochen fällt der Startschuss für den LHC, und kurz danach beginnt Ihre Amtszeit als Generaldirektor. Wie ist Ihr Gemütszustand?

Gut. Ein kleines bisschen aufgeregt und voller Vorfreude. Nicht angespannt, sondern gespannt.

Ist das auch die allgemeine Stimmung hier am CERN?

Mit Sicherheit. Wir legen jetzt einen Sprint hin am Schluss eines Marathonlaufs, hat jemand gesagt.

Was heißt es, den LHC in Betrieb zu nehmen? Da wird ja nicht ein Schalter umgelegt, und die Maschine läuft …

Genau. Da gibt es viele Teilschritte. Die Vorbeschleuniger des LHC sind bereits alle getestet, auch der erste Einschuss in den Collider. Alles muss fein aufeinander abgestimmt sein, die Steuerung der Magnete, das ganze Timing, bevor am 10. September der Strahl mit der Einschussenergie vom SPS einmal im Kreis herum laufen soll. Wenn beide gegenläufigen Strahlen durchgefädelt sind, werden wir die Energie langsam hoch fahren und die Strahlen zur Kollision bringen – ich hoffe, dass dies am 21. Oktober, dem Tag der offiziellen Einweihung, erstmals der Fall sein wird. Danach starten die Messungen, allerdings
mit niedrigem Strahlstrom.

Wie funktioniert die Inbetriebnahme der Detektoren?

Der Knackpunkt wird sein, die Detektoren wirklich zu verstehen.