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Teilchenphysik: Ein Riesenbeschleuniger löst die Riesenprobleme nicht

Cern - Vorschlag für 100-Kilometer-Teilchenbeschleuniger

Die Physik steckt in einer Krise, deshalb wollen Forscher einen gigantischen Teilchenbeschleuniger bauen, der mehr als 20 Milliarden Euro kostet. Doch die Welt hat dringendere Probleme.

Quelle: SZ.de

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CERN: Musk will bohren

Am CERN soll ein riesiger neuer Teilchenbeschleuniger den bisherigen LHC weit übertreffen. Dazu muss ein 100 Kilometer langer Tunnel her – ein Fall für den Multi-Unternehmer Elon Musk?

Quelle: Technology Review

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Die Vorsokratiker und die moderne Physik

Das europäische Kernforschungszentrum CERN plant einen neuen Teilchenbeschleuniger zu bauen. In einem ringförmigen Tunnel 500 m unter dem Genfer See und mit einem Umfang von 100 km wollen die Physiker bei weit höheren Energien als … Weiterlesen

Quelle: SciLogs

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Darmstadt: Teilchenbeschleuniger kostet 500 Millionen Euro mehr als geplant

Der Bau des Teilchenbeschleunigers Fair in Darmstadt wird mindestens 1,7 Milliarden Euro verschlingen. Zu teuer, moniert der Bundesrechnungshof – und prangert schlechtes Kostenmanagement an. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Größte Forschungsmaschine: Zweijährige Wartung: Cern-Teilchenbeschleuniger fährt runter

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Cern: Teilchenbeschleuniger spielt Urknall nach

Wie entstand Materie im Weltall? Physiker am weltweit größten Forschungszentrum für Teilchenphysik wollen genau diese Frage beantworten – und spulen dafür 14 Milliarden Jahre zurück. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Teilchenbeschleuniger LHC: Wetten, die Welt geht unter?

Als der Teilchenbeschleuniger LHC an den Start ging, begann ein kurioses Gewinnspiel: Wetten, dass die Apokalypse kommt? Jetzt ist Zahltag. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Teilchenbeschleuniger-Ausbau: Neue Jagd auf Urknall-Geheimnisse

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LHC bei Genf: Weltgrößter Teilchenbeschleuniger wird aufgerüstet

Eine Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde schafft der weltgrößte Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf. Das ist immer noch zu wenig, klagen Physiker. Also wird die Anlage nun über viele Jahre ausgebaut. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Der Teilchenbeschleuniger am Cern wird ausgebaut

Dem Urknall auf der Spur

Der Teilchenbeschleuniger am Cern wird ausgebaut

Eine Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde schafft der weltgrößte Teilchenbeschleuniger in Genf. Zu wenig, sagen Physiker, die den Geheimnissen des Universums auf der Spur sind. Jetzt wird ausgebaut.

(Mehr in: COM! – Das Computer Magazin)

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Cern: Forschern gelingt Weltrekord bei Antiproton-Messung

Wie unterscheiden sich Materie und Antimaterie? Forscher am weltgrößten Teilchenbeschleuniger Cern haben Antiprotonen nun so präzise vermessen wie nie – und stehen vor einem Rätsel. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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European XFEL: Die schnellste Kamera der Welt

In Hamburg geht am 1. September mit dem European XFEL offiziell ein Teilchenbeschleuniger in Betrieb, der die stärksten und kürzesten Röntgenblitze der Welt erzeugen kann. Mit ihnen sollen sich chemische Prozesse auf Molekülebene filmen lassen.

(Mehr in: Technology Review)

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Physik des Lichts: Und sie kollidieren doch!

Licht streut kein Licht – was lange galt, ist so gut wie widerlegt. Im Cern-Teilchenbeschleuniger gelang offenbar der erste direkte Nachweis von Photonen-Kollisionen. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Teilchenphysik: Cern entdeckt ein neues Teilchen. Und jetzt?

Sein Name klingt kryptisch, niemand hatte es je gesehen, doch Physiker ahnten: Es muss es geben. Am Genfer Teilchenbeschleuniger wurde ein Xi cc++ entdeckt. Was ist das? (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Baubeginn: Neuer Teilchenbeschleuniger entsteht bei Darmstadt

Ein 1,1 Kilometer langer Tunnel, 1,3 Milliarden Euro, sechs Jahre Bauzeit: In der Nähe von Darmstadt hat der Bau des Teilchenbeschleunigers Fair begonnen. Er soll helfen, den Anfang des Universums zu erforschen. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Suche nach Dunkler Materie: Cern-Teilchenbeschleuniger läuft wieder auf Hochtouren

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Kernforschungszentrum Cern: Teilchenbeschleuniger LHC läuft wieder

Monatelang hatte die mächtigste Maschine der Welt stillgestanden, nun läuft der Teilchenbeschleuniger LHC wieder. Forscher hoffen, damit gänzlich neue Partikel zu entdecken – und erste Hinweise dafür scheint es zu geben. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Wissenschaft im Nahen Osten: Frau Kamel und der Teilchenbeschleuniger

„Sesame“ ist eines der größten Experimente für Frieden im Nahen Osten. Hier forschen Israelis, Iraner, Türken und Ägypter gemeinsam. Mittendrin: Physikerin Gihan Kamel. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Teilchenkanone im Schuhkarton

Teilchenbeschleuniger wie der LHC am Cern in Genf sind gigantische Maschinen, die nicht viel mehr tun, als Teilchen mit Energie aufzuladen. Das geht auch sehr viel kleiner, glauben Physiker aus den USA und Deutschland.

(Mehr in: Technology Review)

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Von der Fotosynthese zu neuen Wirkstoffen gegen Augenkrankheiten

Vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützten Forschenden gelang es erstmals, eine Fotosynthese-Reaktion mit Röntgenstrahlen präzise nachzuverfolgen und damit einen Film des Geschehens zu produzieren. Die Erkenntnisse helfen ähnliche Vorgänge im menschlichen Auge zu verstehen. Dank dem neuen Teilchenbeschleuniger SwissFEL am Paul Scherrer Institut darf mit mehr Erkenntnissen gerechnet werden.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Kurzschluss ausgelöst: Steinmarder legt weltgrößten Teilchenbeschleuniger lahm

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Unfall am LHC: Wiesel löst Kurzschluss am Teilchenbeschleuniger aus

Der weltgrößte Teilchenbeschleuniger am Cern muss vorübergehend abgeschaltet werden: Ein Wiesel hatte einen Trafo außer Gefecht gesetzt. Für das Tier ging der Zwischenfall nicht glimpflich aus. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Pentaquark: Wie CERN Entdeckungen macht

Am größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist wieder etwas interessantes Entdeckt worden. Das Pentaquark, ein Zustand aus vier Quarks und einem Antiquark. Nach solchen Zuständen suchen die Teilchenphysiker schon lange, ich habe dazu 2011 gebloggt. Damals war die Datenlage aber zu mager um von einer Entdeckung zu sprechen. Nun berichtet des Experiment LHCb von der eindeutigen Entdeckung eines Pentaquarks und ich kann endlich meine Homepage um weitere Quarkteilchen erweitern. (Mehr in: BrainLogs)

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Pentaquark: Wie CERN Entdeckungen macht

Am größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist wieder etwas interessantes Entdeckt worden. Das Pentaquark, ein Zustand aus vier Quarks und einem Antiquark. Nach solchen Zuständen suchen die Teilchenphysiker schon lange, ich habe dazu 2011 gebloggt. Damals war die Datenlage aber zu mager um von einer Entdeckung zu sprechen. Nun berichtet des Experiment LHCb von der eindeutigen Entdeckung eines Pentaquarks und ich kann endlich meine Homepage um weitere Quarkteilchen erweitern.

LHCb ist eines der vier Experimente am LHC und darauf spezialisiert, den Zerfall von Teilchen zu untersuchen, die ein Bottom-Quark (B-Quark) enthalten. Eines dieser Teilchen ist das Λb (Lambda-b-Teilchen). Es ist dem Neutron, das sich in jedem Atomkern befindet, sehr ähnlich. Das Neutron ist aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks aufgebaut und zerfällt im Schnitt nach einer Viertel Stunde durch Beta-Zerfall.1 Das Lambda-b enthält ebenfalls ein Up-Quark und ein Down-Quark, aber das zweite Down-Quark ist durch ein Bottom-Quark ersetzt. Das Bottom-Quark ist dem Down-Quark ähnlich, aber es ist sehr viel schwerer und hat mehr Zerfallsmöglichkeiten. Dadurch ist auch das Lambda-b-Teilchen fast sechs mal so schwer wie das Neutron und kann in viele verschiedene Teilchen zerfallen.

Die Physikerinnen und Physiker fanden aber neben dieser breiten Massen-Verteilung noch eine scharfe Linie bei einer Energie von 4450 Megaelektronenvolt. Das ist eine Resonanz, ein extrem kurzlebiges Teilchen. Es muss einen Vorgang gegeben haben, bei dem zunächst das Kaon abgespalten wurde und für kurze Zeit ein Teilchen existierte, das dann in Proton und J/ψ-Meson zerfallen ist (links im Bild).

Der Pentaquark-Zustand hat nur sehr kurz existiert und wird PC genannt. Das Plus bedeutet, dass es sich um ein einfach positiv geladenes Teilchen handelt.

Auf der Quark-Ebene passiert hier immer dasselbe: Die schwache Kernkraft, symbolisiert durch die Wellenlinie und das W-Boson, wandet das Bottom-Quark in ein leichteres Charm-Quark um. Dabei erzeugt sie ein einfach negativ geladenes Quark-Antiquark-Paar bestehend aus einem Strange- und einem Anticharm-Quark. Das negative W-Boson, das hier in Aktion tritt, kann nur solche Quark-Antiquark-Paare erzeugen, die auch negativ geladen sind.

Erst was dann passiert ist in den beiden Prozessen unterschiedlich. Im konventionellen Zerfall (Bild a) finden sich das Charm und das Anticharm-Quark zum J/ψ-Meson zusammen und die anderen Quarks bilden das Lambda-Teilchen. Dieses zerfällt erst später unter Bildung eines Up-Antiup-Quark-Paares zu einem Proton und einem Kaon. Solche neutralen Quark-Antiquark-Paare können einfach so entstehen, wenn die Energie dazu vorhanden ist.

Im zweiten Fall (b) geschieht diese Paarbildung sofort und das Kaon wird gleich abgespalten. Zurück bleibt für kurze Zeit der Pentaquark-Zustand aus zwei Up-Quarks, einem Down-Quark und einem Charm-Antischarm-Paar. Dieses Pentaquark ist gerade lang genug stabil um für eine scharfe Energie dieses Fünf-Quark-Paketes zu sorgen. Es zerfällt ohne neubildung von Quarks in Proton und J/ψ-Meson.

Beide Prozesse (a) und (b) führen letztlich zu denselben Endzuständen, können aber in der energetischen Analyse des Vorgangs voneinander unterschieden werden. Wichtig sind solche Prozesse, weil sie schwache Kernkraft und die starkte Kernkraft enthalten. Die schwache Kernkraft ist als einzige der Grundkräfte nicht symmetrisch gegen Spiegel- und Ladungssymmetrie. Diese sogenannte cp-Asymmetrie wird schwerpunktmäßig am LHCb untersucht und könnte dafür verantwortlich sein, dass es unsere Welt aus Materie und wenig Antimaterie gibt. Die starke Kernkraft ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich. Die Vermessung von Pentaquark-Zuständen kann helfen die Modelle zu verbessern, mit denen Stabilität und Lebensdauer von Elementarteilchen und Atomkernen berechnet werden können.

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Bach im Teilchenbeschleuniger

Drei mutmaßliche Bach-Bilder wurden am vergangenen Freitag im Teilchenbeschleuniger-Ring DELTA an der TU Dortmund mit Synchrotron-Strahlung untersucht. Die Ergebnisse helfen bei der Datierung der Entstehung der Bildnisse.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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empirische WIMPs und rationale SUSY-Teilchen

In einem alten Artikel von 2014 habe ich über die Suche nach Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) geschrieben. Solche nur über die Schwache Kernkraft wechselwirkenden Teilchen sind ein wichtiger Kandidat für die gesuchte dunkle Materie. Andererseits könnte es sich bei diesen Teilchen um supersymmetrische (SUSY) Teilchen handeln. Ein Anlass, einmal über verschiedene Motivationen für Grundlagenforschung nachzudenken.

Ob ein Experiment wie der Teilchenbeschleuniger CERN oder das unterirdische Labor SNOWLAB nach WIMPs oder SUSY-Teilchen suchen, ist in erster Linie eine Frage der wissenschaftlichen Motivation. Die Anforderungen und sogar die zu entdeckenden Teilchen sind gleich.

Erklärung für Phänomene

Nach WIMPs suchen wir, weil es ein Phänomen gibt, dessen Erklärung unklar ist. Astronomische Beobachtungen legen die Existenz dunkler Materie nahe. Diese Materie könnte aus Teilchen bestehen, die nicht elektromagnetisch wirken1 und nicht oder nur sehr langsam in andere Teilchen zerfallen2. Wir erwarten also schwach wechselwirkende Teilchen, das ist das WI in WIMP. Außerdem müssen die Teilchen mehr Masse haben als zum Beispiel Neutrinos. Es müssen massive Teilchen sein. Das ist das MP in WIMP.

Die Eigenschaften von WIMPS sind also durch bereits erfolgte Beobachtungen festgelegt. Wir suchen ein fehlendes Steinchen zu einem Mosaik von ineinander passenden Beobachtungen.

Konsequenz einer Theorie

Dieselben Geräte, mit denen WIMPs gefunden werden können, können auch supersymmetrische (SUSY) Partner zu den bekannten Elementarteilchen finden. Hier ist die Motivation diese Teilchen zu suchen anders: Symmetrie hat sich als Konzept bisher hervorragend bewährt. Deshalb suchen theoretische Physikerinnen und Physiker nach neuen Ansätzen, die der Natur weitere Symmetrien zusprechen.

Bekannt ist die Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen. Das ist eine Ladungssymmetrie3, Antiteilchen haben die gegenteilige elektrische Ladung wie ihre Partner. Sie gehören aber zur selben Teilchenklasse. Mit Teilchenklasse meine ich hier Fermionen und Bosonen. Fermionen sind Teilchen, die Materie bilden, also Quarks und Elektronen. Bosonen sind Teilchen, die Kräfte übertragen, also unter anderem Photonen und Gluonen.

Wenn die These der Supersymmetrie stimmt, dann gibt es einen supersymmetrischen Partner zu jedem der bekannten Teilchen, der einer anderen Teilchenklasse angehört. Jedes Materie-Teilchen (Fermion) hat einen bosonischen Partner. Jedes Kraft-Teilchen (Boson) hat einen fermionischen Partner.

Die Eigenschaften des SUSY-Teilchen sind nicht aus anderen Beobachtungen bekannt, sondern aus der Theorie. Es gibt in den supersymmetrischen Erweiterungen der Teilchenphysik Regeln, die besagen wie ein supersymmetrischer Partner wechselwirken muss. Diese Regeln geben vor wie ein Experiment aussehen muss, das SUSY-Teilchen finden soll.

Glücklicher Weise müssen sich Teilchenphysikerinnen und -physiker nicht festlegen, ob sie nach WIMPs oder SUSY-Teilchen suchen wollen. Erstens weil beide Arten von Teilchen ganz ähnliche Maschinen erfordern, zweitens weil sie vermutlich sogar identisch sind: das einfachste SUSY-Teilchen, das Neutralino, ist ein heißer Kandidat für ein WIMP: Es ist elektrisch ungeladen, wechselwirkt über die Schwache Kernkraft und es ist schwer.

Deduktion vs. Induktion

Die zwei Motivationen nach denselben Teilchen zu suchen repräsentieren sehr schön die beiden klassischen Ströme der Philosophie:

  1. Auf WIMPs kommen wir über den Weg der Empirie: Eine Beobachtung4 wird verallgemeinert. Das ist die induktive Art, neue Erkenntnis zu gewinnen. Die Erkenntnis ist: Es muss eine unbekannte Art von Materie geben.5
  2. Auf SUSY-Teilchen kommen wir dagegen, indem wir eine Theorie, das Standardmodell der Teilchenphysik, weiterdenken und eine neue Symmetrie einführen. Daraus lässt sich die Existenz zusätzlicher Teilchen ableiten (Deduktion).

Beide Methoden waren in der Vergangenheit erfolgreich, moderne Wissenschaftstheorie6 weiß aber auch, dass keine der Methoden allein zu haltbaren Erkenntnissen führt. Rationalismus ohne Überprüfung durch und an der Empirie wird zu Theorien führen, die mit der erlebten Welt nichts zu tun haben. Nicht einmal die Grundlegende Struktur der Raumzeit hätten die Menschen rein rational erfassen können.7 Empirische Untersuchungen ohne Einbindung in ein theoretisches Modell führt dagegen nur auf einen Katalog unabhängiger Beobachtungen. Daraus ist keine tiefere Erkenntnis zu erwarten.

Wissenschafterinnen und Wissenschaftler müssen theoretische Modelle entwickeln und sie müssen sie am Experiment oder durch Beobachtung absichern. Ob die Modelle rational aus Vorgängermodellen entwickelt oder empirisch aus Beobachtungen verallgemeinert wurden, ist dabei zunächst unerheblich.

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Kernforschungszentrum Cern: „Weltmaschine“ stellt Energierekord auf

Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt ist wieder in Betrieb. Nun sind in der „Weltmaschine“ Protonen mit bislang unerreichter Wucht aufeinander geprallt – ein Erfolg für die Forscher in Genf. (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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LHC: Teilchenbeschleuniger schafft Weltrekord

13 Teraelektronenvolt – noch nie sind bei einem Experiment Teilchen mit solcher Wucht aufeinandergeprallt wie jetzt am Europäischen Kernforschungszentrum Cern. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Exotischer Teilchenzerfall: Physikalischer Fachartikel hat 3000 Autoren

Zwei Teams am Teilchenbeschleuniger LHC haben sich zusammengetan: Sie beobachteten den extrem seltenen Zerfall von Elementarteilchen. Ein großes Thema für ein außergewöhnlich großes Team. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Cern: Teilchenbeschleuniger LHC läuft wieder rund

Zwei Jahre war die „Weltmaschine“ außer Betrieb, nun schießt sie wieder Protonenstrahlen durch einen Tunnel. Die Forscher hoffen auf Erkenntnisse über die Dunkle Materie. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Kernforschungszentrum Cern: Die „Weltmaschine“ ist wieder in Betrieb

Darauf wartete die Forschungslandschaft seit langem: Das Europäischen Kernforschungszentrum Cern hat den größten Teilchenbeschleuniger der Welt wieder in Gang gebracht. Nun hoffen alle auf Ergebnisse. (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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Kernforschungszentrum Cern: Die „Weltmaschine“ ist wieder in Betrieb

Darauf wartete die Forschungslandschaft seit langem: Das Europäischen Kernforschungszentrum Cern hat den größten Teilchenbeschleuniger der Welt wieder in Gang gebracht. Nun hoffen alle auf Ergebnisse. (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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Neustart am Cern: Die Weltmaschine läuft wieder

Fast zwei Jahre wurde der mächtigste Teilchenbeschleuniger der Welt aufgerüstet. Jetzt rasen wieder Protonen durch die 27 Kilometer lange Röhre. Die Experimente könnten das Geheimnis Dunkler Materie lüften. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Neustart von Teilchenbeschleuniger LHC: Kurzschluss legt runderneuerte „Weltmaschine“ lahm

Der Teufel steckt im Detail – besonders bei gigantischen Maschinen wie dem LHC. Ein winziger Fehler hat den Fahrplan zum Neustart des komplett erneuerten Teilchenbeschleunigers durcheinandergebracht. (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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Beschleuniger LHC: Kurzschluss verzögert Neustart am Cern

Der Neustart des Large Hadron Collider am Cern verzögert sich. Grund ist ein Kurzschluss im 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)