Wissenschaft

Gestern hat CERN den Inbetriebnahmetermin des neuen Teilchenbeschleunigers bekanntgegeben:

Am 10. September 2008 wird der erste Teilchenstrahl in den 26,7 km langen Ring geschickt.

Kollissionsexperimente werden an diesem Termin noch keine stattfinden. Es soll zunächst gezeigt werden, dass die Beschleunigung auf knapp Lichtgeschwindigkeit und die "Entsorgung" in den Beam Dump zuverlässig funktioniert.

Ich schaue derzeit täglich nach dem aktuellen Stand der Hardware-Kommissionierung bei CERN: so gut wie alle Elektromagneten sind jetzt schon dauerhaft auf 1,9 Kelvin heruntergekühlt, bis KW35 (Ende August) soll der komplette Teilchenbeschleunigerring auf Hardwareebene fertig getestet und an die Betriebsführung (Operation) übergeben sein.

Am Sonntag, 6. April 2008 war ich mit Conny am LHC 2008 Open Day, dem Tag der offenen Tür des Kernforschungszentrums CERN bei Genf.

ATLAS-Experiment

Früh haben wir zuerst das ATLAS-Experiment angschaut: anfangs eine Führung durch das ATLAS-Kontrollzentrum, dann eine 3D-Filmpräsentation, im Anschluss daran ging's mit dem Fahrstuhl 100 Meter tief ins Erdinnere. Dort konnten wir den großen unterirdischen Raum begutachten, in dem der neue und größte Teilchendetektor der Welt steht - ATLAS (siehe: ATLAS Webcams).

CERN Meyrin

Im Gebäude 40 des CERN Stammsitzes hörten wir uns einen Vortrag zum CERN an und erkundeten dann noch weiter das CERN-Gelände (unter anderem das CERN-Museum).

27-km-Ring und Beam Dump

Am Nachmittag fuhren wir mit dem Auto die acht Stationen des Beschleunigerrings (mit 27 km Durchmesser) größtenteils ab und waren zuguter Letzt am Punkt 6 bei Versonnex/Collex-Bossy. Dort ging's mit dem Fahrstuhl wieder in die Tiefe (die Fahrt kam uns diesmal besonders lang vor, evtl. ist der Schacht am P6 sogar um einiges tiefer als 100 Meter, was ich weiß ist, dass der Ring in der Regel ca. 100 Meter und zum Teil auch bis zu 175 Meter unter der Erde verläuft, habe aber im Web bis jetzt jedoch nirgends gefunden, wie weit die Fahrstuhlschächte an den einzelnen Punkten jeweils in die Tiefe gehen), und haben diesmal den Beam Dump besichtigt. Das ist der "Not-Halt" des neuen Teilchenbeschleunigers, falls mit dem Teilchenstrahl mal etwas schiefgeht und er nicht mehr kontrolliert in seiner Bahn bleibt. Der Teilchenstrahl wird auf eine eigene Auslaufröhre (quasi ein Abstellgleis) umgelenkt, wird von einem Abschwächungsmagneten gestreut, die Teilchen landen in 8 Meter langen Graphit-Blöcken. Der Beam Dump des LHC kann über diesen Weg eine Energieleistung von 4.000 Megawatt abbauen.

Superlative

Den Tunnel finde ich faszinierend: er ist 27 km lang und wurde ca. 100 Meter unter der Erdoberfläche in Ringform erbaut. Er existiert zwar schon seit Ende der 80er Jahre (im Rahmen des LEP-Projekts), wurde jedoch seit Anfang dieses Jahrzehnts für das neue LHC-Projekt (vgl. Wikipedia: Large Hadron Collider) komplett leer gemacht und anschließend mit High-Tech-Ringbeschleunigertechnologie komplett neu aufgebaut. Dazu wurden die unterirdischen Kammern zum Teil immens vergrößert, um die neuen Teilchendetektoren aufnehmen zu können (ATLAS ist z. B. 45 x 22 x 22 Meter groß). Künftig werden hier unter der Erde alle Elektromagneten über die vollen 27 Kilometer Länge mittels Kryo-Technologie auf -271,3 Grad Celsius kühl gehalten; bei CERN spricht man gerne vom "kältesten Ort der Welt". Nicht mal im Weltall ist es so kalt: die kosmische Hintergrundstrahlung liegt bei -270,43 Grad Celsius. Mit der neuen Technologie können die Teilchen bald mit sehr hoher Energie und beinahe Lichtgeschwindigkeit (die 27 km mehr als 10.000 mal pro Sekunde) entlangjagen, bis sie in einem der Teilchendetektoren (mit Teilchen, die die 27-km-Röhre genau in die andere Richtung kreisen) zu kontrollierten Kollissionen gebracht werden. Die Teilchendetektoren sind so gewaltig groß, dass die gesammelten Datenmengen bei solchen Zusammenstößen immens sind. Diese werden - vereinfacht gesagt - auf einen weltweiten Rechnerfuhrpark verteilt und ausgewertet: Der Worldwide LHC Computing Grid soll mit 200.000 CPUs Rechenpower laufen.

Sämtliche Aktivitäten am CERN konzentrierten sich in den letzten Jahren auf den neuen Teilchenbeschleuniger, der in wenigen Wochen endlich in Betrieb gehen wird (endlich deshalb, weil es mehrmalige kleinere Verzögerungen gab und letztes Jahr technische Probleme das Projekt um knapp ein Jahr verzögert hatten). 7.000 Forscher in 80 Ländern werden an den wissenschaftlichen Experimenten unmittelbar beteiligt sein - am weltgrößten Messgerät der Welt.

Ausblick

Laut aktuellem Zeitplan soll im Juni der komplette 27-km-Ring auf -271,3 Grad Celius heruntergekühlt sein (im Augenblick sind die meisten der acht Sektoren noch in der Kommissionierung, laut CERN-Blog sieht alles ganz gut aus), danach sollen erste durchgängige Teilchenstrahlversuche und erste Kollissionen im Juli und August getestet werden und der Produktivbetrieb im Oktober gestartet werden. Dank Vorarbeit der Wissenschaftler der letzten 100 Jahre, inklusive Einstein, Feynman, Hawkins, Kaluza und Klein, werden wir dieses, nächstes oder in einem der kommenden Jahre mit Hilfe von CERN endlich genau Bescheid wissen, ob es noch etwas kleineres als Quarks gibt, ob das Higgs-Teilchen tatsächlich existiert, aus was die dunkle Materie genau ist, ob die Welt aus 10 oder 11 Dimensionen besteht, usw. Also geht's um genau die Themen, zu denen wir uns schon damals zu Schulzeiten (zum Beispiel in der Pause nach dem Physik-Unterricht) immer einen Kopf gemacht hatten.

Vielleicht war es das Erlebnis, dass ich Punkt 20:00 Uhr an der großen 200 m² großen Freiluft-Großleinwand auf der Expo 2000 in Hannover angekommen bin, als der Beginn der Tagesschau übertragen wurde. Quasi kurz vorher Stille, dann der Gong, und schon der Leitartikel: das menschliche Genom sei nun entschlüsselt.

Seither google ich ab und an nach den aktuellen Forschungsständen zum Thema DNA.

Seit zwei Jahren hatte ich z. B. die fixe Idee, dass die Junk-DNA (oder besser: "Nichtkodierende Desoxyribonukleinsäure") im Genom eine Art versteckte Botschaft enthalten könnte. Zum Beispiel hat das menschliche Genom 3 Mio. Basenpaare (das entspricht 750 Megabyte Informationsmenge). Über zwei Drittel davon macht die sogenannte Junk-DNA (bzw. "Nichtkodierende DNA") aus, die noch am wenigsten erforscht worden ist. Bis vor drei Jahren galt sie als über im Laufe der Evolution in der DNA stehen gebliebener Datenmüll oder auch "Gene Deserts".

Die Forschung schreitet in diesem Bereich aber wahnsinnig schnell voran und nun bin ich heute auf einen aktuellen Artikel gestoßen, der hier zu ganz anderen Erkenntnissen kommt, dass es sich hier nicht nur um Müll handelt:

'Junk' DNA now looks like powerful regulator, Stanford researcher finds

Forscher aus Stanford und Santa Cruz fanden also jüngst heraus, dass es 10.402 nahezu identische "Genetic Snippets" im menschlichen Genom gibt, die größtenteils im Bereich der Junk-DNA liegen. Diese Blöcke liegen nahe an den Genen, die in den ersten Wochen des Zellwachstums eines Lebewesens eine entscheidende Rolle spielen. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass damit die komplexe Choreographie gesteuert wird, wann die Gene zugeschaltet werden, während das Lebewesen seinen Körpergrundriss aufbaut. Insbesondere liegen die Sequenzen wohl besonders reichlich in der Nähe von den Genen, die für das Verzahnen von Zellen verantwortlich sind. Diese spielen eine entscheidende Rolle ganz früh im Leben eines Lebewesens; sie helfen den Zellen, zur richtigen Stelle zu wandern, oder bilden Organe und Gewebe in der richtigen Form.

Die Wissenschaftler haben festgestellt, dass die 10.402 Sequenzen Reste von Transposonen sind und damit wohl eine sehr nützliche Funktion haben.

Ein Transposon (umgangssprachlich: springendes Gen) ist lt. Wikipedia ein DNA-Abschnitt bestimmter Länge im Genom. Es umfasst ein oder mehrere Gene und hat die Möglichkeit seinen Ort im Genom zu verändern (Transposition). Bei DNA-Transposonen wird zwischen der konservativen Transposition und der replikativen Transposition unterschieden. Während bei der konservativen Transposition das Transposon aus der DNA herausgeschnitten und an anderer Stelle wieder eingebaut wird ("cut & paste"), wird bei der replikativen Transposition das Transposon nicht herausgeschnitten, sondern nur eine Kopie erstellt, die an anderer Stelle eingebaut wird ("copy & paste"). Bei der replikativen Transposition wird die Anzahl der Transposonen vermehrt.

Die Forscher nehmen an, dass ein Transposon langsam Mutationen ansammelt, wenn es in eine Region wandert, wo es nicht mehr benötigt wird, bis es zuletzt nicht mehr seiner ursprünglichen Sequenz ähnelt; das Genom wird "zugemüllt" mit diesen verfallenden Transposonen. Wenn ein Transposon jedoch an eine Stelle fallengelassen wird, wo es nützlich ist, hält es sich offenbar sehr nahe an der originalen Sequenz und konnte damit von Bejerano und seinem Team herausgepickt werden.

Jetzt muss von den Wissenschaftlern in Santa Cruz genauer untersucht werden, was diese Sequenzen genau machen...