Die Suche nach Antworten auf die offenen Fragen (wie etwa, welche fundamentalen Teilchen die Dunkle Materie bilden, warum Materie das Universum dominiert und warum Materie-Antimaterie-Asymmetrie besteht, was das Kraftteilchen für Gravitation, Dunkle Energie, Neutrinomasse usw. ist), die das Standardmodell nicht beantworten kann, erfordert möglicherweise einen Blick über das Standardmodell hinaus. Es gilt, die mögliche Existenz neuer, leichterer Teilchen zu erforschen, die sehr schwach mit den Teilchen des Standardmodells wechselwirken, sowie die Existenz neuer, schwererer Teilchen zu untersuchen, die jenseits der Reichweite des bestehenden LHC liegen. Der geplante Future Circular Collider (FCC) würde die Suche nach solchen fundamentalen Teilchen jenseits des Standardmodells ermöglichen. Der CERN-Rat hat den Bericht zur Machbarkeitsstudie des FCC geprüft. Eine endgültige Entscheidung des CERN-Rats über den Bau des FCC wird um 2028 erwartet. Bei Genehmigung könnte der Bau des FCC in den 2030er Jahren beginnen. Er wird einen Umfang von etwa 100 km haben und etwa 200 Meter unter der Erde in der Nähe des LHC bei Genf errichtet werden. Der FCC wird den Large Hadron Collider (LHC) ablösen, dessen Betrieb 2041 eingestellt wird. Der FCC wird in zwei Phasen realisiert. Die erste Phase, FCC-ee, ist ein Elektron-Positron-Collider für Präzisionsmessungen zur Suche nach leichteren Teilchen und bietet ab Ende der 2040er-Jahre ein 15-jähriges Forschungsprogramm. Nach Abschluss dieser Phase wird im selben Tunnel eine zweite Maschine, der FCC-hh (Hochenergie-Collider), in Betrieb genommen. Die zweite Phase zielt darauf ab, Kollisionsenergien von 100 TeV (deutlich höher als die 13 TeV des LHC) zu erreichen, um nach schwereren Teilchen zu suchen. Diese Phase wird in den 2070er-Jahren in Betrieb gehen und bis zum Ende des 21. Jahrhunderts laufen.
Am 6. und 7. November 2025 überprüfte der CERN-Rat (bestehend aus Delegierten der Mitglieds- und assoziierten Mitgliedstaaten des CERN) die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie für den vorgeschlagenen Future Circular Collider (FCC).
Zuvor hatte das CERN in Zusammenarbeit mit Institutionen in den Mitglieds- und assoziierten Mitgliedstaaten sowie darüber hinaus eine Machbarkeitsstudie für einen zukünftigen Ringbeschleuniger (Future Circular Collider, FCC) durchgeführt. Der Bericht wurde am 31. März 2025 veröffentlicht und von den nachgeordneten Gremien des CERN-Rats geprüft. Auch unabhängige Expertengremien begutachteten den Bericht und kamen zu dem Schluss, dass der FCC auf Grundlage der vorgelegten Dokumentation technisch machbar erscheint.
Die Delegierten des CERN-Rats haben den Bericht zur Machbarkeitsstudie des FCC am 6. und 7. November 2025 in einer Sondersitzung geprüft und sind zu dem Schluss gekommen, dass die Studie die Grundlage für die Fortsetzung der FCC-Studien bildet. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einer möglichen Genehmigung des FCC durch den CERN-Rat im Mai 2026, wenn alle Empfehlungen zur Prüfung vorgelegt werden. Eine endgültige Entscheidung des CERN-Rats über den Bau des FCC wird um das Jahr 2028 erwartet.
Der Future Circular Collider (FCC) ist einer der vorgeschlagenen Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation am CERN. Er soll den Large Hadron Collider (LHC) ablösen, dessen Betrieb im Jahr 2041 eingestellt wird. Das CERN arbeitet derzeit an der Auswahl des Nachfolgers des LHC, dem aktuellen Arbeitspferd des CERN.
Der 2008 in Betrieb genommene Large Hadron Collider (LHC) ist ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger mit einem Umfang von 27 km, der sich 100 m unter der Erde nahe Genf befindet. Er ist derzeit der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt und erzeugt Kollisionen mit einer Energie von 13 Teraelektronenvolt (TeV), der höchsten Energie, die bisher von einem Beschleuniger erreicht wurde. Er beschleunigt Hadronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und lässt sie dann unter Bedingungen kollidieren, die denen des frühen Universums ähneln.
| Teilchenbeschleuniger/Collider sind Fenster zum sehr frühen Universum |
| Der Begriff „frühes Universum“ bezeichnet die früheste Phase des Universums (die ersten drei Minuten unmittelbar nach dem Urknall), als es extrem heiß war und das Universum vollständig von Strahlung dominiert wurde. Die Planck-Ära ist die erste Epoche des Strahlungszeitalters, die vom Urknall bis zum 10. Jahrhundert andauerte.-43 s. Bei einer Temperatur von 1032 In der Planck-Ära war das Universum extrem heiß. Auf die Planck-Ära folgten die Quark-, Lepton- und Kernära; alle waren kurzlebig, aber durch extrem hohe Temperaturen gekennzeichnet, die mit der Expansion des Universums allmählich abnahmen. Die direkte Erforschung dieser frühesten Phase des Universums ist nicht möglich. Was jedoch möglich ist, ist, die Bedingungen dieser Phase in Teilchenbeschleunigern nachzubilden. Die durch Teilchenkollisionen in Beschleunigern erzeugten Daten bieten einen indirekten Einblick in das frühe Universum. Collider sind sehr wichtige Forschungsinstrumente in der Teilchenphysik. Es handelt sich dabei um ringförmige oder lineare Maschinen, die Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und sie mit einem anderen, aus entgegengesetzter Richtung kommenden Teilchen oder mit einem Ziel kollidieren lassen. Die Kollisionen erzeugen extrem hohe Temperaturen im Bereich von Billionen Kelvin (ähnlich den Bedingungen in den frühesten Epochen des Strahlungszeitalters). Die Energien der kollidierenden Teilchen addieren sich, daher ist die Kollisionsenergie höher. Kollisionsenergie wird gemäß der Masse-Energie-Symmetrie in Materie in Form von Teilchen umgewandelt, die bereits im frühen Universum existierten. Wenn beispielsweise subatomare Teilchen wie Elektronen mit ihren Antiteilchen, den Positronen, kollidieren, vernichten sich Materie und Antimaterie, und Energie wird freigesetzt. Aus dieser freigesetzten Energie kondensieren verschiedene neue Elementarteilchen. Zu diesen neuen Teilchen könnten Higgs-Bosonen oder Top-Quarks gehören – sehr schwere subatomare Bausteine der Materie. Möglicherweise entstehen auch Dunkle-Materie-Teilchen und supersymmetrische Teilchen, die es noch zu entdecken gilt. Solche Wechselwirkungen hochenergetischer Teilchen unter den Bedingungen des frühen Universums eröffnen uns Einblicke in die sonst unzugängliche Welt jener Zeit. Die Analyse der Kollisionsprodukte erweitert unser Verständnis fundamentaler Teilchen und ermöglicht es uns, die grundlegenden Gesetze der Physik zu verstehen. Teilchenbeschleuniger dienen als Forschungsinstrumente zur Untersuchung des frühen Universums. Hadronen-Collider (insbesondere der Large Hadron Collider (LHC) am CERN) und Elektron-Positron-Collider spielen eine führende Rolle bei der Erforschung des frühen Universums. Die ATLAS- und CMS-Experimente am LHC führten 2012 zur Entdeckung des Higgs-Bosons. (Quelle: Teilchenbeschleuniger zur Erforschung des „sehr frühen Universums“: Myonenbeschleuniger demonstriert) |
Der High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) des CERN wird die Leistungsfähigkeit des LHC durch eine höhere Anzahl von Kollisionen steigern und so die detailliertere Untersuchung bekannter Mechanismen ermöglichen. Er wird voraussichtlich 2029 in Betrieb gehen.
Der geplante Future Circular Collider (FCC) wäre ein leistungsstärkerer Teilchenbeschleuniger als der Large Hadron Collider (LHC). Er soll die Existenz neuer, schwererer Teilchen erforschen, die jenseits der Reichweite des LHC liegen, sowie die Existenz leichterer Teilchen, die nur sehr schwach mit Teilchen des Standardmodells wechselwirken. Der FCC hätte einen Umfang von etwa 100 km und würde sich in etwa 200 Metern Tiefe in der Nähe des LHC befinden. Bei Genehmigung könnte der Bau des FCC in den 2030er Jahren beginnen.
Das FCC-Projekt wird in zwei Phasen realisiert. Die erste Phase, FCC-ee, ist ein Elektron-Positron-Collider für Präzisionsmessungen. Er bietet ein 15-jähriges Forschungsprogramm ab Ende der 2040er Jahre. Nach Abschluss dieser Phase wird im selben Tunnel eine zweite Anlage, FCC-hh (Hochenergie), in Betrieb genommen. Ziel ist es, Kollisionsenergien von 100 TeV zwischen kollidierenden Hadronen (Protonen) und schweren Ionen zu erreichen. FCC-hh wird in den 2070er Jahren in Betrieb gehen und bis zum Ende des 21. Jahrhunderts laufen.
Wozu wird die FCC benötigt? Welchem Zweck dient sie?
Das gesamte beobachtbare Universum, einschließlich der baryonischen Materie, aus der wir alle bestehen, macht nur 4.9 % des Masse-Energie-Inhalts des Universums aus. Die unsichtbare Dunkle Materie hingegen macht bis zu 26.8 % aus (während die restlichen 68.3 % des Masse-Energie-Inhalts des Universums aus Dunkler Energie bestehen). Was Dunkle Materie wirklich ist, ist unbekannt. Das Standardmodell der Teilchenphysik kennt keine fundamentalen Teilchen mit den Eigenschaften, die für Dunkle Materie notwendig wären. Man vermutet, dass es sich um „supersymmetrische Teilchen“ handeln könnte, die Partner der Teilchen im Standardmodell sind. Oder es existiert vielleicht eine Parallelwelt der Dunklen Materie. WIMPs (Schwach wechselwirkende massive Teilchen), Axionen oder sterile Neutrinos sind hypothetische Teilchen „jenseits des Standardmodells“ und vielversprechende Kandidaten. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, solche Teilchen nachzuweisen. Es gibt viele weitere offene Fragen (wie die Materie-Antimaterie-Asymmetrie, die Gravitation, die Dunkle Energie, die Neutrinomassen usw.), die das Standardmodell nicht beantworten kann. Auch die Rolle des Higgs-Feldes in der Entwicklung des Universums wurde nach der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 durch die ATLAS- und CMS-Experimente am Large Hadron Collider (LHC) diskutiert.
Die möglichen Antworten auf die oben genannten offenen Fragen liegen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Es ist notwendig, die Existenz neuer, leichterer Teilchen zu erforschen, die sehr schwach mit den Teilchen des Standardmodells wechselwirken. Dies erfordert eine umfangreiche Datenerfassung und eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber den Signalen der Produktion solcher Teilchen. Dies ist Gegenstand der ersten Phase des FCC, FCC-ee (Präzisionsmessung). Ebenso wichtig ist die Erforschung der Existenz neuer, schwererer Teilchen, wofür Hochenergieanlagen benötigt werden. Die zweite Phase des FCC, FCC-hh (Hochenergie), zielt darauf ab, Kollisionsenergien von 100 TeV zu erreichen (deutlich höher als die 13 TeV des LHC). Hinsichtlich der Form des Elektron-Positron-Colliders (e+e-) der ersten Phase wurde die kreisförmige Form (gegenüber der linearen) bevorzugt, da sie eine höhere Luminosität und bis zu vier Experimente ermöglicht und die Infrastruktur für den nachfolgenden Hochenergie-Hadronen-Collider der zweiten Phase bietet.
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Literaturverzeichnis:
- CERN. Pressemitteilung – Der CERN-Rat prüft die Machbarkeitsstudie für einen Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation. 10. November 2025. Verfügbar unter: https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- CERN. Pressemitteilung – CERN veröffentlicht Bericht zur Machbarkeit eines möglichen zukünftigen Ringbeschleunigers. 31. März 2025. Verfügbar unter: https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- Die Machbarkeitsstudie für den zukünftigen Ringbeschleuniger ist nun abgeschlossen. https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- Zukünftiger Circular Collider https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC: Der physikalische Fall. 27. März 2024. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
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Einige Lehrvideos zur FCC:
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 that the Standard Model cannot address, one may need to look beyond the Standard Model of particle physics and explore the possible existence of new, lighter particles that interact very weakly with Standard Model particles, as well as explore the existence of new, heavier particles beyond the reach of existing LHC facility. The proposed Future Circular Collider (FCC) would make it possible to search for the existence of such fundamental particles beyond the Standard Model.){kind=link}