Europäische Strategie

Schweizer Teilchenphysik muss über Grenzen hinweg denken

Klaus Kirch, Vorsitzender des Swiss Institute of Particle Physics CHIPP, Leiter der Teilchenphysik am Paul Scherrer Institut PSI und Physikprofessor an der ETHZ, beleuchtet in einem Autorenbeitrag die Europäische Strategie für Teilchenphysik und erläutert deren Konsequenzen aus Schweizer Sicht. Kirch betont dabei die Bedeutung des CERN-Standorts Genf für die Schweizer Teilchenphysik und plädiert für die Einrichtung einer zweiten Schweizer Professur für Beschleunigerphysik. Zugleich signalisiert er Offenheit für Diskussionen zum Projekt eines neuen Linearbeschleunigers in Japan und ruft dazu auf, international die Kräfte für ein 'long-baseline' Neutrinoexperiment zu bündeln.

Prof. Klaus Kirch, Vorsitzender CHIPP

Von Prof. Klaus Kirch, Vorsitzender CHIPP

Die europäische Teilchenphysik hat die bestehende Strategie von 2005 überarbeitet und dazu die bisherige Entwicklungen und neuesten Erkenntnisse berücksichtigt. Das CERN koordinierte dabei diesen Prozess im Auftrag seiner Mitgliedsstaaten. Begleitet wurde er von einer Strategiegruppe mit Vertretern der Mitgliedsländer und einer Vorbereitungsgruppe.

In einem ‚offenen‘ Treffen kamen im September 2012 Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker in Krakau zusammen. Offen bedeutet, dass im Prinzip jeder und jede zum Treffen eingeladen war. Vorher haben einzelne Teilchenphysiker(innen), Kollaborationen und Interessengruppen in Positionspapieren ihre Ansichten, Zukunftsprojekte und Ideen vorgestellt. Diese wurden gesammelt und öffentlich zugänglich gemacht. Die ‚Erdung‘ in Krakau war ein wichtiger Punkt im Prozess: Hier wurden „top-down“ und „bottom-up“ zusammengeführt. Nach Krakau wurden die gesammelten Eingaben gesichtet und diskutiert, bevor die Strategiegruppe in einem einwöchigen Treffen im Januar 2013 einen ersten Entwurf der überarbeiteten Strategie formulierte und diesen am Ende einstimmig guthiess.

Nachdem sich die Gemeinschaft der Teilchenphysik nochmals zum Text geäussert hatte, wurde er Ende Mai dem CERN-Rat zur Genehmigung vorgelegt. De facto ist das letztlich beschlossene Dokument annähernd mit jenem identisch, welches die Teilchenphysik in ihren Diskussionen ausgearbeitet hatte. Das ist vor allem auch dadurch möglich geworden, dass nicht einfach eine „Wunschliste“ verabschiedet wurde, sondern tatsächlich Schwerpunkte und Prioritäten gesetzt wurden, die das Notwendige und Machbare aus der Gesamtheit des Wünschenswerten heraus destillierte.

Schweiz arbeitet aktiv mit

Die Schweizer Teilchenphysik – zusammengeschlossen im ‚Swiss Institute of Particle Physics CHIPP‘ – hatte einen gemeinsamen Standpunkt in den Strategieprozess eingebracht. Darüber hinaus waren viele CHIPP-Mitglieder auch an spezifischen Eingaben zum Strategieprozess beteiligt. Im weiteren formulierte das Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation SBFI in einer politischen Richtlinie mehrere Elemente, welche der Schweizer Forschungspolitik wichtig waren. Als Schweizer Vertreter in der Strategiegruppe hatte das SBFI mich als CHIPP-Vorsitzenden bestimmt. Prof. Lenny Rivkin war als Vertreter des Schweizer Nationallabors – des Paul Scherrer Instituts PSI – dabei und gehörte als Beschleuniger-Experte auch der Vorbereitungsgruppe an. Natürlich nicht mit einem nationalen Mandat, aber trotz allem aus der Schweiz, war Prof. Tatsuya Nakada vom CERN-Rat mit der Leitung des gesamten Strategieprozesses beauftragt. Zweifellos eine schwierige Aufgabe mit grosser Verantwortung, die er in hervorragender Manier gelöst hat.

Nach der Verabschiedung der Strategie für die nächsten Jahre stellen sich jetzt die Fragen nach ihrer Umsetzung, Bedeutung und nach ihren Auswirkungen für die Schweiz und die Schweizer Teilchenphysik. CHIPP hat die Ergebnisse dem Chef des SBFI, Staatssekretär Mauro Dell’Ambrogio, vorgestellt und den Handlungsbedarf auf Schweizer Seite besprochen. An seiner diesjährigen Plenarversammlung hat sich dann CHIPP intensiv mit den Zukunftsprojekten der Schweizer Teilchenphysik und der Bedeutung der europäischen Strategie auseinandergesetzt. Eine Stellungnahme des SBFI hat uns gezeigt hat, wie ernst dort unsere Anliegen aufgenommen wurden. In vielerlei Hinsicht scheinen sich „top-down“ und „bottom-up“ gut miteinander verbunden zu haben.

Vier Topprioritäten

Das Strategiepapier der europäischen Teilchenphysik stellt zwei klare Bekenntnisse an den Anfang: das CERN-Modell als Garant für die Erhaltung der Spitzenposition europäischer Teilchenphysik und die Zusicherung, die Strategie unter Beachtung der weltweiten Entwicklungen auch in Zukunft zu überarbeiten. Beide Ziele decken sich mit langjährigen Schweizer Positionen.

Die höchste wissenschaftliche Priorität wird vier Bereichen zugesprochen:
1) Die volle Ausschöpfung des Potentials des LHC und seiner Detektoren inklusive des Luminositätsausbaus.
2) Die intensive und fokussierte Entwicklungsarbeit zu neuen Elektron-Positron und Proton-Proton-Beschleunigern für die höchsten erreichbaren Energien.
3) Die Offenheit für ein mögliches internationales Collider-Projekt in Japan.
4) Eine substantielle europäische Rolle in einem internationalen ‚long-baseline‘ Neutrinoprojekt.

Was bedeuten diese Topprioritäten für die Schweiz und die Schweizer Teilchenphysik?

Früchte des LHC ernten

Priorität 1 ist ein klares Bekenntnis zur Kontinuität und zur weiteren Nutzung der grossen Investitionen, die in den LHC und seine Detektoren getätigt wurden, die ja bereits reichlich Früchte tragen. Mit den wenigen Prozenten an Luminosität, die bisher kumuliert werden konnten, hat man schon nach kurzer Betriebszeit Erstaunliches erreicht. Aber es ist klar, dass man nach diesem guten Anfang nicht stehen bleiben wird. Es gibt noch so vieles herauszufinden und zu entdecken.

Beschleunigerphysik stärken

Priorität 2 ist ein klares Bekenntnis zum Standort Genf als Zentrum für Teilchenphysik: Europa soll beim nächsten Strategieprozess auf der Basis von fundierten Studien über Nachfolgeprojekte des LHC am CERN diskutieren und eventuell Weichen stellen können. Für die Schweiz ist es von grösstem Interesse, den Standort Genf zu erhalten – nicht zuletzt aus ökonomischen Gründen, übertrifft doch der Rückfluss an Mitteln aus dem CERN-Budget in die Schweizer Wirtschaft bei weitem den eigenen Mitgliedsbeitrag.

Klar ist damit auch, dass es ein nationales Interesse gibt, nicht nur das CERN-Labor als solches zu fördern, sondern auch vielseitige Forschungsaktivitäten in Teilchenphysik an den Schweizer Universitäten (= kantonale und eidgenössische Hochschulen) und am PSI. Dazu gehört auch die Beschleunigerentwicklung, die heute nicht mehr nur von der Teilchenphysik getrieben ist, sondern auch von den Bedürfnissen anderer Sparten: von medizinisch-therapeutischen Anwendungen bis zur Untersuchung von Strukturen von Molekülen und Materie. Auch hier ist die Schweiz mit dem PSI weltweit mit an der Spitze und kann so auch für die Teilchenphysik wieder wichtige Beiträge liefern. Im Licht der überarbeiteten Strategie der Teilchenphysik und der vielfältigen Nutzung von Beschleunigertechnologien sollte überlegt werden, die derzeit einzige Professur für Beschleunigerphysik in der Schweiz (Lenny Rivkin, PSI—EPFL) durch zumindest eine weitere Professur zu verstärken und so die entsprechende notwendige Ausbildung der nächsten Expertengeneration zu intensivieren. An dieser Stelle ist es gut, daran zu erinnern, dass auch die ECFA (European Committee for Future Accelerators) nach ihrem letzten Besuch der Schweiz neben umfassendem Lob auch die bessere Verankerung der Beschleunigerphysik an den Hochschulen angeregt hatte.

Japanisches Beschleunigerprojekt als Chance sehen

Priorität 3 ist ein klares Bekenntnis zur globalen Zusammenarbeit. Nur schlecht kann man die Welt einladen, bei einem selbst zu investieren, und gleichzeitig verwerfen, sich an Projekten anderswo zu beteiligen. Es gibt bisher nur wenige echt globale Projekte und wir sollten offen sein für solche Entwicklungen. Natürlich bestehen Interessenkonflikte, eventuell auch schon mit den Prioritäten eins und zwei. In einer Zeit sehr begrenzter finanzieller Ressourcen in vielen Ländern gilt es vorsichtig zu agieren. Auf der rein wissenschaftlichen Seite wird um das beste Vorgehen gerungen, wie und mit welchen Maschinen die Ziele erreicht werden könnten. Auf der politisch-praktischen Seite beobachten wir in Japan den interessanten Ansatz, im Zuge des Wiederaufbaus nach dem verheerenden Erdbeben und Tsunami internationale Städte entstehen zu lassen. Wäre ein Beschleunigerkomplex der fundamentalen Teilchenphysik als Teil einer solchen Investition nicht ein herausragendes Experiment globaler Zusammenarbeit? Dabei erwartet die internationale Gemeinschaft, dass Japan den Löwenanteil für eine solche Infrastrukturinvestition selbst leisten würde. Die Reaktionen in der Schweiz und im übrigen Europa reichen von Ablehnung aus Sorge um die Zukunft des CERN über Skepsis bis zu starker Unterstützung. Ich glaube, dass die europäische Strategie richtig liegt: die Absicht Japans wird begrüsst und das Land eingeladen, einen konkreteren Vorschlag zu unterbreiten. Die intensive Diskussion, auch um das ‚Ob-überhaupt‘, wird anschliessend noch folgen.

Kräfte für Neutrinoexperiment bündeln

Priorität 4 ist nicht nur ein Bekenntnis zu internationaler und globaler Zusammenarbeit in einem ‚long-baseline‘ Neutrinoexperiment, sondern sogar ein Auftrag, diese anzustreben. Drei Projekte in drei Regionen Europa, Japan und USA ringen um ihre Realisierung. Dabei ist es sicher im Interesse der Wissenschaft sinnvoller, eines der drei Experimente bestmöglich durchzuführen als alle drei im Mittelmass. Aber auch das ist schon an sich keine einfache Sache und zudem mit den ersten drei Prioritäten eng verknüpft. Klar ist auf alle Fälle für die Schweizer Gruppen, dass mit dieser klaren Aussage zur Wichtigkeit der Neutrinophysik das CERN jetzt einen Auftrag hat, ein entsprechendes Programm aufzubauen. Darin werden die Schweizer Wissenschaftler(innen) weiter eine wichtige Rolle spielen.

Stellungnahme des SBFI

In seiner Stellungnahme an der CHIPP-Plenarversammlung hat das SBFI seine Absicht einer zukünftigen Unterstützung des CERN (finanziell, organisatorisch, politisch und diplomatisch) klar dargelegt. Darüber hinaus könnten, wie auch schon in der Vergangenheit, besondere Beiträge der Schweiz an das CERN möglich sein. Das SBFI hat auch erkannt, dass die finanziellen Mittel für Beiträge Schweizer Gruppen zur vollen Ausschöpfung des LHC-Potentials, insbesondere für Instandhaltung und Verbesserung der Detektoren, die Mittel des FLARE-Programms des Schweizerischen Nationalfonds SNF deutlich übersteigen. Hier wird eine gemeinsame Anstrengung der Universitäten, des Bundes und der Institutionen der Forschungsförderung nötig sein; erfreulicherweise haben die entsprechenden Diskussionen im Hinblick auf die Forschungsbotschaft 2017-20 an das Schweizer Parlament bereits begonnen. Das SBFI hat sich auch bereit erklärt, das – nicht nur für die Teilchenphysik – wichtige ‚Distributed and High Power Computing‘ in die nationale Roadmap für Forschungsinfrastruktur aufzunehmen, falls ein entsprechendes Projekt formuliert würde.

Schweizer Stärken stärken

Das Strategiepapier hat ausser den vier Topprioritäten auch einige weitere sehr wichtige Themen benannt, u.a. die theoretische Teilchenphysik, Präzisionsexperimente bei niedrigeren Energien sowie die Detektorentwicklung und das Computing.

Die theoretische Teilchenphysik ist für viele Entwicklungen von entscheidender Bedeutung. Wie z.B. zentrale Theoriebeiträge bei der Entdeckung des Higgs-Bosons gezeigt haben, kommt neben der reinen Theorie auch den Schnittstellen zu den Experimenten grosse Bedeutung zu. Zudem wirkt die Theorie auch besonders verbindend mit benachbarten Gebieten, wie zum Beispiel der Astroteilchenphysik. Die experimentelle Astroteilchenphysik ist Teil der CHIPP-Aktivitäten, wobei insbesondere die starke Präsenz bei der Suche nach sogenannter Dunkler Materie und in der Hochenergieastrophysik mit Cerenkov-Teleskopen herauszustreichen ist. Die Finanzierung von langfristigen Beteiligungen Schweizer Gruppen an internationalen Astroteilchenphysik-Projekten und deren Infrastruktur bedingen eine Diskussion zur Erhöhung des FLARE-Volumens der kommenden Jahre, zu der offenbar das SBFI in Abstimmung mit dem SNF bereit ist.

Als CHIPP-Vorsitzender und als Leiter der PSI-Teilchenphysik freut mich der besonders hohe Stellenwert von Präzisionsexperimenten bei niedrigeren Energien in der Strategie, wo insbesondere Experimente mit einzigartigem Physikpotential, speziell an den Nationallabors, unbedingt unterstützt werden sollten. Die Schweizer Teilchenphysik hat mit den weltweit führenden Anlagen um das Ringzyklotron des PSI einen Standortvorteil, um dort mit internationalen Zusammenarbeiten einzigartige Experimente durchzuführen. Das ist aus meiner Sicht ein Potential, das wir noch konsequenter nutzen sollten. Vom enormen Standortvorteil der Schweiz als Gastland des CERN brauchen wir nicht weiter zu reden.

Innovative Detektorentwicklung und das Computing sind Schlüssel zu den Erfolgen der Teilchenphysik und auch über die Teilchenphysik hinaus. Aus diesem Grund fordert die Strategie, dass hochkarätige F&E-Programme für neue Detektoren nicht nur am CERN, sondern auch an den Nationallabors und den Universitäten durchgeführt werden. Die auch in der Schweiz starken Ingenieurfähigkeiten in all diesen Institutionen und die hohen Kompetenzen bei der Datenanalyse und beim Grid Computing sollten dabei weiter gefördert und ausgebaut werden.

Nachwuchs für Forschung und Industrie

Die Strategie wäre nicht komplett, wenn sie nicht auch Ausbildung, Öffentlichkeitsarbeit und Technologietransfer speziell erwähnen würde. Hier gibt es auch bei uns in der Schweiz grosse Verdienste im bereits Erreichten aber auch viel Potential für Verbesserungen.

An direkter Ausbildung von Studenten und Doktoranden sind alle Universitäten und das PSI beteiligt. Meist bekommen unsere Absolventinnen und Absolventen hervorragende Anschlussstellen, sei es als Postdocs an renommierten Instituten oder in der Industrie.

Unsere Öffentlichkeitsarbeit nimmt mehr und mehr Fahrt auf. An den einzelnen Instituten gibt es viele Aktionen, bei CHIPP zentral wurde im letzten Jahr mit einer Finanzierung des SBFI das Projekt ‚Verflixtes Higgs‘ gestartet, in dem unter anderem die Webseite www.teilchenphysik.ch aufgebaut wurde. Die Schweizerische Akademie der Naturwissenschaften SCNAT fördert unser ergänzendes ‚Dialog‘-Projekt, und gerade läuft auch ein vom SNF gefördertes Agora-Projekt ‚Interactions‘, das die Kommunikation der Teilchenphysik mit vielen Teilen der Gesellschaft sucht. Wir wenden uns auch immer wieder und mehr an Schulen, Schüler und Lehrer, um die Faszination und Wichtigkeit der Naturwissenschaften in der modernen Gesellschaft erfahrbar zu machen. Unsere Aufmerksamkeit muss der Nachhaltigkeit dienen und es wäre daher sehr zeitgemäss, wenn in der Projektförderung des SNF vorgeschrieben würde, einen kleinen Anteil der Mittel auch immer für Öffentlichkeitsarbeit einzusetzen.

Technologietransfer steht bei allen Institutionen hoch im Kurs, allerdings ist die wünschenswerte Vernetzung oft schwierig und scheitert an zu geringen verfügbaren Mitteln für eine Professionalisierung. Natürlich ist das Problem erkannt und der SNF misst ihm zum Beispiel bei der Einrichtung von Nationalen Forschungs-Kompetenzzentren (NCCR) einen hohen Stellenwert bei. Gerade bei den Möglichkeiten und bisherigen Spin-offs der Teilchenphysik könnte der Nutzen einer schweizweiten Koordinierung beträchtlich sein. Von CHIPP aus werden wir jedenfalls weiterhin für den Standpunkt werben, dass die Koordination der Teilchenphysik in der Schweiz, inklusive Öffentlichkeitsarbeit, Technologietransfer und Abstimmung in grossen Infrastrukturprojekten äusserst wertvoll und notwendig ist. Der Nutzen der Koordination kommt nicht nur der Teilchenphysik zu Gute. Deshalb werben wir auch weiterhin für Verständnis, dass CHIPP für solche Koordinationsaufgaben organisatorisch und finanziell unterstützt werden sollte.

Dynamik der Umsetzung

Die Europäische Strategie für Teilchenphysik ist eine Wegmarke. Ihre Umsetzung ist ein hochdynamischer Prozess. Wir befinden uns in einem Spannungsfeld zwischen schnellen Entwicklungen, Entdeckungen und Entscheidungen mit sehr langfristigen – auch finanziellen – Auswirkungen. Wir haben ein sehr spannendes nächstes Jahrzehnt vor uns und können uns auf weitere tiefe Einblicke in die fundamentalen und elementaren Prozesse unseres Universums freuen, wenn wir auch weiterhin auf eine grosse Unterstützung durch die Forschungspolitik und die Forschungsförderung zählen können.

Veröffentlicht: 23. 8. 2013

  • Prof. Klaus Kirch, Vorsitzender CHIPP
  • Das LHCb-Experiment am CERN – mit Beteiligung der ETH Lausanne und der Universität Zürich.
  • Das ATLAS-Experiment am CERN – mit Beteiligung der Universitäten Bern und Genf.
  • Das CMS-Experiment am CERN – mit Beteiligung der Universitäten Basel und Zürich, der ETH Zürich und dem Paul Scherrer Institut.
  • Prof. Klaus Kirch, Vorsitzender CHIPP1/4
  • Das LHCb-Experiment am CERN – mit Beteiligung der ETH Lausanne und der Universität Zürich.Image : CERN2/4
  • Das ATLAS-Experiment am CERN – mit Beteiligung der Universitäten Bern und Genf.Image : CERN3/4
  • Das CMS-Experiment am CERN – mit Beteiligung der Universitäten Basel und Zürich, der ETH Zürich und dem Paul Scherrer Institut.Image : CERN4/4

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