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Am LCH-Experiment beim CERN in Genf soll das legendäre Higgs-Teilchen auch "hörbar" gemacht werden

Nach dem am 20. Februar erfolgten Restart des Large Hadron Collider (LHC) beim CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) werden in dem 27 Kilometer langen Tunnelring alsbald Protonen auf 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und miteinander kollidieren. Dann dringen die CERN-Forscher in physikalische Bereiche vor, die noch nie zuvor ein Mensch beobachtet hat. Beobachten ist eine Sache - hinhören aber eine andere. Genau dies hat sich auch eine Gruppe von Teilchenphysikern, Musikern und Künstlern mit Blick auf die LHC-Experimente gedacht. Sie haben mithilfe einer speziellen Software ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die gesammelten Daten nicht nur zu visualisieren, sondern auch in Töne, sprich in Musik umwandeln lassen. Bislang haben sie nur mit simulierten Daten "komponiert." Die von ihnen angewandte Sonifikation ("Verklanglichung") hat zwar auf einigen anderen technisch-wissenschaftlichen Gebieten längst Anwendung gefunden, könnte sich aber tatsächlich als gute Ergänzung bei der Auswertung des LHC-Datenbergs erweisen.

Bunter Teilchenzoo

Was soll man von dem wirren Treiben im Teilchenzoo halten, der sich uns als unübersichtliches und artenreiches Etwas begegnet, bei dem selbst der erfahrenste Teilchenphysiker schon einmal den Überblick verlieren kann? Wie kann man Ordnung und Übersicht in die Vielfalt der kleinsten Bausteine der baryonischen Materie [1] bringen, der gewöhnlichen, leuchtenden Materie des Universums, aus denen alle chemischen Elemente aufgebaut sind? Gelingt es den Teilchenforschern jemals, alle Partikel mittels einer Theorie unter einen Hut zu bringen und einheitlich zu beschreiben?

Leicht ist ein derartiges Unterfangen nicht. Schließlich geben im Konzert der eigenwilligen Partikel mehrheitlich Solisten den Ton an. Tummeln sich auf der atomaren Ebene nur drei Repräsentanten der baryonischen Materie (Elektronen, Protonen und Neutronen), so buhlen im subatomaren Kosmos derzeit zwölf bekannte verschiedene Sub-Elementarteilchen, sechs Quarks und sechs Leptonen [2] (die sich in je drei "Familien" oder auch "Generationen" aufteilen) um Aufmerksamkeit. Auf den ersten Blick sieht es danach aus, als fristeten in jeder Familie zwei Quarks und zwei Leptonen ein subatomares Dasein. In Wahrheit jedoch gestalten sich die familiären Verhältnisse etwas komplizierter, beschreibt doch das Standardmodell der Elementarteilchenphysik die Materie im Kosmos durch acht fundamentale Objekte, die Mitglieder der ersten von drei Quark-Lepton-Familien sind. Dazu gehören die "Up- und down-Quarks", die Konstituenten der Protonen und Neutronen und natürlich das auf atomarer Ebene angesiedelte Elektron [3].

Die Exotischen

Im materiereichen Universum der Quanten sind aber auch die exotischen, nahezu masselosen und elektrisch neutralen Neutrinos [4] zuhause, die wie die Elektronen zur Familie der Leptonen gehören. Von den Feldquanten der die Wechselwirkung vermittelnden Kraftfelder sind nur das Photon und das hypothetische Graviton masselos, entsprechend der unendlichen Reichweite des Gravitationsfeldes und des elektromagnetischen Feldes.

Vielleicht erstreckt sich eine oder mehrere Ebenen unter dem Quarks-Kosmos noch das Universum der Strings [5], die laut Theorie nicht punktförmig sind, so wie wir uns Quarks und Leptonen vorstellen, sondern eine Ausdehnung in einer fadenförmigen Schlaufe (String) oder in zwei Dimensionen (Membran) besitzen.

Und womöglich gibt es da noch ein unbekanntes Teilchen, das erklären könnte, woher alle die bislang detektierten Partikel ihre Masse beziehen. Kernphysiker haben dieses hypothetische Teilchen nach seinem "Entdecker", dem britischen Physiker Peter Higgs [6] (geb. 1929), benannt. Die Frage, ob das Higgs-Teichen, das weder einen Spin noch eine Ladung hat und mit den Energiepaketen (Austauschteilchen) des Higgs-Feldes verknüpft ist, der Schlüssel zur quantenmechanischen Weisheit ist, könnten im Verlaufe der nächsten Monate und Jahre die Experimente am LHC beantworten.

Higgs als Tonträger

Da das Higgs-Boson [7] bis heute noch nicht nachgewiesen werden konnte, richten sich die Hoffnungen der Teilchenphysiker seit geraumer Zeit auf die LHC-Experimente am CERN in Genf. Ließen sich während der Suchläufe Higgs-Teilchen nachweisen, bekämen vor allem die Astrophysiker wertvolle Informationen über die Urphase des Kosmos.

Wer jedoch mithilfe der Beschleunigeranlage in Genf ein Higgs-Partikel dingfest machen will, braucht Geduld und Zuversicht. Denn obwohl jede Sekunde 600 Millionen Mal Protonen mit anderen Partikeln aufeinanderprallen, erwarten die Physiker nur einmal pro Minute ein Higgs-Teilchen. "Eine Nadel im Heuhaufen ist dagegen leichter zu finden", konstatiert Joachim Mnich [8] vom Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) nüchtern.

Gäbe sich als Folge eines Crashs ein Higgs-Teilchen tatsächlich zu erkennen, klänge dies nicht nur wie Musik in den Ohren der CERN-Physiker. Vielmehr könnte in diesem Fall das Higgs-Teilchen selbst zu einer Art "Tonträger" avancieren.

Musiklabor LHC

Es geschah vor einiger Zeit während einer Musikprobe bei Freunden, als bei der Londoner Partikelphysikerin Lily Asquith [9] die Frage aufblitzte, ob es nicht eventuell Sinn mache, die mit Supercomputern erfassten Daten am Large Hadron Collider in Genf, die primär in Form computergestützter Grafiken, Animationen respektive mit Feynman-Diagrammen [10] visualisiert werden, in akustische Signale umzuwandeln. Warum sollte man nicht einfach jedes Ereignis im LHC, jede erfolgte Kollision Quant für Quant in Töne transformieren und daraus Byte für Byte eine Tonfolge generieren? Die dabei entstehenden Melodien folgen zwar keiner Tonleiter, könnten aber, obwohl chromatisch, in der Tat jeder anderen kosmischen Sphärenmusik zur Ehre gereichen - und das sogar im Dienst der Wissenschaft.

Bereits kurze Zeit später stellte Asquith ein Team [11] zusammen und gab ihrem Kind einen Namen: LHCsound.com [12]. Es war weniger dafür angedacht, für das Großprojekt in Genf zu werben und Interesse zu wecken, sondern sollte vielmehr einen wissenschaftlichen und künstlerischen Zweck verfolgen:

Das LHC-Sound-Projekt besteht aus einer wachsenden Gruppe von Partikel-Physikern, Musikern und Künstlern. Unser Ziel ist, die gesammelten Daten vom ATLAS-Experiment am LHC in Musik umzuwandeln.

Lily Asquith

Obwohl die Menschen ihren Augen mehr trauen als ihrem Gehör, seien unsere Ohren eben doch in der Lage, kleinste klangliche Veränderungen und sich neu anordnende Strukturen besser und schneller wahrzunehmen als unsere Augen, so Asquith. "Unsere Ohren sind hervorragende Detektoren."

LHCsound.com

Um dem LHC-Wunderwerk Töne zu entlocken, müssen während eines Experiments die ständig eintreffenden Messdaten entsprechend gefiltert und in Töne und Rhythmen übersetzen werden. Zu diesem Zweck ordnet eine spezielle, neu entwickelte Software den Energieniveaus auftreffender Teilchen einzelne Noten zu. Dabei werden die einzelnen Töne entsprechend ihrer Entfernung vom Mittelpunkt des Detektors abgespielt. Hierzu Lily Asquith:

Wenn die Energie in Ihrer Nähe ist, hören sie einen niedrigen Ton, und wenn sie weiter weg, hören Sie einen höheren Ton", so. [...] Wenn es sehr viel Energie ist, wird es lauter, und wenn es nur ein wenig Energie ist, wird es ruhiger.

Lily Asquith gegenüber BBC News [13]

Für die Messung der Energieeffizienz kommt ein Instrument des ATLAS-Experiments am LHC zum Einsatz: der so genannte Kalorimeter [14]. Er besteht aus acht konzentrischen Schichten, und jede dieser Schichten wird mit einer Note dargestellt [15], wobei sich ihre Tonhöhe je nach der Energiemenge unterscheidet, die in dieser Schicht abgeschieden wird.

Mit dieser Methode könnten die Projektwissenschaftler später einmal sogar, so hoffen Asquith und ihr Team, den mysteriösen Higgs-Teilchen [16] eine signifikante Melodie zuordnen. Denn sollte eines Tages im LHC die charakteristische Higgs-Melodie ertönen, wäre dies ein direkter Hinweis darauf, dass ein "Gottesteilchen" in die Falle gegangen ist. Für die Higgs-Spezialistin Asquith wäre dies das Nonplusultra.

Wie die verschiedenen Sounds im CERN alsbald klingen könnten, haben die Forscher um Asquith mit ihrer CDP-Software [17] bislang nur in der Theorie proben können. Beruhend auf Prognosen, was bei Kollisionen während des ATLAS-Experiments geschehen könnte, haben sie bisher nur eine Reihe von Simulationen durchgeführt - mehr nicht. "Bislang haben wir mit den Daten nur gespielt und uns ausgemalt wie Higgs-Bosonen klingen könnten", gesteht Asquith.

Da das LHC am 20. Februar seinen Restart [18] zelebrierte, können sie in absehbarer Zeit die Probe aufs Exempel machen und den aufgezeichneten Messwerten etwas Musikalisches entlocken.

Für den professionellen Flötisten und Komponisten Richard Dobson [19], der an dem LHCsound-Projekt teilnimmt, klangen die bisherigen Simulationen tatsächlich ein wenig wie Zukunftsmusik:

Wir können klare Strukturen aus dem Sound heraushören, es ist fast so, als wäre es eine Komposition. Die Partikel scheinen sich gegenseitig eine kleine Geschichte zu erzählen. Sie sind so dynamisch und wechseln die ganze Zeit, es klingt größtenteils wie Musik, die wir aus zeitgenössischen Kompositionen kennen.

Sollte sich das LHC-Sound-Projekt bewähren, stünde den Teilchenforschern in Zukunft neben dem konventionell visuell geprägten Detektionsverfahren noch eine weitere Option zur Verfügung, um Datenberge schneller abzutragen und insbesondere die schwer detektierbaren Higgs-Bosonen rechtzeitig zu dokumentieren.

Prinzip Sonifikation

Die Idee, wissenschaftliche quantitative Daten nicht nur via Grafik oder Computersimulation zu visualisieren, sondern auch akustisch umzusetzen, ist schon etwas älter. Die historischen Wurzeln der so genannten Sonifikation ("Verklanglichung") reichen zurück bis zu Pythagoras von Samos [20] (570-510 v. Chr.), der mithilfe eines einsaitigen Monochords [21] den Zusammenhang zwischen Saitenlänge und Tonhöhe zu beschreiben versuchte. Damals konstatrierte der griechische Philosoph und Vorsokratiker, dass bei der Halbierung der Saite der entstehende Ton um eine Oktave erhöht und die Frequenz zugleich verdoppelt wird. Hieraus folgerte Pythagoras, dass die Proportionen und Intervalle, aber auch die Töne und Zahlen untrennbar miteinander verknüpft und daher die Naturgesetze von einer bestimmten Harmonie beseelt sein müssten.

Aber erst als Alexander Graham Bell [22] 1876 das Telefon modifizierte und Thomas Alva Edison [23] 1878 den ersten Phonographen entwickelte, als Daten erstmals gespeichert und übertragen werden konnten, wurden zugleich die Grundlagen für heutige "Sonifikationen" gelegt.

Prinzipiell können fast alle wissenschaftlichen Daten "verklanglicht" werden. Schließlich lassen sich bei vielen Beobachtungen und Experimenten quantitative Datenströme gezielt in Audiosignale transformieren, unabhängig davon, ob diese nur dazu dienen, Unhörbares aus wissenschaftlichen oder künstlerischen Interesse hörbar zu machen oder daraus direkt neue Kenntnisse zu gewinnen.

Sonifikation und Anwendungsgebiete

Ausgehend von der Überlegung, dass der menschliche Hörsinn in bestimmten Situationen ein höheres Potenzial als der Sehsinn hat, zumindest dazu beitragen kann, bestimmte Strukturen und Trends zu erfassen sowie zusätzliche Informationen zu vermitteln, nutzen [24] Forscher verschiedenster Fachdisziplinen, Ingenieure oder Künstler die Sonifikation als ergänzendes Verfahren zur Visualisierung [25].

Eines der fraglos ältesten technischen Geräte, das Informationen in akustische Signale umwandelt, ist der Geigerzähler, der auch heute noch das Vorhandensein ionisierender Strahlung mit dem bekannten charakteristischen Knistern und Knattern kommentiert. Aber auch Sonaranlagen, sprich Echolote nutzen das Prinzip der Sonifikation. Wenn die von ihnen ausgesandten Schallwellen auf ein Hindernis treffen und reflektiert werden, quittieren sie dies mit einem eigentümlichen hohen Piepsen. Ein ähnliches Geräusch vernehmen auch hin und wieder Autofahrer beim Einparken, sofern ihr PKW über einen elektronischen Abstandsmelder verfügt. Eine noch größere Rolle spielt die "Verklanglichung" von Informationen in der Luftfahrt, insbesondere bei Anti-Kollisions-Systemen. Für den Fall, dass eine Verkehrsmaschine außer Kurs gerät und sich einem festen Objekt (Berg oder anderes Flugzeug) nähert, macht sich das Anti-Kollision-System mit einem lauten Alarmsignal und einem verbalen Warnhinweis bemerkbar.

Weitere wichtige Anwendungsfelder finden sich auch in der Medizin bei schalldiagnostischen Verfahren, in der Sonnenforschung, in der Seismologie [26], in der Biologie, wo die die DNA-Sequenz als Tonfolge dargestellt wird, in der Musik, Erziehung, Medienkunst und noch in vielen anderen Bereichen [27] des Lebens.

Fallbeispiel Astronomie-Raumfahrt Heute ist es vor allem in der Astronomie gang und gäbe, im Computerexperiment unsichtbare elektromagnetische Wellen und Partikelströme bildlich darzustellen - entweder als schlichte Grafik oder aufwändige Computersimulation. So plädiert der deutsche Pianist und Astrofotograf Paul Hombach [28] offen dafür, astronomische Daten grundsätzlich zu vertonen:

Das können z.B. Zahlenwerte aus der Planetenbewegung sein, etwa die Helligkeit des Planeten und seine Position am Himmel, oder die Termine von bestimmten Himmelsereignissen. Die Idee ist, solchen Zahlen Klänge oder Rhythmen zuzuordnen, um astronomische Zusammenhänge nicht nur zu veranschaulichen, sondern quasi zu veran-hör-lichen.

Paul Hombach [29]

Dass Raumfahrt und Astronomie sich bisweilen auf musikalischer Weise Ebene begegnen können, demonstriert das Beispiel der japanischen Mondmission Selene [30] (Selenological and Engineering Explorer). Von 2007 bis 2009 observierte der Mondorbiter der japanischen Raumfahrtagentur JAXA [31] den Erdtrabanten und sammelte schwerpunktmäßig Daten über die mineralogische und geologische Zusammensetzung sowie Topographie des Mondes.

Doch die findigen Japaner begnügten sich nicht allein damit, die gesammelten topografischen Bit und Bytes zu visualisieren. Vielmehr entwickelten sie eine Software mit dem vielsagenden Namen Moonbell [32], die alle Kartierungsdaten Bit für Bit in Töne transformiert und Byte für Byte eine Tonfolge generiert, indem sie eine Strecke auf dem Mond abfährt und jeden Höhenunterschied bzw. größere Unebenheit mit einem bestimmten Ton von zwölf möglichen Tönen versieht.

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Links in diesem Artikel:
[1] http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_b.html
[2] http://www.atlas.uni-wuppertal.de/oeffentlichkeit/Leptonen.html
[3] http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Elektron.html
[4] http://www.solstice.de/grundl_d_tph/sm_et/sm_et_lep3.html
[5] http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/view-witten.html
[6] http://www2.ph.ed.ac.uk/peter-higgs/
[7] http://www.br-online.de/br-alpha/alpha-centauri/alpha-centauri-higgs-teilchen-2005-ID1207916984891.xml
[8] http://www.desy.de/ueber_desy/direktorium/joachim_mnich/index_ger.html
[9] http://www.hep.ucl.ac.uk/~lily/
[10] http://www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2010/10/wie-funktionieren-feymandiagramme.php
[11] http://www.lhcsound.moonfruit.com/#/whoweare/4540406511
[12] http://www.lhcsound.com
[13] http://www.bbc.co.uk/news/10385675
[14] http://cms.web.cern.ch/cms/Detector/ECAL/index.html
[15] http://lhcsound.hep.ucl.ac.uk/page_sounds_collisions/Collisions.html
[16] http://www.weltderphysik.de/de/933.php
[17] http://lhcsound.wordpress.com/
[18] http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=news2011
[19] http://uk.linkedin.com/pub/richard-dobson/22/46b/15
[20] http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Pythagoras.html
[21] http://www.deutsches-museum.de/ausstellungen/musikinstrumente/workshops/monochord/
[22] http://www.alexandergrahambell.org/
[23] http://www.thomasedison.com/
[24] http://www.jaxa.jp/index_e.html
[25] http://sonification.de/publications/paper-media
[26] http://geol43.uni-graz.at/06W/GEO521/seismologie.html
[27] http://www.icad.org/websiteV2.0/References/nsf.html
[28] http://www.paulhombach.de/
[29] http://www.paulhombach.de/sonifikation.html
[30] http://www.bernd-leitenberger.de/selene.shtml
[31] http://www.jaxa.jp/index_e.html
[32] http://wms.selene.jaxa.jp/selene_sok/index_en.html
[33] http://www.pointblankonline.net/learn-music-production-online.phpist
[34] http://www.synthgear.com/2010/music-misc/remix-large-hadron-collider/
[35] http://lhcsound.hep.ucl.ac.uk/page_library/SoundsLibrary.html
[36] http://www.youtube.com/watch?v=BdaF4WuD_Js

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