Folge 10: Was die Welt im Innersten zusammenhält. Der Teilchenphysik auf der Spur

Shownotes

Mehr zum Thema unter folgenden Links: Forschungspofil der Johannes Gutenberg-Universität Mainz Exzellenzcluster PRISMA+ Lichtenberg Research Group Institute of Physics; ETAP | Experimental Particle and Astroparticle Physics Forschungspodcast

Moderator: Daniel Reißmann Musik: "The Nation" by Northern Points (premiumbeat.com) "Minimal Investigative Report" by High Street Music (premiumbeat.com)

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„Was die Welt im Innersten zusammenhält. Der Teilchenphysik auf der Spur. “

mit Prof. Dr. Matthias Schott

Autor

Was hält die Welt im Innersten zusammen? Woraus besteht all das, was wir sind und was uns umgibt? Diese großen Fragen kann man auf unterschiedliche Weise beantworten. Wir wollen uns diesen Themen heute mal von der naturwissenschaftlichen Seite nähern. Und zwar mittels der Teilchenphysik. Ein Gebiet, mit dem viele im Alltag vermutlich nichts zu tun haben. Aber trotzdem ist einigen bestimmt das CERN ein Begriff. Wenn man davon schon gehört hat, hat man jetzt sicherlich ein Bild eines langen Tunnels mit einem Teilchenbeschleuniger vor seinem inneren Auge und weiß, dass dort geforscht wird. Doch was verbirgt sich dahinter und was genau wird am CERN erforscht? Außerdem schauen wir darauf, welche Forschung im Bereich der Teilchenphysik an der Uni Mainz stattfindet und auf welche Neuerung sich die Mitarbeiter: innen des Fachbereichs schon sehr freuen. In dem Zusammenhang wollen wir auch auf das enorm wichtige und große Exzellenzcluster PRISMA+ schauen und herausfinden, warum es für die Arbeit der Wissenschaftler:innen so unabdingbar ist.

Was hält die Welt im Innersten zusammen? Woraus besteht all das, was wir sind und was uns umgibt? Diese großen Fragen kann man auf unterschiedliche Weise beantworten. Wir wollen uns diesen Themen heute mal von der naturwissenschaftlichen Seite nähern. Und zwar mittels der Teilchenphysik. Ein Gebiet, mit dem viele im Alltag vermutlich nichts zu tun haben. Aber trotzdem ist einigen bestimmt das CERN ein Begriff. Wenn man davon schon gehört hat, hat man jetzt sicherlich ein Bild eines langen Tunnels mit einem Teilchenbeschleuniger vor seinem inneren Auge und weiß, dass dort geforscht wird. Doch was verbirgt sich dahinter und was genau wird am CERN erforscht? Außerdem schauen wir darauf, welche Forschung im Bereich der Teilchenphysik an der Uni Mainz stattfindet und auf welche Neuerung sich die Mitarbeiter: Ein Forschungspodcast der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Herzlich willkommen zu dieser Podcast-Folge. Ich freue mich, dass ich Sie auch dieses Mal begrüßen darf. Ich heiße Daniel Reißmann und ich bin der Gastgeber dieser Forschungs-Podcast-Reihe. Gemeinsam tauchen wir in wissenschaftliche Themen und Fragestellungen ein, denn da gibt es unglaublich viel Spannendes, Wissenswertes und Dinge zum Staunen zu erfahren. Außerdem möchte ich Ihnen durch diese Podcast-Reihe zeigen, an welchen Themen und Fragestellungen Wissenschaftler: innen der JGU forschen Da ich selbst bei den allermeisten Themen nur Laie bin, lade ich mir in jeder Podcast-Folge eine Wissenschaftlerin / einen Wissenschaftler der JGU ein, um mit ihnen über ihre Arbeit und ihre Forschung zu sprechen. So auch in dieser Folge.

Ich musste auf meinen Physiklehrer warten und vor dem Klassenraum war ein Poster aufgehängt vom Forschungszentrum CERN. Und ich hab mir das Poster durchgelesen und sagte mir: “Da will ich arbeiten.“ Und dann, viele Jahre später habe ich dann da gearbeitet. Es war ein langer Weg mit vielen Hochs und Tiefs, aber am Ende hat’s geklappt.

Ich musste auf meinen Physiklehrer warten und vor dem Klassenraum war ein Poster aufgehängt vom Forschungszentrum CERN. Und ich hab mir das Poster durchgelesen und sagte mir: Reißmann

Ich musste auf meinen Physiklehrer warten und vor dem Klassenraum war ein Poster aufgehängt vom Forschungszentrum CERN. Und ich hab mir das Poster durchgelesen und sagte mir: Schott

Nach meinem Diplom, das ich noch in der theoretischen Physik gemacht habe, war ich erst mal bei einer Unternehmensberatung für einige Wochen. Ich muss ehrlich sagen, ich hatte das schon vollkommen vergessen, das mit CERN aus der Schule, dass ich das schon machen wollte, und habe mir dann überlegt: „Okay, wenn du jetzt nicht nochmal die Gelegenheit ergreifen willst, ans CERN zu gehen, dann musst du es für deine Doktorarbeit machen. Dann habe ich einfach gegoogelt, welche Arbeitsgruppe am CERN arbeitet in Bayern und das Nächste was ich gefunden habe, war München. Ich hab München angeschrieben, ob sie noch einen Doktoranden suchen. Und ich hatte Glück, die suchten noch einen. Dann bin ich nach München gegangen und habe dort dann für drei Jahre promoviert, an dem Experiment, an dem ich heute auch noch arbeite und zwar ist das eines von den CERN-Experimenten. Und nach der Doktorarbeit ging es dann weiter. Erstmal mit einer Stelle am CERN und die Chance, dass man das bekommt, ist nicht so groß. Aber ich hatte einfach Glück. Und dann kam das Angebot und dann hat mich das auch nicht mehr losgelassen. Bis ich 2012 dieses Angebot bekommen habe, nach Mainz zu kommen als Professor. Und seitdem bin ich hier in Mainz.

Also die grundlegende Frage, die wir versuchen zu beantworten, ist im Großen und Ganzen, aus was das Universum besteht, also aus was wir alle bestehen und welche Kräfte es gibt zwischen diesen fundamentalen Teilchen. Das ist so die grundlegende Frage. Ein bisschen philosophischer formuliert ist die Frage: „Woher kommen wir? Was ist der Kern von alldem? Und wie können wir möglichst einfach die Welt, die wir sehen, beschreiben?“ Und das macht im Großen und Ganzen die Teilchenphysik. Und da hat sich natürlich sehr viel getan in den letzten Jahrhunderten. Es ging los mit den ersten Elementarteilchen, von denen man dachte, das sind Elementarteilchen, sprich Protonen, Neutronen und Elektronen. Also im Prinzip ist das Chemie, da können Sie mit Protonen und Neutronen Atomkerne aufbauen. Dann klatschen Sie noch ein paar Elektronen dran. Dann haben Sie ein Atom. Und wenn Sie Atome haben, können Sie ganz einfach alle anderen Moleküle aufbauen, die wir sehen. Und seit den 50er, 60er Jahren aus dem letzten Jahrhundert wissen wir, dass die Protonen und Neutronen auch nicht fundamentale Bestandteile sind, sondern noch Bestandteile haben, aus dem sie zusammengesetzt sind und die nennen wir Quarks. Dann haben wir schon mal im Prinzip die Hauptbestandteile von der Welt, die wir sehen. Das sind zwei Quark-Typen, „up“ und „down“ nannten wir die, oder auch das Elektron und dann haben wir im Prinzip alles fertig. Und aus irgendwelchen Gründen gibt es noch deutlich mehr Teilchen als die. Und warum dem so ist, das wissen wir nicht. Und wie die genau miteinander wechselwirken, das versuchen wir herauszubekommen.

Der Teilchenphysiker würde sagen: „Ja“. Also im Prinzip ist unsere Annahme, dass wir mit unseren Modellen, die wir haben, alles beschreiben können, was Sie hier sehen. In der Realität ist das natürlich nicht möglich, weil die Realität viel, viel zu komplex ist. Wir glauben schon, dass wir im Prinzip alle Naturgesetze, die wir kennen, auf die fundamentalen Gesetzmäßigkeiten der Teilchenphysik reduzieren können. Mit Ausnahme der Gravitation. Das ist eine lange Geschichte. Aber, im Großen und Ganzen glauben wir wirklich, alles darauf reduzieren zu können. Das soll nun nicht heißen, dass die anderen Naturwissenschaften keine Berechtigung hätten, da zu sein. Das liegt einfach daran, dass wir als Physiker nur sehr wenige Spezialfälle berechnen können. Und für den Rest braucht man dann approximative Modelle, wie zum Beispiel die komplette Chemie. Also wir glauben, dass wir im Prinzip schon alles wissen, was wir da haben, aber wir können das eben nicht so lösen, dass man da Vorhersagen machen könnte, und das überlassen wir den Chemikern zum Beispiel.

Der Teilchenphysiker würde sagen: Reißmann

Der Teilchenphysiker würde sagen: Jetzt habe ich in der Vorbereitung gesehen, dass es die experimentelle Teilchenphysik und theoretische gibt. Vielleicht können Sie mal umreißen, was die Unterschiede auch vielleicht im Alltag von Forschenden sind, die sich mit dem oder mit diesem Gebiet beschäftigen.

Der Teilchenphysiker würde sagen: Schott

Der Teilchenphysiker würde sagen: Wenn man sich das überlegt, ist das eigentlich wunderschön, wie Wissenschaft sein sollte. Es gibt Leute, die überlegen sich Modelle, die machen Vorhersagen in diesen Modellen. Und dann gibt es Experimentalphysiker, also Experimentatoren, die sich überlegen, wie können wir diese Vorhersagen testen. Ein Test ist nur eine Sache. Wir testen das, dann verifizieren wir vielleicht oder falsifizieren wir das Modell. Und wir bekommen durch unser Experiment neue Einsichten in die Natur. Und dann geht das wieder zurück an die Kollegen aus der Theorie. Die gucken sich die experimentellen Resultate an, versuchen dann im Prinzip daraus zu schließen, wie müssen wir unsere Modelle ändern, verbessern, so dass die experimentellen Beobachtungen abgebildet werden. Im Prinzip ist es so, dass die theoretischen Kollegen sich Modelle überlegen und die Experimental-Physiker sich überlegen, wie wir Modelle testen können. Oder, und das ist, glaube ich, relativ neu, da wir doch momentan nicht genau wissen, wo wir was Neues finden, überlegen wir uns in der Experimental-Physik auch Ansätze, wo wir ein bisschen losgelöst von theoretischen Vorhersagen nach Effekten suchen, wo wir glauben könnten, die sind spannend.

Der Teilchenphysiker würde sagen: Reißmann

Der Teilchenphysiker würde sagen: Jetzt haben Sie vorhin schon relativ oft das Forschungszentrum CERN angesprochen, wo Sie das erste Mal 2008 beruflich aktiv waren. Jetzt hat man diesen Namen CERN schon ein paarmal auch in den Nachrichten gehört, auch wenn man so mit Physik nichts zu tun hat, auch nicht beruflich wie Sie. Was ist denn CERN, was kann man sich darunter vorstellen?

Der Teilchenphysiker würde sagen: Schott

Der Teilchenphysiker würde sagen: Also, im Prinzip ist es wie eine kleine Stadt am Rand von Genf. Genau zwischen der Schweizer Grenze und der französischen Grenze. Und im Prinzip ist das eine ganz tolle Idee. Nach dem Zweiten Weltkrieg haben sich die europäischen Staaten zusammengesetzt und festgestellt, dass, wenn sie Grundlagenforschung machen im Bereich der Kern- und Teilchenphysik, das so kostspielig ist, dass das im Prinzip keinen Sinn macht, dass das jedes Land alleine macht. Und dann setzt man sich zusammen und finanziert ein gemeinsames Forschungsprojekt und eine Forschungseinrichtung. Das ist im Prinzip das CERN. Das wurde gegründet von zehn oder zwölf europäischen Nationen, direkt nach dem zweiten Weltkrieg, eben neutral in der Schweiz gelegen, hat sich dann später ausgebreitet, auch auf das französische Staatsgebiet. Und das ist die Idee vom CERN. Und während der Jahre kamen immer neue Staaten hinzu, nicht nur die Gründerstaaten. Inzwischen sind es, glaube ich, über 20 oder 30, müsste ich jetzt mal nachgucken. Also wenn Sie zum CERN fahren, was ich auch jemand mal empfehlen kann. Da gibt es ganz tolle Touren auch für Touristen, die man einfach buchen kann. Dann sehen Sie ganz viele Flaggen und das sind alle Mitgliedsstaaten und all die Mitgliedsstaaten überweisen erstmal Geld natürlich, damit das CERN finanziert wird, aber viel wichtiger ist, dass sie ja Wissenschaftler dorthin schicken, um dort gemeinsam Projekte durchzuführen.

Der Teilchenphysiker würde sagen: Reißmann

Der Teilchenphysiker würde sagen: Jetzt haben Sie ja gesagt, dass das CERN nach dem Zweiten Weltkrieg mit der Aufgabe gegründet wurde, wie sie eben damals war. Dass man gemeinsam Grundlagenforschung betreiben wollte. Hat sich über diese Jahrzehnte an diesem Grundauftrag irgendetwas geändert?

Der Teilchenphysiker würde sagen: Schott

Der Teilchenphysiker würde sagen: Nein, überhaupt gar nicht. Es ist immer noch wirklich reine Grundlagenforschung. Und es ist auch so, dass alle Erkenntnisse, die am CERN gewonnen werden, veröffentlicht werden. Das CERN hält so gut wie keine Patente oder sowas. Es wird automatisch veröffentlicht. Und wie die meisten auch wissen, wurde das World Wide Web am CERN entwickelt und nicht irgendwie patentiert. Und es wurde auch nicht mit dem Zweck entwickelt, dass wir dann eben das World Wide Web haben, wie wir es heute kennen. Sondern damals war das zum Austausch von Forschungsergebnissen gedacht, aber die Infrastruktur, die entwickelt wird, wird automatisch allen zur Verfügung gestellt. Das ist auch alles unglaublich transparent. Also es gibt im Prinzip keine Entwicklung am CERN, die nicht veröffentlicht ist. Das passiert im Prinzip gar nicht.

Der Teilchenphysiker würde sagen: Sprecherin

Das CERN – die Europäische Organisation für Kernforschung. Der Grundstein für diesen Forschungsort wurde 1955 gelegt. Kurz darauf – 1957 – wurde auch schon der erste Teilchenbeschleuniger in Betrieb genommen. In den 1970er Jahren belief sich das Budget des CERN auf rund 370 Millionen Franken. Schon damals trug die Bundesrepublik Deutschland als eines der Gründungsmitglieder ungefähr ein Viertel der Kosten. Weitere große Geldgeber sind Großbritannien und Frankreich. Heute verfügt das CERN jährlich über ein Budget von rund 1 Milliarde Euro. Zurzeit sind 23 Staaten Mitglied. Es ist das größte Forschungszentrum für Teilchenphysik weltweit. Nach eigener Aussage arbeiteten im Jahr 2017 rund 3.400 Mitarbieter: Ähm nein. Also, das ist eine komplizierte Frage. Als ich angefangen habe, 2008, 2009, war ich auch Touristenführer am CERN. Und was da beim Start von dem neuen Beschleuniger, diesem LHC, also Large Hadron Collider, wie wir ihn nennen, gab es eine Art Verschwörungstheorien von Leuten, die behauptet haben, wenn man das anschaltet, dann entstehen schwarze Löcher, die die Welt verschlingen. Sowas ist natürlich Quatsch. Aber, wenn man das in der Öffentlichkeit hat, muss man das auch beantworten und begründen können. Und solche Überlegungen sind einfach wirklich an den Haaren herbeigezogen. Da steckt nichts dahinter, das kann man auch glauben. Einfach hingehen und es sich angucken. Da ist nichts Geheimes dort. Aber natürlich sind es große Anlagen. Das heißt unser Detektor, an dem ich zum Beispiel arbeitet, der ist 20 Meter hoch und 40 Meter lang. Was gefährlich ist, ist, wenn ich da oben rumturne und Sachen installiere. Aber es ist wie auf der Baustelle. Die Frage ist, ist es gefährlicher, am CERN zu arbeiten als auf der Baustelle? Da würde ich jetzt sogar behaupten, auf der Baustelle ist es gefährlicher. Denn am CERN legen die unglaublich großen Wert auf Sicherheit. Also, das kann man sich gar nicht vorstellen, wie viel Kurse man machen muss, um überhaupt da runter zu dürfen. Dann muss man noch mehr Kurse machen, um irgendwas zu installieren. Es wird sehr viel Wert auf Sicherheit gelegt.

Ich interessiere mich für sehr viele Phänomene. Hauptsächlich geht es bei mir immer um Phänomene, die jenseits unseres aktuellen Verständnisses liegen. Und da habe ich im Prinzip zwei Forschungsrichtungen. Eine von denen war auch vor wenigen Wochen oder Monaten in den Medien. Und zwar gibt es ein Elementarteilchen, das nennen wir W-Boson. Und dieses W-Boson hat eine Masse, es wiegt irgendwas und diese Masse kann man sehr genau vorhersagen in unserer Theorie. Das heißt, die Idee ist jetzt, dass wir die Vorhersage der Masse nehmen und dann messen wir die Masse, also das Gewicht des W-Bosons, und vergleichen die beiden Werte. Wenn wir einen Unterschied sehen, einen signifikanten Unterschied, dann wissen wir, irgendwas fehlt in unserer Theorie der Berechnung, irgendwas spielt eine Rolle, was wir in unserem bisherigen Verständnis nicht berücksichtigen können. Und die letzten Messungen stammen von Kollegen aus einem alten Experiment in den USA aus dem Jahr 2012. Da war die letzte Datenentnahme. Herausgekommen ist, das wurde erst Anfang dieses Jahres veröffentlicht, dass es da signifikante Abweichungen zwischen der vorhergesagten und der gemessenen Masse gibt. Und das ist mit sogenannten sieben Standardabweichungen, das heißt, es ist sehr, sehr, sehr signifikant. Meine Kollegen und ich, unter anderem auch federführend an der Uni Mainz, haben ebenfalls Messungen der W-Boson Masse durchgeführt. Das hat uns auf etwa acht Jahre gekostet und die wurde 2016/17 das erste Mal veröffentlicht und wir sehen diese Abweichung nicht. Also bei uns stimmt alles überein mit unseren Erwartungen. Aber das heißt, um was es jetzt geht: Wir machen nochmal neue Messungen von diesem Experiment, von dieser Observablen und gucken, ob wir irgendwas Neues sehen, ob wir vielleicht einen Fehler gemacht haben. Das ist so die Aufgabe, an der ich im Moment arbeite. Das zweite große Themengebiet, und da habe ich auch glücklicherweise eine große Forschungsförderung bekommen, ist die Suche nach sogenannten axion-artigen Teilchen. Da muss ich vielleicht ein bisschen ausholen. Das sind hypothetische Teilchen, die wir bisher noch nicht beobachtet haben, aber sie könnten einige Phänomene erklären, von denen wir wissen, dass sie da sind. Und es sind unterschiedliche Experimente, wie man nach diesen axion-artigen Teilchen suchen kann. Eins glaube ich, kann man sich ganz gut vorstellen. In der Theorie geht man davon aus, dass diese axion-artigen Teilchen, oder nennen wir es jetzt mal kürzer Axione, sich an Licht- und Magnetfelder koppeln können. Das bedeutet, wenn Sie ein starkes Magnetfeld haben und ein Laser, wo Lichtteilchen drin sind, und diesen Laser durchs Magnetfeld schießen, kann es sein, dass aus diesen Lichtteilchen Axione entstehen. Wenn Sie so ein Axion haben, macht das erstmal nichts. Das fliegt einfach weiter. Und es ist die einfache Idee, Sie stellen eine Wand hin und das Licht fliegt gegen die Wand und kommt nicht durch. Aber die Axione, die jetzt entstanden sind, fliegen durch die Wand. Auf der anderen Seite der Wand bauen Sie wieder ein Magnetfeld auf und dann kann das Umgekehrte passieren, dass dieses Axon umgewandelt wird in ein Lichtteilchen. Und die grundlegende Idee ist einfach: Sie schießen ein Laser in ein Magnetfeld auf eine Wand, bauen hinter der Wand ein zweites Magnetfeld auf und gucken, ob Sie irgendwo Licht sehen. Und wenn Sie Licht sehen, haben Sie den Nobelpreis gewonnen oder Ihre Wand war nicht ganz dicht. Also vermutlich haben Sie den Nobelpreis gewonnen. Aber, wenn Sie nichts sehen, dann wissen Sie, okay, die Theorie zumindest in diesem Parameter-Bereich von meinem Axion war falsch. Und das ist eines von diesem Experiment, an dem wir gerade arbeiten, das wird gerade aufgebaut am Forschungszentrum DESY in Hamburg. Und eine ältere Version hatten wir aufgebaut vor einigen Jahren am Forschungszentrum CERN auch und bisher haben wir noch nichts entdeckt. Leider.

Das ist glaube ich nur ein schöner PA-Name für den Large Hadron Collider. Das ist unser großer Beschleuniger am CERN, der im Moment Daten nimmt. Vielleicht ein paar Fakten zum LHC und was dahintersteckt und warum man das dann am Ende auch Welt-Maschine nennt. Also in den 70er Jahren hat man am CERN schon einen Tunnel gegraben, der 27 Kilometer lang ist und ungefähr 100 Meter unter der Erde. Und vielleicht als kleine Background-Information: Die 100 Meter sind nicht gewählt worden, weil das gefährlich wäre. Es liegt einfach nur daran, dass oben sehr viele Dörfer sind auf der französischen Seite. Das heißt, da kann man das gar nicht oberirdisch bauen. Da müsste man irgendwie die Häuser wegbekommen. Was man natürlich nicht will. Und dann hat sich herausgestellt, dass bei 100 Metern Tiefe eine sehr stabile Gesteinsplatte ist, wo man einen Tunnel darauf bauen kann. Und die Kollegen aus der Schweiz wissen, wie man Tunnel baut daher 100 Meter tief, 27 Kilometer lang im Kreis. Und die Idee ist: In diesem Kreis baut man nun Magneten auf und schickt Teilchen, positiv und negativ geladenen Teilchen, in unterschiedliche Richtungen und lässt sie beide kollidieren. Und das hat man gemacht. Im vorherigen Beschleuniger, LEP hier der bis zum Jahr 2000/2001, und dann wollte man auch zu höheren Energien gehen. Warum? Da komme ich gleich drauf. Und hat dann im Prinzip gleich anschließend einen neuen Beschleuniger eingebaut, den LHC. Das sind einfach im Prinzip stärkere Magnete. Was man jetzt macht ist, man lässt Protonen, also sprich die Bestandteile, aus denen die Atomkerne bestehen, links und rechts rum rennen. Macht die immer schneller, macht immer mehr Energie rein und lässt sie an bestimmten Punkten in diesem Ring kollidieren. Und an diesen Punkten, wo die kollidieren, baut man Detektoren drum herum. Und wir haben vier Detektoren, die diese Kollisionen aufzeichnen, und einer von diesen großen Detektoren, den nennen die „ATLAS“. Und da ist auch die Uni Mainz sehr groß beteiligt, seit vielen, vielen Jahren und Jahrzehnten bauen wir an diesem Detektor und entwickeln ihn weiter. Und warum jetzt Welt-Maschine? Nun, wir lassen diese Teilchen immer schneller werden, damit sie mehr Energie bekommen, und jeder kennt diese Formel E = mc2. Also Energie ist gleich Masse. Und das ist im Prinzip die Idee dahinter. Wir machen die Dinger immer schneller, machen höhere Energien, lassen die dann kollidieren und versuchen dann das neue Teilchen, also neue Masse, entsteht daraus, von Teilchen, die wir vielleicht bisher noch nicht kennen, oder Teilchen, die wir schon kennen, aber mit anderen Eigenschaften, also dass sie sich anders verhalten, als wir es im ursprünglichen Modell vorhergesagt haben. Nun, jetzt einmal der Zusammenhang mit der Welt-Maschine. Was wir im Prinzip machen: Wir versuchen, den Urknall zu reproduzieren. Das klingt ein bisschen gefährlich, aber es ist gar nicht so gefährlich, wie man sich das vorstellt. Was ist der Urknall? Wenn Sie etwa 14 Milliarden Jahre zurückreisen in der Zeit, ist das Universum aus vielleicht nichts entstanden, also genau kann ich das nicht sagen. Aber kurz nachher war auf jeden Fall sehr viel Materie da. Diese Materie war sehr dicht gepresst. Sehr dicht und sehr heiß. Heißt im Prinzip hohe Energie. Das heißt, dort haben nach dem Urknall Bedingungen geherrscht, wie wir sie seitdem nicht mehr gesehen haben. Und die Idee ist nun, um zu verstehen, wie sich die Elementarteilchen bei sehr hohen Energien verhalten und wie wechselwirken, also zu verstehen, wie im Prinzip die Bedingungen waren am Anfang des Universums, müssen wir irgendwie das reproduzieren im Labor, so dass wir es nachweisen können. Da ist einfach die Idee, man nimmt diese Teilchen, beschleunigt die, lässt sie kollidieren, bekommt sehr hohe Energiedichten. Das sind im Prinzip dann Bedingungen, wie sie geherrscht haben kurz nach dem Urknall. Und kurz nach dem Urknall sage ich jetzt mal bewusst vage. Das hängt ein bisschen davon ab, wie viel Mikro oder Nanosekunden das danach war.

Genau, das Letztere ist genau richtig. Man macht nicht nur ein Experiment, sondern man lässt sie Tag und Nacht laufen. Im Moment eher weniger wegen Energiekosten. Das kostet offensichtlich Strom. Das heißt, da sparen auch wir jetzt am CERN signifikant ein. Aber, die grundlegende Idee ist schon, dass wir da nicht nur zwei Protonen drin laufen lassen, die kollidieren, sondern viele Milliarden Protonen. Und dann lassen wir diese Strahlen aufeinandertreffen und wo die Milliarden Protonen interagieren, da kollidieren maximal zehn, 20, 30, 40 gleichzeitig. Das heißt, wenn Sie 20, 30 verlieren, aber Milliarden haben, können sie das sehr, sehr oft wiederholen. Das machen wir auch gleichzeitig an allen vier Punkten am Beschleuniger, wo diese vier Experimente stehen. Und diese vier Experimente können Sie sich so vorstellen: Ich glaube ja. Aber vielleicht nicht ganz so, wie ich es erwartet habe. Also, ich habe angefangen Physik zu studieren, weil ich dachte, da lerne ich, wie die Welt funktioniert. Und inzwischen bin ich davon eigentlich weggekommen. Ich glaube, ich werde damit nicht verstehen, wie die Welt funktioniert. Und ich werde verstehen können, vielleicht, mit welchen Gesetzmäßigkeiten sich eben grundlegende Phänomene der Teilchenphysik erklären lassen. Wie die Welt funktioniert, das kann ich damit nicht lernen. Finde ich es wichtig für die Menschheit? Auf jeden Fall! Und das klingt ein bisschen pathetisch. Aber, ich denke schon, dass wir als Menschheit in der einzigartigen Position sind, unseren Platz im Universum zu verstehen. Ich weiß nicht, wie wahrscheinlich es ist, ob es außerirdisches Leben gibt oder nicht. Da fühle ich mich nicht qualifiziert, Antworten zu geben. Aber offensichtlich ist die Tatsache, dass wir uns bewusst sind, und so sehe ich das immer, das Universum wird sich mit uns selbst bewusst, das heißt, wir versuchen, was über das Universum rauszubekommen, und das sollten wir auch tun, weil wir es tun können, und das ist schon etwas ganz Herausragendes. Es ist eine Überlegung. Und die andere Überlegung ist, was ich an meiner Arbeit wirklich faszinierend finde ist, es ist absolut friedlich. Es gibt keine militärischen Anwendungen oder was auch immer. Sondern, das führt im Prinzip Menschen aus allen Nationen und Kontinenten zusammen, um an einer großen wissenschaftlichen Fragestellung zu arbeiten. Und das klappt erstaunlich gut.

Genau, das Letztere ist genau richtig. Man macht nicht nur ein Experiment, sondern man lässt sie Tag und Nacht laufen. Im Moment eher weniger wegen Energiekosten. Das kostet offensichtlich Strom. Das heißt, da sparen auch wir jetzt am CERN signifikant ein. Aber, die grundlegende Idee ist schon, dass wir da nicht nur zwei Protonen drin laufen lassen, die kollidieren, sondern viele Milliarden Protonen. Und dann lassen wir diese Strahlen aufeinandertreffen und wo die Milliarden Protonen interagieren, da kollidieren maximal zehn, 20, 30, 40 gleichzeitig. Das heißt, wenn Sie 20, 30 verlieren, aber Milliarden haben, können sie das sehr, sehr oft wiederholen. Das machen wir auch gleichzeitig an allen vier Punkten am Beschleuniger, wo diese vier Experimente stehen. Und diese vier Experimente können Sie sich so vorstellen: Also richtig, wir bekommen einen neuen Beschleuniger hier in Mainz. Und da freuen wir uns alle auch darauf, dass der möglichst bald hier an den Start geht. Das Konzept ist im Prinzip sehr ähnlich. Wir lassen Teilchen in einem Kreis laufen und beschleunigen die da. Was der große Unterschied ist zwischen dem LHC und diesem MESA-Beschleuniger sind zwei Dinge. Einmal lassen wir im MESA-Beschleuniger nicht Protonen beschleunigen, also nicht die Bestandteile von Atomkernen, sondern Elektron. Der zweite große Unterschied ist die Energie. Wir laufen hier bei sehr viel niedrigeren Energien, als wir am CERN laufen, aber mit sehr, sehr viel mehr Teilchen. Das heißt, die Anzahl der Elektronen, die wir in diesem MESA-Beschleuniger haben werden, ist sehr, sehr groß, wenngleich auch bei niedrigen Energien. Was wir jetzt machen wollen, ist unter anderem, da sind viele Experimente, die geplant sind, aber ein Experiment ist die Messung von einem Parameter wieder in diesem Standardmodell, was ich erzählt habe. Und dieser Parameter hängt sehr eng zusammen auch mit dieser Masse des W-Bosons, wovon ich auch schon gesprochen habe. Diesen Parameter, den nennen wir elektroschwachen Mischungswinkel und den kann man im Prinzip auf zwei Arten messen. Einmal kann man den am LHC messen, also am CERN, und eine andere Möglichkeit ist relativ neu hier bei unserem MESA-Beschleuniger in Mainz. Und im Prinzip sollten Sie die gleichen Werte herausbekommen. Am LHC und bei MESA. Aber, wir messen bei ganz unterschiedlichen Energien. Da sind wirklich Größenordnungen zwischen diesen Energieskalen und wenn das Standardmodell stimmt, dann sollte das gleiche rauskommen. Aber, wenn irgendwas passiert zwischen diesen großen Energieskalen-Unterschieden, dann würden wir das sehen, dass im Prinzip die grundlegende Idee von diesem MESA-Beschleuniger. Bei diesem MESA-Beschleuniger kann man übrigens auch nach Teilchen suchen, die ganz ähnlich sind wie diese Axion-Teilchen sind. Das ist die zweite Idee. Dadurch kann man im Prinzip auch nach neuen Teilchen suchen, die wir in diesem Standardmodell bisher noch nicht gesehen haben.

Genau, das Letztere ist genau richtig. Man macht nicht nur ein Experiment, sondern man lässt sie Tag und Nacht laufen. Im Moment eher weniger wegen Energiekosten. Das kostet offensichtlich Strom. Das heißt, da sparen auch wir jetzt am CERN signifikant ein. Aber, die grundlegende Idee ist schon, dass wir da nicht nur zwei Protonen drin laufen lassen, die kollidieren, sondern viele Milliarden Protonen. Und dann lassen wir diese Strahlen aufeinandertreffen und wo die Milliarden Protonen interagieren, da kollidieren maximal zehn, 20, 30, 40 gleichzeitig. Das heißt, wenn Sie 20, 30 verlieren, aber Milliarden haben, können sie das sehr, sehr oft wiederholen. Das machen wir auch gleichzeitig an allen vier Punkten am Beschleuniger, wo diese vier Experimente stehen. Und diese vier Experimente können Sie sich so vorstellen: Oh, ganz viel. Das ATLAS-Experiment wurde schon geplant in den Neunzigerjahren, das ist schon alt. Da gingen die ersten Planungsmaßnahmen los. Also ATLAS ist im Prinzip ein großer Teilchen-Detektor. Sie können sich das vorstellen wie die Kamera, die aufzeichnet, was passiert, wenn Teilchen kollidieren. Und die Fragestellung bei ATLAS, die sind sehr weit. Also, müssen Sie sich vorstellen, bei ATLAS haben wir mehr als 3.000 Physiker weltweit, die am Projekt beteiligt sind. Und Sie müssen auch wissen ATLAS wird nicht einfach gekauft, offensichtlich. Sondern, das wird aus ganz unterschiedlichen Instituten teilweise gebaut und dann wird alles ans CERN geschafft und dort bauen wir das zusammen. Zum Beispiel in Mainz haben wir Teile gebaut von der Elektronik. Wir haben Teile vom Detektor hier gebaut, die Teile, die meine Gruppe gebaut hat zum Beispiel, die wurden dann weitergeschickt nach München, da wurden sie weiter gebaut und von München wurden sie nach Würzburg gefahren. Da wurde dann weitergebaut. Letztendlich sind sie dann ans CERN gekommen und wurden dann vor zwei Jahren installiert. Und das ist so die Arbeitsteilung, die wir international haben, dass unterschiedliche Gruppen unterschiedliche Teile von diesem Detektor bauen. Dann schicken wir alles ans CERN, bauen zusammen und machen tolle Physik. Daher natürlich auch diese 3.000 Leute, die bauen nicht nur den Detektor, sondern ebenso wichtig, betreiben das Experiment, nehmen die Daten und analysieren die Daten. Und die Fragestellungen, die wir da beantworten können, sind ganz vielfältig. Das Bekannteste, wie gesagt, ist die Messung oder die Entdeckung des Higgs-Bosons aus dem Jahr 2012. Aber, nur mal um eine Vorstellung zu bekommen, wie viele Publikationen wir machen. Also ich glaube, ich bin selbst bei etwa 3.000 Publikationen Autor. Das heißt nicht, dass ich 3.000 Publikationen selbst geschrieben habe, aber wenn man Mitglied der ATLAS Collaboration ist, hat man natürlich einen Teil vom Detektor gebaut und da steht man dann immer auf allen Resultaten der ATLAS Collaboration auch mit drauf, das heißt, man bekommt erstmal natürlich sehr viele Papers. Das ist sehr schön. Aber es zeigt auch vor allem, wie viel Wissenschaft da gemacht wird. Nicht alles ist, wie soll ich sagen, so spektakulär, dass Sie es in den Tagesthemen sehen. Meistens sind das natürlich sehr kleine Schritte, die wir vorwärts gehen, um unsere Theorie besser zu verstehen und vielleicht nach Abweichungen zu suchen.

Genau, das Letztere ist genau richtig. Man macht nicht nur ein Experiment, sondern man lässt sie Tag und Nacht laufen. Im Moment eher weniger wegen Energiekosten. Das kostet offensichtlich Strom. Das heißt, da sparen auch wir jetzt am CERN signifikant ein. Aber, die grundlegende Idee ist schon, dass wir da nicht nur zwei Protonen drin laufen lassen, die kollidieren, sondern viele Milliarden Protonen. Und dann lassen wir diese Strahlen aufeinandertreffen und wo die Milliarden Protonen interagieren, da kollidieren maximal zehn, 20, 30, 40 gleichzeitig. Das heißt, wenn Sie 20, 30 verlieren, aber Milliarden haben, können sie das sehr, sehr oft wiederholen. Das machen wir auch gleichzeitig an allen vier Punkten am Beschleuniger, wo diese vier Experimente stehen. Und diese vier Experimente können Sie sich so vorstellen: Also, PRISMA+ ist unser aktuelles Exzellenzcluster, ist der Nachfolger von PRISMA. Daher das erste Plus. Das ist entstanden aus der Exzellenz-Förder-Initiative vom Bund, die glaube ich das erste Mal 2010/2011 ins Spiel gebracht worden ist. Da können sich Universitäten bewerben, also Forschungsgruppen aus Universitäten bewerben und bekommen dann spezielle Fördergelder über langen Zeitraum zwischen fünf und sieben Jahren und sehr substanziell, also wirklich viele Millionen Euro, um hier also lokal ein Cluster aufzubauen der Exzellenz. Und wir hatten in Mainz Glück, dass wir mit der Teilchen- und der Kernphysik zusammen mit den Kollegen so ein Cluster hier installieren konnten und schon einmal erfolgreich verlängert wurden. Und nur so ein Cluster erlaubt es eigentlich auch, dass wir solche großen Maßnahmen wie diesen neuen MESA-Beschleuniger hier in Mainz realisieren können. Sonst ist das überhaupt gar nicht möglich. Und da geht auch viel Unterstützung von der Landesregierung rein, die das auch unterstützt, so ein Cluster hier zu haben. Und wir sind unglaublich glücklich darüber und sind auch sehr stolz drauf, dass wir das hierherholen konnten. Und hoffen natürlich, dass es auch im nächsten Jahr weitergeht damit. Aber, was ich an PRISMA+ auch so unglaublich wichtig finde ist, dass es uns wirklich erlaubt hat, eine Infrastruktur aufzubauen, eine Forschungs-Infrastruktur, die normalerweise nur große Laboratorien haben zum Beispiel Helmholtz Zentren wie das DESY oder so, aber wir sind die einzige Universität in ganz Deutschland, die einen eigenen Teilchenbeschleuniger wirklich im Keller stehen hat. Das muss man sich mal vorstellen. Das ist nicht alltäglich. Und so ein Exzellenz-Cluster, das führt dazu, dass wir solche Sachen machen können, dass wäre ohne das einfach gar nicht möglich.

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