Grenzenlose Vielfalt

Elektronenbeschleuniger mit Alleinstellungsmerkmal

5. September 2019 "PRISMA+" für die großen, ungelösten Rätsel

Woraus besteht Materie? Wie ist das Universum entstanden? Noch sind derlei große Rätsel der Physik ungelöst. Doch Deutschland ist in der fundamentalen Quantenphysik stark aufgestellt - und wird von der DFG in mehreren Clustern gefördert. Ein Beispiel ist "PRISMA+": Der Mainzer Exzellenzcluster entwickelt Möglichkeiten, Antworten zu finden.

Bestandteil von „PRISMA+“ ist das Flaggschiffexperiment P2, durchgeführt am Elektronenbeschleuniger MESA, der auch helfen soll, dunkle Materie im Labor nachzuweisen.

Noch vor zehn Jahren steckte die topologische Physik in den Kinderschuhen. „Heute beschäftigt sich eine Vielzahl von Forschungsarbeiten mit damit zusammenhängenden Themenstellungen, ohne den Begriff aufzunehmen. Dieser Trend spiegelt sich in der DFG-Exzellenzförderung wider. Allgemein zeigen die Themen der geförderten Cluster sehr deutlich, dass Deutschland in der fundamentalen Quantenphysik sehr stark aufgestellt ist: Insgesamt fördert die DFG acht Exzellenzcluster, die sich im weiteren Sinne mit der Quantenphysik beschäftigen – alle mit unterschiedlichen Schwerpunkten. „Auch die fundamentale Natur der Elementarteilchen und des Universums wird in mehreren Clustern erforscht. Einer davon ist der Cluster „PRISMA+“ in Mainz. „Es war ein gewagtes Projekt, fast schon verwegen“, resümiert Sprecher Matthias Neubert über den Exzellenzcluster „PRISMA“, der 2018 endete und mit dem Nachfolgecluster „PRISMA+“ für weitere sieben Jahre in eine neue Phase gegangen ist. Fast ein Drittel der DFG-Fördersumme investierten die Forscherinnen und Forscher in den Aufbau eines Elektronenbeschleunigers auf dem Campus der Johannes Gutenberg-Universität.

„Das Resultat ist nun unser Alleinstellungsmerkmal: Der Elektronenbeschleuniger MESA ist weltweit ein Vorreiter“, so Clustersprecher Neubert. Erstmals solle es damit gelingen, einen  energierückgewinnenden, supraleitenden Teilchenbeschleuniger in der fundamentalen Physik einzusetzen. Durch diese Technologie wird der Beschleuniger eine extrem hohe Strahlintensität erreichen, die sonst nur mit einem immensen Energieaufwand machbar wäre –, und ermöglicht ganz neue Einblicke und Experimente. „Mittlerweile bekommen wir Anfragen aus aller Welt von  Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die an MESA Projekte durchführen wollen“, sagt Neubert. 2021 soll der Teilchenbeschleuniger seine Arbeit aufnehmen. „PRISMA+“ steht für die großen, noch ungelösten Rätsel in der Physik: Woraus besteht Materie? Wie ist das Universum entstanden und welche Rolle spielt dabei die dunkle Materie?

Die Forscher wissen zwar, dass es sie gibt – sogar reichlich davon. Aber nachweisen konnten sie die unsichtbaren Teilchen noch nicht. „Da wir nicht wissen, wann und wie wir die dunkle Materie finden, brauchen wir ein breites Methodenspektrum“, sagt Neubert. „Der Teilchenbeschleuniger MESA könnte helfen, dunkle Materie im Labor nachzuweisen.“

Kräfte der Natur zusammenbringen - mit der weltbesten Genauigkeit

Aber „PRISMA+“ forscht mit MESA nicht nur im High-Risk-High-Gain-Bereich: Positive Ergebnisse erwarten die Forscherinnen und Forscher für ihr Flaggschiffexperiment P2: Mit der weltbesten Genauigkeit wollen sie den schwachen Mischungswinkel bestimmen – einen Parameter im Standardmodell der Teilchenphysik. Er beschreibt, wie zwei der Kräfte in der Natur – die schwache Kraft und die elektromagnetische Kraft – bei hohen Energien auf ein Grundprinzip zurückgeführt  werden. Bisher konnte dieser Parameter nur bei sehr hohen Energien gemessen werden. Zudem gibt es Diskrepanzen in den Daten, die „PRISMA+“ aufklären will, indem es den schwachen Mischungswinkel im niederen Energiebereich misst. „Durch den Vergleich der Messungen werden wir klären können, ob wir das Standardmodell erweitern müssen, um alle Messungen in Einklang zu bringen“, führt Neubert aus. „Gelingt das Experiment, werden wir den Wert des schwachen Mischungswinkels um ein Vielfaches genauer messen können, als bisher geschehen, und einen neuen Standard setzen.“

Forschung zugänglich machen - mit "Physik im Theater"

Neben den MESA-Experimenten wollen die Beteiligten einen weiteren Leuchtturm in „PRISMA+“ etablieren: die Neutrino-Physik, die sich mit extrem leichten, elektrisch neutralen, schwach wechselwirkenden Elementarteilchen beschäftigt. Aber auch die Öffentlichkeit interessiert sich für die großen Rätsel der Physik: Die von Matthias Neubert initiierte Veranstaltungsreihe „Physik im Theater“ im Vorgängercluster hat schon Kultcharakter gewonnen. Das Angebot will der  Wissenschaftler unbedingt fortführen. Denn: „Es ist fast schon eine Verpflichtung, die Öffentlichkeit über den aktuellen Stand der Grundlagenforschung zu informieren. Auf der anderen Seite ist die Theaterbühne für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine komplett andere Erfahrung als beispielsweise ein Kolloquium. Wissenschaft auf der Bühne – auch das ist eine lohnende Erfahrung!“