Kurz nach dem Urknall
Heiko Lacker ist auf der Suche nach bislang unbekannten Elementarteilchen
Darstellung des Higgs-Bosons im ATLAS-Experiment © ATLAS/CERN
Big Bang in Adlershof: Heiko Lacker untersucht das Unbekannte © WISTA Management GmbH
Der Stoff, aus dem das Universum zusammengesetzt ist, gibt immer noch Rätsel auf. Heiko Lacker, Professor für experimentelle Teilchenphysik an der Humboldt-Universität zu Berlin, untersucht den Mikrokosmos von Materie und Antimaterie und ist mit seiner Forschungsgruppe auf der Suche nach bislang noch unbekannten Elementarteilchen.
Sein Büro im Lise-Meitner-Haus zu finden, ist fast genauso kompliziert wie die Materie, mit der sich Heiko Lacker beschäftigt. Der Professor für experimentelle Teilchenphysik lehrt und forscht seit 2007 in Adlershof und beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den kleinsten Bausteinen unserer Welt – Teilchen, die so winzig sind, dass ihre Größe in Zahlen mit 17 Nullen hinter dem Komma ausgedrückt wird. Zugleich bewegt er sich dabei in einem Fachgebiet, das die großen Fragen der Natur zum Gegenstand hat: Woraus besteht Materie wirklich, welche Kräfte wirken im Innersten der Welt, und warum existiert das Universum in seiner heutigen Form?
Die Teilchenphysik hat über Jahrzehnte eine beeindruckende theoretische Entwicklung genommen und das sogenannte Standardmodell hervorgebracht. Es beschreibt zum einen alle bekannten elementaren Teilchen – etwa Elektronen und Quarks, die Bestandteile von Neutron und Proton sind – und zum anderen drei der vier fundamentalen Kräfte: den Elektromagnetismus, die starke und die schwache Wechselwirkung. „Das Standardmodell ist eine sehr gute Theorie, die sehr viel erklärt“, sagt Lacker, „aber sie beantwortet nicht alle Fragen.“
Zum Beispiel passt die Gravitation als vierte fundamentale Kraft nicht hinein, sie spielt darin keine Rolle. Auch andere Phänomene – etwa die winzige Masse der sogenannten Neutrinos – bleiben ungeklärt. Genau an diesen Lücken setzt die aktuelle Forschung an, auf die sich auch Lacker fokussiert.
Eine der spannendsten Entdeckungen der vergangenen Jahrzehnte war das Higgs-Teilchen. Seine Existenz wurde 2012 am Forschungszentrum CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung in Genf, nachgewiesen. Das Higgs-Teilchen sorgt dafür, dass andere Teilchen überhaupt Masse besitzen. „Im Standardmodell dürfen die Teilchen eigentlich gar keine Masse haben“, erklärt Lacker. „Das Higgs-Feld ist nötig, damit das Standardmodell mathematisch konsistent bleibt.“ Dass es dieses Feld gibt, sei faszinierend – verstanden würde es aber bis heute nicht.
Besonders rätselhaft bleiben die Neutrinos. Sie sind elektrisch neutral, kaum nachweisbar und extrem leicht. „Die meisten Neutrinos gehen durch den Detektor ohne Nachweis durch“, erklärt Lacker. „Sie sind um etwa eine Million leichter als das Elektron.“ Dieser riesige Unterschied ist im Standardmodell schwer zu verstehen.
Eine mögliche Erklärung: Die Neutrinos könnten ihre eigenen Antiteilchen sein – sogenannte Majorana-Neutrinos. Wäre das so, ließe sich vielleicht sogar die grundlegende Frage lösen, warum im Universum mehr Materie als Antimaterie existiert. Denn: „Wenn es nach dem Urknall genauso viel Antimaterie wie Materie gegeben hätte, wäre unser Universum leer – bis auf Photonen und Neutrinos.“
Um solche Fragen zu untersuchen, braucht es gigantische Experimente, die so nur im CERN durchgeführt werden können. Dort steht unter anderem ein Teilchenbeschleuniger mit einem Umfang von 27 Kilometern, der Large Hadron Collider (LHC). Dort kollidieren Protonenpakete 40 Millionen Mal pro Sekunde.
„Die meisten Kollisionsereignisse sind völlig uninteressant und die wirklich interessanten müssen in Sekundenbruchteilen herausgefiltert werden“, sagt Lacker.
Trotzdem müssen danach immer noch riesige Datenmengen ausgewertet werden. Eines der vier Experimente am LHC ist das ATLAS-Experiment. Dessen Ziel: Erforschung der grundlegenden Bausteine der Materie und der fundamentalen Kräfte der Natur. Damit Experimente zum Beispiel mit dem Teilchendetektor ATLAS am CERN durchgeführt werden können, arbeiten weltweit Tausende Forscherinnen und Forscher zusammen.
Lacker ist selbst sowohl am ATLAS-Experiment als auch am geplanten SHiP-Projekt beteiligt. SHiP steht für „Search for Hidden Particles“ und entstand 2013 als Idee, allerdings erhielt das Experiment erst 2024 grünes Licht vom CERN. „Eine eigene Halle im CERN zu bauen haben wir verworfen, aber jetzt stellt das CERN die Infrastruktur“, so Lacker. „Die Finanzierung des Detektors müssen die beteiligten Länder stemmen.“ Sein Ziel: „Wir wollen Teile des Detektors bis 2032 in der Halle stehen haben.“
Für ihn ist das Faszinierende an der Teilchenphysik, dass sie wie ein Fenster in die früheste Zeit des Universums wirkt: „Wir verstehen die Physik bis 10-12 Sekunden nach dem Urknall“, sagt Heiko Lacker. „Alles, was davor liegt, ist das, was wir erkunden wollen.“ Das SHiP-Experiment könnte dazu beitragen, neue Antworten auf die ganz großen ungelösten Fragen zu bringen – oder weitere Fragen aufzuwerfen.
Heike Gläser für Adlershof Journal