Was die Welt im Innersten zusammenhält

Physiker und Physikerinnen der Elementarteilchenphysik erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält. Zu den grossen ungelösten Fragen gehören dabei der Ursprung von Dunkler Materie und die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie.

XENON1t Detektor im Aufbau

Ereignis einer Proton-Proton Kollision im CMS Detektor am LHC

Die Forschung in der Teilchenphysik ist Grundlagenforschung, die das Wesen der Natur untersucht und die Strukturen von Raum, Zeit und Materie zu verstehen und zu beschreiben versucht. Die Forschenden sind dabei auf neueste Methoden angewiesen, die sie meist selbst entwickeln müssen, da sie entweder gar nicht oder noch nicht in der nötigen Genauigkeit existieren. Dabei kann es sich um neue Detektoren, Messgeräte, Materialien, aber auch um mathematische und statistische Methoden oder neue Softwarealgorithmen handeln. An unserem Stand präsentieren wir Ihnen zwei zentrale Fragen, die Forschende der Teilchenphysik heute bewegen: Der Ursprung von Dunkler Materie und die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie.

Dunkle Materie und vor allem Antimaterie haben schon viele Science Fiction Geschichten und Filme inspiriert. In der Forschung versuchen wir die Fakten zu verstehen: zu jedem Elementarteilchen gibt es ein Antiteilchen, welches die gleiche Masse, aber entgegengesetzte Ladungen aufweist. Treffen ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinander, so zerstrahlen sie zum Beispiel in zwei energiereiche Lichtteilchen. Umgekehrt können aus Energie Teilchen-Antiteilchen-Paare erzeugt werden. Beim Urknall wurden aus der anfangs vorhandenen Energie zunächst gleiche Mengen Materie und Antimaterie erzeugt. Heute beobachten wir im Universum allerdings (fast) nur noch Materie, der Grund für diese Asymmetrie ist noch nicht verstanden.

Noch geheimnisvoller ist der Ursprung von sogenannter Dunkler Materie: viele kosmologische Messungen deuten darauf hin, dass ein grosser Teil der Materie im Universum nicht sichtbar ist, das heisst nicht leuchtet. Aus Messungen der Effekte aufgrund der Gravitation vermutet man, dass das Universum zu fast 27 Prozent aus sogenannt Dunkler Materie und zu rund siebzig Prozent aus Dunkler Energie besteht. Was sich dahinter verbirgt, ist bislang noch vollkommen unklar. Forschende versuchen mit speziellen Detektoren für Dunkle Materie und mit Hilfe von Experimenten am CERN Antworten auf diese Fragen zur Struktur unseres Universums und den fundamentalen Wechselwirkungen zu finden.

Physiker und Physikerinnen von Universität und ETH Zürich sind prominent am Projekt «Large Hadron Collider (LHC)» beteiligt, wo jede Sekunde Millionen von Proton-Proton Kollisionen aufgezeichnet werden, um damit grundlegende Erkenntnisse zu gewinnen. Mit dem Experiment "Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest (GBAR)" wird insbesondere das Verhalten des "Anti-Wasserstoff-Atoms" untersucht.

Das CERN ist die weltweit wichtigste und grösste internationale Forschungseinrichtung für die Teilchenphysik (Informationen dazu auf Englisch unter http://home.cern). Spezielle Experimente zum direkten Nachweis von dunkler Materie sind im Gran Sasso Untergrundlabor in Italien aufgebaut. Forschende der Universität und ETH Zürich sind hier an dem zur Zeit empfindlichsten Experiment «Xenon» federführend beteiligt (https://www.physik.uzh.ch/groups/groupbaudis/xenon/). Dunkle Materie kann aber bis heute nur über ihre Gravitationswechselwirkung nachgewiesen werden. Zum Beispiel wird Licht von weit entfernten Lichtquellen durch Masse abgelenkt, was mit hochauflösenden Teleskopen untersucht wird. Bei den Auswertungen spielen Forschende der ETH Zürich eine führende Rolle. Anhand von Computer-Animationen und Postern zeigen wir Ihnen die experimentellen Messmethoden und Analysen bis hin zu den physikalischen Erkenntnissen, die Forschende daraus ableiten und wir erzählen Ihnen über unsere Zusammenarbeit in grossen, internationalen Kollaborationen.

Beteiligte

• Prof. Dr. Christophorus Grab
• Prof. Dr. Laura Baudis
• PD Dr. Olaf Steinkamp
• Dr. Katharina Müller