Den genetischen Code unseres Universums entschlüsseln

Marc Schumann
Foto: Jürgen Gocke / Universität Freiburg

Marc Schumann sucht mit Detektoren unter der Erde nach Teilchen der Dunklen Materie.

Das auslaufende Wissenschaftsjahr 2023 steht unter dem Motto „Unser Universum“. Obwohl das Universum im Alltag selten eine Rolle spielt, geht von diesem Thema eine große Faszination aus. „Der Blick in den Sternenhimmel, auf die Milchstraße, ist einfach unglaublich beeindruckend. Und er ist eng verknüpft mit der Frage: Wie funktioniert diese Welt, in der wir leben?“, sagt Astroteilchenphysiker Prof. Dr. Marc Schumann von der Universität Freiburg. Über die Materie, die unser Leben hier auf der Erde prägt, weiß die Physik viel: Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die verschiedenen Elementarteilchen wie Elektronen, Quarks oder Neutrinos, und wie sie miteinander interagieren.

Diese Theorie, sagt Schumann, beschreibe aktuell alle Ergebnisse der Experimente am CERN in Genf „mit atemberaubender Genauigkeit“. Gleichzeitig ist bekannt, dass die sogenannte baryonische Materie, die das Standardmodell beschreibt, nur 5 Prozent des gesamten Inhalts des Universums ausmacht. Der Großteil des Universums besteht aus Komponenten, über die bisher nur sehr wenig bekannt ist: zu 68 Prozent aus Dunkler Energie und zu 27 Prozent aus Dunkler Materie. Schumann geht in mehreren Forschungsteams der Frage nach, aus welchen Teilchen Dunkle Materie eigentlich genau besteht.

Dunkle Materie: die Nadel im Heuhaufen

Dunkle Materie wechselwirkt nicht mit elektromagnetischer Strahlung. Licht geht einfach durch sie hindurch. Darum bedienen sich Schumann und seine Kolleg*innen einer Methode, die die Dunkle Materie-Teilchen indirekt über ihre Interaktion mit Atomen nachweisen möchte. „Das Mess-Prinzip ist ganz einfach: es funktioniert wie Billard. Das Dunkle-Materie-Teilchen ist die weiße Kugel – und die ist unsichtbar. Sichtbar sind die bunten Kugeln, in unseren Detektoren Atome des Edelgases Xenon. Die Idee ist: Wenn die weiße Kugel, also das Dunkle-Materie-Teilchen, eine bunte Kugel anstößt, dann können wir die durch Dunkle Materie ausgelöste Bewegung messen.“

Bisher ist ein solcher Nachweis von Dunkle-Materie-Teilchen allerdings noch nicht gelungen, denn Wechselwirkungen mit anderer Materie sind extrem selten. „Wir suchen die Nadel im Heuhaufen“, sagt Schumann. „Dabei versuchen wir, den Heuhaufen so klein wie möglich zu bekommen.“ Konkret heißt das: Schumann entwickelt mit seinem Team Detektoren, die so gut wie möglich von diversen Störungen abgeschirmt werden. Als Schutz vor der kosmischen Strahlung, die aus dem All auf die Erde einprasselt, befinden sich die Detektoren mehr als einen Kilometer unter der Erde. Gegen die Strahlung, die aus radioaktiven Zerfällen im Boden entsteht, schützt eine mehrere Meter dicke Wasserschicht. Auch die einzelnen Teile des Detektors selbst werden sorgfältig geprüft und gereinigt, um den Strahlungshintergrund so gering wie möglich zu halten.

„Letztlich versuchen wir, den genetischen Code des Universums zu entschlüsseln – also sozusagen das Modell hinter dem Standardmodell zu finden“, so Schumann. Wenn in hundert Jahren das Wissenschaftsjahr noch einmal unter dem Thema „Unser Universum“ steht, könnte die anerkannte Physik sehr anders aussehen als heute. „Bereits in der Vergangenheit haben einzelne Experimente ganze Theorien zu Fall gebracht“, bemerkt Schumann. „Zu welchen Erkenntnissen uns die jetzigen Experimente führen werden, kann niemand vorhersagen.“

Marc Schumann steht gerne für Medienanfragen zur Verfügung.

Er ist einer der Sprecher*innen der Exzellenzcluster-Initiative „PARTICLES – Breaking new ground in particle physics with innovative technologies and novel experiments“, einem Verbundprojekt mit der Universität Heidelberg und dem Karlsruher Institut für Technologie. Weitere Informationen dazu sowie zur Freiburger Exzellenzstrategie insgesamt finden Sie hier:
https://uni-freiburg.de/universitaet/themen-im-fokus/exzellenzstrategie/

Marc Schumann
Professur für Experimentelle Astroteilchenphysik
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Telefon: +49 761/203-96894
E-Mail: marc.schumann@physik.uni-freiburg.de

Kontakt:
Hochschul- und Wissenschaftskommunikation
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Telefon: +49 761/203-4302
E-Mail: kommunikation@zv.uni-freiburg.de

Weitere Informationen:

https://kommunikation.uni-freiburg.de/pm/expertendienst/wir-wollen-den-genetisch…

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Rimma Gerenstein Hochschul- und Wissenschaftskommunikation
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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