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FORSCHUNG/482: Dem Urknall auf der Spur (BI.research - Uni Bielefeld)


BI.research 31.2007
Forschungsmagazin der Universität Bielefeld

Dem Urknall auf der Spur
Bielefelder Teilchenphysiker auf der Suche nach dem, was die Welt im Innersten zusammenhält

Von Sabine Schulze


Sie widmen sich dem Allerkleinsten. Ihr Anspruch: nichts Geringeres, als das All, die Welt, das große Ganze zu erklären. Seit mehr als 20 Jahren gehen die Elementarteilchenphysiker der Universität Bielefeld der Frage nach, wie alles begann. Wann alles begann, können sie durchaus relativ genau sagen: Vor 14, 15 Milliarden Jahren ist der Urknall, der so genannte "Big Bang" erfolgt. "Damals muss die Energie- und Teilchendichte enorm hoch gewesen sein", sagt Prof. Dr. Edwin Laermann. Nach der Vorstellung der Physiker ist es zu einer großen Explosion gekommen, bei der die extrem verdichtete Masse auseinandergeschleudert wurde. Die Idee eines Big Bang drängte sich auf, weil das All sich noch heute ausdehnt. Der erste, der dies entdeckte, war der amerikanische Astronom Edwin Hubble. Er konnte durch die Messung der so genannten Rotverschiebung des Lichts, das die Erde aus fernen Galaxien erreicht, errechnen, wie schnell sich diese entfernen. Und er stellte fest, dass sich die Galaxien um so schneller von uns entfernen, je größer die Distanz bereits ist. Damit hatte Hubble die Expansion des Universums entdeckt.


Noch unbeschreiblich: Der Urknall

"Die alltagsgemäße, logische Vorstellung ist nun, dass man nur rückwärts gehen muss und dann wieder auf einen Punkt kommt", sagt Laermann. Beinahe, als ob man einen Film zurücklaufen lässt, um zum Anfang zurückzukehren. Durch ihre Berechnungen haben die Physiker den Zeitpunkt dieses Beginns, als aus einer kompakten Energie das All entstand, auf etwa 15 Milliarden Jahre vor unserer Zeit festgelegt. Den Urknall selber können die Wissenschaftler nicht beschreiben. "Wir haben das richtige Grundgesetz noch nicht gefunden. Auf geringsten Abständen wirkende Kräfte zu beschreiben, kann nur mit der Quantentheorie gelingen. Aber die erste bekannte Kraft der Geschichte des Universums, die Gravitation, ist so noch nicht zu erfassen", beschreibt Laermann das Dilemma. Für die Vorstellung eines Urknalls spricht aber auch die "kosmische Hintergrundstrahlung", die als das Nachleuchten des Big Bang betrachtet wird. Sie erreicht die Erde aus allen Richtungen gleichmäßig: Indiz für eine große Explosion mit einer gleichmäßigen Ausbreitung in den Raum - oder besser mit dem Raum, der ebenso wie die Zeit erst in diesem Moment entstand.


Simulation mit Teilchenbeschleunigern

Auf die Frage, woher die Materie, woher die Energie für den Urknall kam, bleibt die Wissenschaft die Antwort noch schuldig. Der Frage hingegen, was unmittelbar nach dem Urknall, in den ersten Sekunden und Bruchteilen von Sekunden nach der großen Explosion geschah, gehen Physiker aus aller Weit in Teilchenbeschleunigern nach: in Forschungsanlagen, in denen das Geschehen vor Milliarden Jahren simuliert wird, indem kleinste Teilchen in riesigen Maschinen durch elektrische Felder beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Für den Bruchteil von Sekunden sind die Bedingungen dann so wie beim Urknall, sind die Wechselwirkungen der Elementarteilchen unter diesen Bedingungen zu beobachten und können sogar neue Bausteine, die am Beginn des Lebens standen, erzeugt werden.

Die Bielefelder Physiker arbeiten mit dem europäischen Kernforschungszentrum CERN, dem Labor mit Beschleunigern in Genf, sowie mit dem Brookhaven National Laboratory, New York, das von US-Spitzenhochschulen betrieben wird, zusammen - in ihrer Zunft eine große Auszeichnung und quasi ein Ritterschlag. Den allergrößten Teil des Jahres verbringt Prof. Dr. Frithjof Karsch dort seit 2005 auf den Spuren der kleinsten Teilchen. "Sie sind die grundlegenden Bausteine: Aus Quarks und Gluonen wurden schon nach Bruchteilen von Sekunden, als die Temperatur nach dem Big Bang weit genug absank, Protonen und Neutronen, 300.000 Jahre später dann Atome und Moleküle", sagt Karsch. Und letztendlich sind das wiederum die Bausteine für alle Flüssigkeiten und festen Körper. Fast neun Jahre dauerte der Bau des Brookhaven-Ringbeschleunigers, der einen Umfang von 3,8 Kilometern hat. 1740 Magnetspulen lassen in zwei Rohren je 57 Teilchenpakete annähernd in Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung umlaufen. An vier Kreuzungspunkten kommt es zu spektakulären Kollisionen, zu Mini-Katastrophen, bei denen Wissenschaftler aus aller Welt genau festhalten, was geschieht. Das erste "Ereignis", wie die Physiker es erhofft hatten, trat in Brookhaven gleich im ersten Jahr ein: Am 12. Juni 2000, 21 Uhr, rasten Teilchen nach einer Kollision vom Kreuzungspunkt in alle Richtungen: Ein kleiner "großer Urknall".

"Die Atomkerne von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und vielen anderen chemischen Elementen wie Helium, Deuterium oder Lithium - sie müssen in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem großen Knall entstanden sein", sagt Laermann. Die Häufigkeit der Elemente, erklärt er, lasse sich qualitativ ableiten. Und als Kernfusionsreaktoren fungierten die Sterne, die sich in den ersten paar hundert Millionen Jahren der Welt aus dem Staub im All zusammenklumpten, verdichteten und dank der dadurch entstehenden Energie brannten und Sonnenlicht abstrahlen konnten.


Nachweis der "Ursuppe" mit Bielefelder Beteiligung

Sicher ist, dass bereits in der allerersten Sekunde des Universums eine "Ursuppe" entstand. Ihr Nachweis gelang Anfang 2000 am CERN mittels Verfahren, an deren Entwicklung Prof. Dr. Helmut Satz - er begründete an der Universität Bielefeld die Elementarteilchenphysik - maßgeblich beteiligt war. Erstmals wurde vor sieben Jahren Plasma wie beim Urknall erzeugt - durch den Aufprall von Atomkernen bei einer Temperatur, die 100.000-mal höher war als die Temperatur im Innern der Sonne; 20-fach höher als in herkömmlicher Kernmaterie war die Dichte. In einer solchen Plasma-Ursuppe aus Quarks und Gluonen haben sich dann die ersten Bindungszustände, haben sich wie in einem Pudding die ersten Klümpchen, die ersten "Festkörper", gebildet. Diesem Scheidepunkt, diesem Phasenübergang, dem nach Meinung der Physiker zwei weitere vorausgegangen sind - der eine gut verstanden und auszurechnen, der andere eben mangels Theorie der Quantengravitation im Dunkeln - gehört das besondere Interesse der Bielefelder Forscher. 10 hoch minus sechs Sekunden nach dem Big Bang muss dieser Übergang, begleitet von drastischen Effekten, erfolgt sein - eine Zeitspanne, an der gemessen ein Wimpernschlag eine Ewigkeit dauert. Theoretisch haben Karsch und Laermann, für die die Zusammenarbeit mit Brookhaven auch wegen der hervorragenden Computerausrüstung des US-Labors attraktiv ist, schon ausgerechnet, was in diesem Moment passiert ist. Es fehlt aber noch der experimentelle Nachweis: die Messung, wie sich Druck, Energie und Temperatur verändert haben müssen. Einige hundert Physiker und Ingenieure arbeiten stets zusammen, um diese Experimente durchzuführen. Wochenlang werden die Versuche vorbereitet, um das nötige Vakuum zu erzeugen und die supraleitenden Magneten auf eine Temperatur von 270 Grad Celsius unter Null abzukühlen, bevor man Teilchen mit enormer Geschwindigkeit aufeinander schießen kann.


Auf der Suche nach dem Higgs

Wie aufwändig und kostspielig diese Experimente sind, lässt sich zum Beispiel daran ermessen, dass die Stromrechnung in Brookhaven jährlich zig-Millionen Dollar beträgt oder der weltweit größte Heliumvorrat (zum Kühlen) derzeit am CERN lagert. Dort soll bald unterirdisch der "Large Hadron Collider" die Arbeit aufnehmen, und er wird zweifellos die Elite der Zunft nach Genf locken. Die Aufgabe des "LHC": das "Higgs" zu entdecken - ein nach einem britischen Wissenschaftler benanntes Teilchen, das experimentell noch nicht nachgewiesen werden konnte, aber nach der Überzeugung der Physiker vorhanden sein muss: als Teilchen, das über einen komplizierten Mechanismus den Quarks ihre Masse verleiht, ohne die es keine Gravitation gäbe.


Noch weitere Big Bangs?

Etwa zehn Prozent der Materie des Universums kennen die Physiker heute. Der große Rest liegt noch im Dunkeln. "Wir wissen aber aufgrund der Beobachtung, wie sich Galaxien umeinander bewegen, aufgrund der Gravitation, wie viel Materie vorhanden sein muss", erklärt Karsch. Sicher ist jedenfalls, dass sich das Universum zur Zeit weiter ausdehnt. "Gibt es aber zuviel Materie im Universum", meint Karsch, "wird sich das All in ferner Zukunft erneut zusammenziehen - und irgendwann wieder ein Urknall erfolgen." Für die Physiker ist es durchaus denkbar, dass der Big Bang, dem wir das Entstehen unseres Universums verdanken, nicht der erste und einzige war. "Wahrscheinlich gab es mehrere Versuche, die mal zu dichte und mal zu lockere Masse hervorbrachten und deshalb wieder kollabierten." Dann wäre "unser" Big Bang, der richtige, nichts als ein Zufall? "Vermutlich ja", meint Karsch. Auch wenn dank der Erkenntnisse der Wissenschaftler für manchen ein Weltbild zusammenbrechen mag: "Die Börse", lächelt Laermann, "wird das Wissen über den Urknall erst einmal nicht beeinflussen". Und doch wollen er, Karsch, und Physiker-Kollegen rund um den Erdball wissen, "was die Welt im Innersten zusammenhält". "Manchmal muss man sich mit den kleinen Dingen beschäftigen, um die großen Zusammenhänge zu begreifen", sagt Karsch. Viele Fragen sind noch offen, mehr Wissen wird weitere aufwerfen, und auf viele wird es vielleicht nie eine Antwort geben. Von Zweifeln werden die Bielefelder Physiker gleichwohl nicht zerfressen, und auch an übernatürlich wartende Kräfte glauben sie nicht: "Wir Physiker sind geduldige Leute."


Praktische Nebenprodukte der Teilchenphysik

L'art pour l'art ist ihre Arbeit - vom Erkenntnisgewinn abgesehen - zudem keineswegs: Teilchenbeschleuniger werden heute in der Medizin zur Diagnostik und Therapie genutzt. Die Vorläufer der Detektoren, die heute in Positronen Emissions-Tomographen eingesetzt werden, um Tumore aufzuspüren, wurden als Teilchendetektoren am CERN entwickelt. Und das Wissen, dass Elektronen, die mit der passenden Energie auf ein Objekt treffen, Molekülbindungen "knacken" oder umgekehrt verursachen können, wird auch genutzt - um Gummihandschuhe mit neuen Bindungen stabiler zu machen oder Farben auf Getränkedosen im Nu zu trocknen, um zu sterilisieren und Keime abzutöten oder um Giftiges in eine harmlose Substanz zu verwandeln. Und um die Liste der Beispiele abzuschließen: Forschungstechnologien auf der Basis von Synchrotronstrahlung (wie sie an Teilchenbeschleunigern erzeugt wird) und Massenspektronomie halfen, die Struktur des AIDS-Virus zu entschlüsseln oder zu entlarven, dass das Turiner Grabtuch nicht älter als 681 Jahre sein kann: Die Baumwolle, aus der es gewebt wurde, wuchs erst 1325.


SABINE SCHULZE
BI.research hat eine neue Mitarbeiterin: Beginnend mit dieser Ausgabe wird Sabine Schulze regelmäßig Beiträge für das Forschungsmagazin der Universität Bielefeld verfassen. Sabine Schulze studierte Geschichts- und Literaturwissenschaft in Bielefeld und ist seit 1987 beim Bielefelder "Westfalenblatt" für die Wissenschaftsberichterstattung zuständig.


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Quelle:
BI.research 31.2007, Seite 16-21
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BI.research erscheint zweimal jährlich


veröffentlicht im Schattenblick zum 8. Januar 2008