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«Physics at the End of the Universe» – so heisst der Titel des Vortrags von Katie Mack von der North Carolina State University vom kommenden Mittwoch an der Universität Bern. Doch fangen wir vorne an, mit der Geburt unseres Universums. Können Sie erklären, was beim Urknall geschehen ist?
Michele Weber: Man ist sich heute sehr sicher, dass die Geschichte unseres Universums mit dem Urknall begann. Unser gesamtes Universum mit allen Kräften, aller Materie und Raum und Zeit entstand aus einem einzigen Punkt – einer Singularität – heraus. Das geschah vor rund 13.8 Milliarden Jahren. Von diesem Punkt der unendlichen Dichte an Materie und Energie begann sich das Universum sehr schnell auszudehnen und sich abzukühlen. In diesem Prozess haben sich die fundamentalen Kräfte wie etwa die Gravitation herausgebildet und Elementarteilchen und später Atome sind entstanden. Die Expansion des Universums ist noch immer im Gange, es bewegt sich nach wie vor auseinander.
Weshalb lohnt es sich, sich mit den ersten Sekundenbruchteilen des Universums zu beschäftigen?
In der Teilchenphysik arbeiten wir mit dem sogenannten Standardmodell. Dieses Modell beschreibt die uns bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Alles, was im Standardmodell enthalten ist, erklärt aber gerade einmal 4% der Energie im Universum. 25% sind dunkle Materie, für die wir aktuell keine Erklärung haben und von der wir nicht wissen, wie wir sie ins Standardmodell integrieren könnten. Und weitere 70% sind sogenannte dunkle Energie, über die wir sogar noch weniger wissen. Im Standardmodell gibt es also grosse Fragen, die stark mit dem Universum und seiner Entstehung zusammenhängen. Wir erforschen den Urknall, weil dort die fundamentalen Kräfte, wie wir sie heute kennen, entstanden sind. Wir versuchen zu verstehen, wie die Naturgesetze entstanden sind, wollen sie erklären, um letztlich alles zusammenführen zu können im Standardmodell der Teilchenphysik.
Wie erforscht man den Urknall?
Das ist dann möglich, wenn man einen ähnlichen Zustand simuliert wie zur Zeit kurz nach dem Urknall. Zu Beginn war das Universum extrem heiss und die Kollisionsenergie war sehr hoch – und je näher man der Singularität zu Beginn des Universums kommt, desto grösser ist die Energie. Solche Energiebereiche können wir mit grossen Teilchenbeschleunigern wie dem LHC am CERN in Genf erzeugen. Mit dem LHC können wir eine so hohe Energie erzeugen, dass wir den Zustand des Universums 10-12 Sekunden [ein Billionstel einer Sekunde] nach dem Urknall erforschen können. Von da
her kann man versuchen, herzuleiten, was zwischen dieser Zeit und der Zeit 370'000 Jahre nach dem Urknall passiert ist. Zu dieser Zeit kühlte sich das Universum so stark ab, dass sich Photonen frei bewegen konnten und das Universum durchsichtig wurde – vorher war es eine heisse undurchsichtige Plasmawolke.
Sie erwähnen das CERN in Genf. Wird auch an der Universität Bern zum Urknall geforscht?
Ja, gerade auch an der Forschung am LHC am CERN sind wir stark involviert. Von entscheidender Bedeutung bei der Erforschung der Ereignisse kurz nach dem Urknall in Teilchenbeschleunigern wie dem LHC sind die Teilchendetektoren, mit denen die Ereignisse überhaupt erst aufgezeichnet werden können. Der grösste Teilchendetektor am LHC ist ATLAS. Die Universität Bern war Gründungsmitglied des ATLAS-Experiments und ist an dessen Betrieb und Weiterentwicklung nach wie vor massgeblich beteiligt. Zwischen 2025 und 2027 erhält der LHC ein grosses Update. Momentan arbeiten wir daran, ATLAS für den Betrieb danach, mit dem sogenannten «High-Luminosity LHC», vorzubereiten.
Auch in der Neutrinoforschung sind wir aktiv. Neutrinos sind Elementarteilchen, die etwa eine Sekunde nach dem Urknall entstanden sind und sie spielen eine Rolle zum Beispiel bei der Suche nach dem Grund für die Vorherrschaft der Materie über die Antimaterie im Universum. In der Neutrinoforschung haben wir eine Forschungsvereinbarung mit dem US-amerikanischen Forschungslabor Fermilab, dort entsteht das Deep Underground Neutrino Experiment DUNE, das ultimative Neutrino-Observatorium der Welt.
Blicken wir nun für einmal nicht zurück, sondern nach vorne, zum möglichen Tod des Universums. Kommenden Mittwoch wird die theoretische Kosmologin Katie Mack beim Collegium generale der Universität Bern einen Vortrag darüber halten, wie es mit dem Universum dereinst zu Ende gehen könnte. Ohne zu viel zu verraten: Es gibt verschiedene Theorien dazu. Was sagen Sie?
Im Moment zeigen die Messungen, dass sich das Universum noch immer beschleunigt und sich auseinanderbewegt. Wenn sich das fortsetzt, dann «reisst» die dunkle Energie das Universum sozusagen auseinander. Alles entfernt sich voneinander und die Gravitation ist irgendwann zu schwach, so dass sich aus toten Sternen keine neuen bilden können. Irgendwann hätten wir dann einfach nur noch Staub. Wie gesagt wissen wir aber kaum etwas über die dunkle Energie. Somit wissen wir auch nicht, ob sich die Expansion fortsetzt oder ob sich die dunkle Energie verändern wird. Es ist sehr schwierig, Milliarden von Jahre in die Zukunft zu blicken. Wir wissen dafür schlicht zu wenig, aber vielleicht verrät uns Katie Mack mehr?
Ist die Auseinandersetzung mit dem Ende des Universums trotzdem interessant?
Auf jeden Fall, und ich bin gespannt darauf, was Katie Mack zu sagen hat! Solche Diskussionen sind nur schon deshalb interessant, weil wir in der Teilchenphysik Tag für Tag komplizierte Experimente durchführen und uns mit Schwierigkeiten befassen wie «wie bringe ich das zum Laufen?», «weshalb funktioniert die Elektronik nicht?» und so weiter. Aber am Ende geht es doch um die grossen Fragen. Was erforschen wir und wieso macht das überhaupt Sinn? Für einmal nicht zum Ursprung, sondern in die andere Richtung, zum Ende zu blicken, ist sehr spannend.