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Die Suche nach Dunkler Materie ist eines der ‹hot topics› der aktuellen Elementarteilchen-physik. In jüngerer Zeit wurden leistungsfähige Detektoren entwickelt, die möglicherweise in der Lage sind, die Bestandteile dieser ‹dunklen›, unsichtbaren Materie experimentell nachzuweisen. Laura Baudis, Physikprofessorin an der Universität Zürich, hat zum Aufbau dieser Forschungsinfrastruktur in den letzten gut 20 Jahren einen massgeblichen Beitrag geleistet.
Es war im Jahr 1988, als für Laura Baudis die Welt plötzlich stillstand. Die Tocher eines Lehrer-Ehepaars war damals 18 Jahre alt und hatte in der rumänischen Stadt Temeswar gerade die Matura (Bacalaureat) gemacht. Anderswo hätten ihr nun alle Türen offengestanden, im kommunistischen Rumänien aber durfte sie weder studieren noch arbeiten. Ihre Eltern hatten nämlich kurz zuvor beantragt, das Land Richtung Westen verlassen zu dürfen. Ein solcher Ausreiseantrag war im sozialistischen Rumänien gleichbedeutend mit dem Verlust einer Lebensperspektive im eigenen Land: Die Eltern wurden vom Lehrerpult in die Verwaltungsabteilung eines Bergwerks versetzt, ihre Tochter Laura mit Studien- und Arbeitsverbot belegt.
Knapp zwei Jahre später, im Februar 1990, verliess die Familie das Land. Das rumänische Volk hatte sich unterdessen gegen den Ein-Parteien-Staat erhoben, am Weihnachtstag 1989 wurden Machthaber Nicolae Ceausescu und seine Frau hingerichtet. «Meine Eltern überlegten damals, ob sie nach der Revolution in Rumänien bleiben sollten, ich aber wollte nach zwei Jahren des Wartens endlich weg, und so machten wir es auch.» Die Eltern zogen mit Laura und ihren beiden jüngeren Geschwistern nach Deutschland, wo die Schwester der Mutter lebte. Nach dem Aufenthalt in mehreren Lagern fanden die «Aussiedler» in der Nähe von Heidelberg ein neues Zuhause.
Über Standford und Aachen nach Zürich
«Ich hatte eine glückliche Kindheit», erinnert sich Laura Baudis, die in einem literarisch gebildeten Elternhaus aufwuchs. Mit der deutschsprachigen Mutter übersetzte sie Gedichte von rumänischen Dichtern wie Paul Celan oder Ana Blandiana um die Wette. Über den Vater, der Französisch unterrichtete, lernte sie Existenzialisten wie Sartre, Camus und Simone de Beauvoir kennen. Neben der Literatur keimte damals eine zweite Leidenschaft: «Mathematik war meine grosse Liebe an der Schule», erinnert sich die heute 51-jährige. Als Schülerin besuchte sie ein Gymnasium mit einem Schwerpunkt in Mathematik, Physik und Informatik. Nach dem Umzug nach Deutschland holte sie das 13. Jahr nach – und entschied sich für ein Physikstudium in Heidelberg.
Von jetzt an schien nichts mehr die Karriere der Wissenschaftlerin bremsen zu können: Nach Studium und Promotion an der Universität Heidelberg wechselte sie 2000 als Postdoc an die Universität Stanford (Kalifornien). 2003 übernahm sie eine Assistenzprofessur an der Universität Florida in Gainesville. Als die Physikerin und ihr Mann drei Jahre später die Rückkehr nach Europa planten, wurden ihr Lehrstühle an der RWTH Aachen, der Universität Bonn und der Universität Zürich angeboten. 2007 wurde Laura Baudis nach einem Zwischenstopp in Aachen Physikprofessorin an der Universität Zürich (UZH), während ihr Mann – ausgebildeter Mediziner mit Doktorat in Molekularer Zytogenetik – an derselben Universität eine bioinformatische Forschungsgruppe startete und heute eine entsprechende Professur innehat. «Sie sind nicht ein Dual-career-problem, Sie sind für uns eine Dual-career-opportunity», begrüsste der spätere UZH-Rektor Michael O. Hengartner die Neuankömmlinge in Zürich.
Doktorarbeit zur Neutrinoforschung
Nathan, ihr Sohn, war jetzt acht Jahre alt, Tocher Naima vier. «In Standford hatten wir einen Hort auf dem Campus, zurück in Europa unterstützten uns meine Eltern», erzählt Laura Baudis. «Mein Mann und ich haben die Betreuungs- und Erziehungsarbeit immer geteilt, so wie ich das auch von meinen Eltern kannte, die ebenfalls beide berufstätig waren. In Rumänien waren ja alle Frauen berufstätig, eine Facette des kommunistischen Lebens, die mir erst später so richtig bewusst wurde.»
Im Jahr 1999, 30 Jahre alt, hatte Laura Baudis ihr erstes Kind und ihren Doktorhut, so wie sie es sich vorgenommen hatte. Damit war die Grundlage für die Familie ebenso gelegt wie für ihre wissenschaftliche Laufbahn. In ihrer Doktorarbeit hatte sie sich der Neutrinoforschung gewidmet. Sie untersuchte einen hypothetischen radioaktiven Zerfall (‹neutrinoloser Doppelbetazerfall›). Sie entwickelte unter anderem das Konzept eines Neutrinodetektors, wie er wenig später in abgewandelter Form am Gran-Sasso-Labor in Italien mit dem GERDA-Experiment gebaut wurde.
Eine Serie von Detektoren entwickelt
Bereits als Doktorandin befasste sich die Astroteilchenphysikerin mit Dunkler Materie – jener Form von Materie, die das Weltall ausfüllen muss, für deren Nachweis der Menschheit aber bislang geeignete Geräte fehlen. In den 1990er Jahren suchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler neue Wege, um diese Materie dingfest zu machen. Aus einer kleinen Forscherkollaboration, an der Laura Baudis beteiligt war, entstand im Jahr 2006 das XENON10-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor nordöstlich von Rom. Unter den Namen XENON100, XENON1T und XENONnT folgte in den Jahren danach eine Serie von weiteren Experimenten, die immer grösser und immer empfindlicher wurden. XENONnT startet in diesen Tagen mit den Messungen, die ersten Ergebnisse werden Ende Jahr erwartet.
«Ich bin stolz auf die Tatsache, dass ich die Technologie der XENON-Detektoren mitentwickeln konnte. Vor gut 20 Jahren haben wir klein angefangen. Heute bauen wir grosse Detektoren, die stabil laufen und Störeinflüsse eindämmen wie kein anderes Experiment dieser Art», sagt Laura Baudis. Störeinflüsse eindämmen – das ist eine zentrale Voraussetzung, um überhaupt eine Chance zu haben, die verborgenen Teilchen der Dunklen Materie aufzuspüren. Um dies zu erreichen, musste viel wissenschaftliche Exzellenz in das richtige Design und die Auswahl geeigneter Materialien gesteckt werden. Ein Schwerpunkt der Gruppe Baudis lag auf dem inneren Detektor, einem mit dem Edelgas Xenon gefüllten Behälter, in dem die gesuchten Teilchen – so die Hoffnung – Lichtspuren hinterlassen, die von hochempfindlichen Photodetektoren erfasst werden können. Auch bei der Ausleseelektronik und der Datenanalyse wirkt Baudis‘ Forschungsgruppe an vorderster Front mit.
Warten auf den grossen Fund
Gut zwanzig Jahre Forschungsarbeit hat Laura Baudis bisher in die Suche nach Dunkle-Materie-Kandidaten wie WIMPs und Axionen gesteckt, bisher ohne Erfolg. «Als wir 2008 den XENON100-Detektor in Betrieb nahmen, rechneten wir uns – basierend auf theoretischen Vorhersagen – gute Chancen aus, damit die Bausteine der Dunklen Materie zu entdecken, aber wir haben uns getäuscht.» Laura Baudis lässt sich vom bisherigen Ausbleiben des direkten Nachweises nicht beirren. Sie bleibt optimistisch und setzt ihre Hoffnung ins nächste Experiment. «Auch wenn wir die Teilchen bisher nicht gefunden haben, heisst das nicht, dass wir nichts gefunden haben. Vielmehr wissen wir immer besser, wo genau wir nach den Teilchen suchen müssen. Ausserdem liefern unsere Detektoren wichtige Erkenntnisse zu anderen Forschungsfeldern wie der Neutrinophysik.»
Keine Frage: Wer die Gesetze der Elementarteilchen untersucht, braucht einen langen Atem. Das gilt gerade auch für eine solch grundlegende Forschungsfrage wie den Nachweis von Dunkler Materie, auf den Laura Baudis mit ihrer Forscherkollaboration hinarbeitet. Für den Fall, dass das XENONnT-Experiment keine neuen Teilchen nachweisen wird, ist bereits das Nachfolge-Experiment DARWIN angedacht, das Laura Baudis mit konzipiert hat und das sie als Sprecherin nach aussen vertritt. DARWIN ist quasi die letzte Chance, nachher ist das Detektorkonzept nämlich ausgereizt, weil die Störeinflüsse von Neutrinos so gross werden, dass an einen Nachweis von Dunkler Materie nicht mehr zu denken ist. Das sind Zwänge, mit denen eine Forscherin wie Laura Baudis mitunter auch fertig werden muss. «Wenn die Arbeit mal wieder zuviel von mir will, dann lese ich gern ein Gedicht. Da kann ich wunderbar abschalten.»
Autor: Benedikt Vogel
Porträt #5 von Wissenschaftlerinnen im MAP-Bereich (2021)