Gänsehautmomente bei Quantum UniverseLehrkräfte tauchen ein ins Exzellenzcluster Quantum Universe

Über den Ursprung und die Zukunft des Universums hat Jan Louis in und außerhalb der Universität Hamburg schon viel gesprochen und noch mehr geforscht. Dem Zauber des Anfangs bleibt der Professor für Theoretische Physik dennoch verfangen. Mehr noch: Es laufe ihm jedes Mal der kalte Schauer über den Rücken, sobald es um die größten Erfolge seines Fachs gehe: „Ab zehn hoch minus zehn Sekunden nach dem Urknall haben wir eine erfolgreiche Beschreibung der Geschichte des Universums.“ Kunstpausen, Modulation und die leuchtenden Augen des Professors tragen dazu bei, dass auch die Nichtphysikerin einen wohligen Schauer verspürt, aber eine Frage gibt es dann doch: „Was meinen Sie mit erfolgreich?“, möchte Sabine Fernau wissen. Die Geschäftsführerin der Initiative NAT hat erneut Lehrkräfte zu einer Exkursion in die Science City Hamburg Bahrenfeld geladen. Genauer in das Exzellenzcluster Quantum Universe der Universität Hamburg, das längst bei den Teilchenbeschleunigern in Bahrenfeld heimisch geworden ist und mit ihnen kooperiert.

In den Urknall schauen

Zur Beantwortung der Frage wischt Jan Louis über seine Folie. Sie zeigt die Geschichte des Universums in Trichterform, am spitzen Ende der Urknall, an der breiten Öffnung Sterne, Galaxien, Gaswolken – und eine menschliche Familie. Kurzum, die sichtbare Materie, wie wir sie heute kennen, dargestellt auf einer Scheibe. Hinter diesem Weltall 2025 liegen noch fünf weitere Scheiben, die Entwicklungsphasen des Universums darstellen und bei denen der Professor „allergrößte Selbstdisziplin aufwenden muss“, um nicht näher darauf einzugehen, weil das den Zeitplan der Veranstaltung sprengen würde. Seine Kurzfassung einer Antwort lautet: „Abgesehen vom frühen Universum kennen wir alle physikalischen Gesetze, können das Universum expandieren lassen und kriegen die Struktur, so wie wir sie heute beobachten.“ Unter einer Bedingung: „Das funktioniert nicht gut, wenn es Dunkle Materie nicht gibt“, so der Teilchenphysiker.

Störungsfrei forschen und fahnden

Neben Quantengravitation, Gravitationswellen und Higgs-Boson ist Dunkle Materie eines der vier Felder, die das Exzellenzcluster Quantum Universe ausmachen. Allerdings konnte sie im Unterschied zum Higgs-Teilchen noch nicht in Laborexperimenten nachgewiesen werden. Professorin Erika Garutti und Doktorandin Lea wollen das ändern mit Detektoren, die auch bei winzigen Energiemengen funktionieren sollen und an denen sie in der „Shielded Experimental Hall“ (SHELL) arbeiten. Wobei die Halle aus Experimentierräumen mit drei Meter dicken Stahlbetonwänden besteht – denn diese schirmen elektromagnetische Wellen ab. „Man ist sehr gut isoliert“, so Erika Garutti, „und kann sich konzentrieren.“ Nämlich auf die Suche nach Teilchen mit extrem niedriger Masse und entsprechend schwacher Signalkraft, die aber, so die Grundannahme im SHELL, unter uns weilen. „Dunkle Materie muss da sein, wo sich auch sichtbare Materie befindet – in Galaxien sogar fünfmal mehr.“

Von der Breite an die Spitze kommen

Die Lehrkräfte sind vom Fach, sie haben viele „gute Fragen“, lobt die Physikprofessorin. Vor allem nehmen die Exkursionsteilnehmer mit, dass Hamburg in der Champions League mitmischt – und das schon seit 2019. So lange ist die Universität Hamburg Exzellenzuniversität mit insgesamt vier Clustern, davon zwei allein im Fachbereich Physik. Wenn es gut läuft, geht es im Mai 2025 noch mal in die Verlängerung. Das bietet Chancen, gerade für den Nachwuchs. „Die Schüler würden genug verstehen, um es spannend zu finden“, sagt Silke Stamm, die seit Jahren das Physikprofil am Johann-Rist-Gymnasium in Wedel leitet. Fachkollege Andreas Gedaschko vom Gymnasium Rahlstedt vermisst das Thema Gravitation bei den Prüfungsthemen. Aber das halte weder ihn noch einen seiner Schüler auf. „Einer kommt hier jede Woche auf den Campus“. Für die Faszination Grundlagenforschung, die Zusammenarbeit von Quantenphysik und Kosmologie und ein Arbeitsumfeld, das international und interdisziplinär zugleich ist.

Unter der Welle

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Instrumente und Detektoren sind genau das Ding von Oliver Gerberding. Dafür ist er Experimentalphysiker geworden. Aber nur wer weiß, wonach er sucht und mit welchem Ziel, kann auch fündig werden. Daher geht es nicht ohne theoretisches Wissen – und das bringt der (Noch-Junior-)Professor mal schnell im Institut für Experimentalphysik für Hamburger Lehrkräfte auf die Bühne. Besser gesagt als Präsentationsfolie an die Wand: Einsteins gekrümmte Raumzeit dargestellt als flexibles Gitternetz, in das die Erde eine kleine Delle macht, während die Sonne mit weit mehr Masse deutlichere Spuren hinterlässt. Eine große Delle bedeutet mehr Raum und langsamer tickende Uhren, sagt der Physiker. „Das ist die Kurzzusammenfassung der Allgemeinen Relativitätstheorie, die uns bis heute beschäftigt.“

Unsichtbares ans Licht bringen

Ein Sicherungskasten kann ein Indikator sein. Sobald die Zahl der Schalter, Kabel und Steuerungselemente unübersichtlich wird, handelt es sich in der Regel um eine komplizierte Anlage. Hamburger Lehrkräfte blicken im Keller von Hera West, einer der Eingänge in den unterirdischen Ringtunnel HERA auf einen riesigen Sicherungsschrank. Das rot-weiße Absperrband drumherum scheint zu signalisieren: Finger weg, Grundlagenforschung! „Niemand kann sagen, was an Anwendungen aus der Grundlagenforschung entstehen kann, weil wir möglicherweise völlig Neues entdecken“, sagt Axel Lindner. Der Teilchenphysiker hat mit seinem Team unterhalb des Volksparkstadions in dem stillgelegten Teilchenbeschleuniger ein Experiment aufgebaut, das sich „Any Light Particle Search“, kurz ALPS nennt. Es besteht aus supraleitenden Magneten, Laserlicht, Spiegeln, Detektoren, fast 6000 Ampere Strom und ist in geheimnisvoller Mission unterwegs: Licht in Dunkle Materie verwandeln.

Date am DESY

Es gibt Menschen und Momente im Laufe einer Schulkarriere, die bleiben. Bei Beate Heinemann gehören eine Grundschullehrerin für Mathematik, ein „ganz toller“ Physiklehrer in der Oberstufe und eine Exkursion zum DESY dazu. Wobei die Professorin den Schulausflug an ihre heutige Wirkungsstätte nicht unwissenschaftlich verklären möchte: „Ich kann nicht sagen, welchen Impact das genau auf mein Physikstudium hatte, aber ich erinnere es fast 40 Jahre später immer noch“, sagt die Noch-Direktorin für Teilchenphysik. Bald wird sie den Vorsitz im Direktorium übernehmen und ist dann die erste Frau an der Spitze einer Forschungslandschaft mit 3000 Beschäftigten, 500 Doktoranden und 13.000 Jugendlichen, die im Rahmen einer Schulexkursion jährlich ans DESY kommen: „Es ist uns ein enormes Anliegen für die Natur- und Ingenieurswissenschaften zu begeistern“, so die neue Generaldirektorin.