Verbindung von Weltall und Elementarteilchen

Text: Sven Titz

Georgi Dvali ist ein Topexperte auf dem Gebiet der Teilchenforschung. An der Ludwig-Maximilians-Universität und dem Max-Planck-Institut für Physik in München wird er Kosmologie und Astrophysik mit Elementarteilchenforschung verbinden und zum Beispiel Annahmen über die Existenz weiterer Raumdimensionen überprüfen.

Grundsätzliche Fragen der Physik faszinierten Georgi Dvali bereits, als er noch in Georgien zur Schule ging. „Damals war ich elf oder zwölf Jahre alt und grübelte darüber nach, wie das Universum entstanden sein mochte“, sagt der Forscher. Es ist auch heute noch sein Lieblingsthema. Nach zehn Jahren Forschung in den USA geht Dvali den fundamentalen physikalischen Fragen künftig in München nach.

Dvali gilt als einer der ideenreichsten Köpfe seiner Zunft. Kaum ein anderer verknüpft so virtuos mehrere Fachgebiete – und fördert auf diese Weise neue Erkenntnisse der Theoretischen Physik zutage: Einerseits beschäftigt sich Dvali mit Elementarteilchen, andererseits mit Kosmologie und Astrophysik. Dvali will im Rahmen seiner Münchner Professur zum Beispiel die Versuchsdaten des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC) in Genf auswerten.

Auf der Suche nach dem Higgs-Teilchen
Dort, am Europäischen Kernforschungszentrum CERN, werden Elementarteilchen experimentell untersucht. Um der Materie ihre innersten Geheimnisse zu entlocken, lässt man Teilchen mit hohen Geschwindigkeiten aufeinanderprallen. Bei den Kollisionen entstehen zahlreiche weitere Teilchen, die Aufschluss über den Aufbau der Materie geben. Die Fachleute hoffen, mit dem LHC endlich ein Teilchen nachweisen zu können, das nach dem allgemein akzeptierten Standardmodell der Physik existieren muss, jedoch noch nicht beobachtet werden konnte: das Higgs-Teilchen, mit dem erklärt werden soll, was subatomaren Elementarteilchen ihre Masse verleiht.

Vermutlich werde man am LHC in Genf aber viel mehr neue Physik entdecken, spekuliert Dvali. „Wir hoffen zum Beispiel, dass wir mit der Maschine unsere Ideen von der Existenz zusätzlicher Dimensionen testen können“, sagt er. Die viel diskutierte Hypothese besagt, dass sich in der Welt des Allerkleinsten weitere Raumdimensionen eröffnen könnten – also mehr als die bekannten drei. Dvali entwickelt mathematische Modelle dazu. Mit den neuen Messungen will er prüfen, ob sie realistisch sind. Einige Physiker, darunter auch Dvali, sagen zudem voraus, dass bei den LHC-Experimenten kurzzeitig schwarze Löcher entstehen werden – wenn auch nur mikroskopisch kleine. Diese flüchtigen Phänomene seien nicht gefährlich, beruhigt Dvali gleich. „Wir haben sogar Schwierigkeiten, die schwarzen Löcher lange genug aufrechtzuerhalten, um sie analysieren zu können.“

Himmelsschau als Theorietest
Bei Dvalis Thema Nummer zwei – Kosmologie und Astrophysik – geht es um unvorstellbar große Entfernungen. Mit Teleskopen lassen sich sogar Ereignisse beobachten, die kurz nach dem Urknall passiert sind. Direkt nach dem „Big Bang“ war das Universum noch deutlich kleiner als ein Stecknadelkopf. Doch es dehnte sich rasend schnell aus. Im Hintergrund des Kosmos lässt sich mit Teleskopen eine Strahlung wahrnehmen, die von jenen Anfangsmomenten erzählt. Das ist die sogenannte Hintergrundstrahlung, die Milliarden von Jahren bis zu uns unterwegs war. „Für uns ist der Himmel wie der Projektionsschirm eines gigantischen Mikroskops“, sagt Dvali. Er will an den Beobachtungen ablesen, ob seine mathematischen Modelle der Elementarteilchenphysik stimmen. Denn die Physik des Allerkleinsten und die Physik des Kosmos seien untrennbar verbunden: Vermutlich wurden die Vorgänge, die direkt nach dem Urknall abliefen, von Gesetzen bestimmt, die auch für die Elementarteilchen gelten. „In vielerlei Hinsicht“, sagt Dvali, „lässt sich die Theorie der Elementarteilchen mithilfe von kosmologischen und astrophysikalischen Beobachtungen testen.“

Dvali will auch die Bewegungen der Planeten und Monde in Betracht ziehen, um seine Theorien zu prüfen und weiterzuentwickeln. Fachleute vermuten etwa, dass Einsteins Relativitätstheorie nicht zu hundert Prozent genau ist. Demnach gibt es winzige Abweichungen der Gravitation von der Theorie. Diese müssten sich zum Beispiel in der Umlaufbahn des Erdmonds zeigen. Um die Abweichungen zu messen, wurden auf dem Mond Spiegel aufgestellt. Anhand der unterschiedlichen Laufzeit von Lichtstrahlen, die zum Mond und wieder zurücklaufen, beobachten Forscher die Mondumlaufbahn mit außergewöhnlicher und noch wachsender Genauigkeit. Anhand der so gewonnenen Daten will Dvali nun in München die Vermutung überprüfen.

Dabei schätzt der Georgier an dem Ruf nach Deutschland vor allem „die flexible Unterstützung durch die Alexander von Humboldt-Stiftung“ und das hohe Niveau der Forschung vor Ort. „Ich finde die Gruppe in München richtig aufregend“, sagt er und hofft, die eine oder andere Antwort auch auf die fundamentalen Fragen aus seiner Kindheit zu finden.