Physik begreifbar machen

Sechs Pfeile stecken in einer Dartscheibe. Drei davon haben sehr nah beieinander in das Feld der 12 getroffen. Drei weitere befinden sich in oder um das Bull's Eye in der Mitte der Scheibe. Die große Frage: Welche Gruppe hat das bessere Ergebnis erzielt? Im Dartsport wäre die Antwort leicht. Hier würde man die Punkte zusammenrechnen und sich über die geringe Punktzahl der 12er-Gruppe ärgern, die Gruppe um das Bull's Eye würde siegen. Doch übertragen auf physikalische Messungen ist die Lage weniger eindeutig: Für eine Physikerin wäre eine Streuung der Ergebnisse wie bei den Pfeilen um das Bull's Eye interessant, da die Werte nah am erwarteten Ziel lägen. Allerdings wären die Werte nicht allzu präzise, sie lägen sehr weit auseinander. Eine Gruppe sehr eng beieinanderliegender Werte wie bei den Pfeilen im 12er-Feld würde ein sehr präzises Ergebnis zeigen – mehrere Messungen hätten einen fast identischen Wert ergeben. Einziges Manko: Die Ergebnisse wären relativ weit vom erwarteten Ziel entfernt.

Die Wanderausstellung "PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik" des Exzellenzclusters PRISMA⁺ (Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter) macht Station in der Schule des Sehens auf dem Gutenberg-Campus. Sie soll der breiten Öffentlichkeit ein hoch komplexes Forschungsfeld nahebringen, seine Methoden, seine großen Themen und deren umfassende Relevanz.

Eine der Hauptaufgaben in der Physik ist es, Fehlerquellen, die Ergebnisse beinträchtigen können, zu identifizieren und im besten Falle zu minimieren. Die oben beschriebene statistische Streuung mit leichten Abweichungen vom Zielwert lässt sich relativ leicht durch Wiederholen der Messung verringern. Systematische Abweichungen hingegen, mehrere Messergebnisse mit gleich großem Abstand zum Zielwert, sind schwerer in den Griff zu bekommen. Hier beginnt die Suche nach einem Fehler im System, beispielsweise nach einem falsch eingestellten Gerät. Wenn sich ein unerwartetes Ergebnis aber auch nach Ausschalten aller Fehlerquellen weiter bestätigt, dann könnte das ein Hinweis auf etwas ganz anderes sein: auf eine neue Physik, auf Teilchen und Kräfte außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik.

Auf der Suche nach neuer Physik

"Wir suchen nach neuen Teilchen, wir forschen nach Erklärungen für Dunkle Materie – und dafür bauen wir neue Beschleuniger auf dem Mainzer Gutenberg-Campus, wir bohren Löcher ins Eis der Antarktis und bestücken sie mit Teilchendetektoren und wir führen Präzisionsmessungen mit Laserstrahlen durch", umreißt Prof. Dr. Hartmut Wittig die Tätigkeiten des Exzellenzclusters. Nach nunmehr zehn Jahren Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Land Rheinland-Pfalz zeigt die Ausstellung die ganze Bandbreite der PRISMA⁺-Forschung.

Wittig und sein Kollege Prof. Dr. Matthias Neubert, beide Sprecher des Clusters, haben die Ausstellung erstmals im November 2021 bei einem Parlamentarischen Abend in der Landesvertretung Rheinland-Pfalz in Berlin der Öffentlichkeit präsentiert. "Wir möchten unsere Besucherinnen und Besucher mitnehmen in die erstaunliche Welt der Teilchenphysik, der Elementarkräfte und der Dunklen Materie. Tag für Tag gehen wir bei PRISMA⁺ über das Denkbare hinaus, um das vorab Undenkbare entdecken zu können. Das wollen wir begreifbar machen", betont Neubert. "Ebenso wichtig ist es uns, die wissenschaftliche Methodik per se zu illustrieren – zu zeigen, wie aus dem Hinterfragen und Widerlegen bestehender Modelle neues Wissen entstehen kann", ergänzt Wittig.

Präzise Forschende

Acht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters haben für die sieben Themenmodule von "PRÄZISION" Pate gestanden. "Als ich gefragt wurde, ob ich bei der Ausstellung mitarbeiten möchte, war ich sofort begeistert", sagt Dr. Victoria Durant, eine der beteiligten Physikerinnen. Durant ist Postdoc am Institut für Kernphysik der JGU und forscht seit zweieinhalb Jahren bei PRISMA⁺ zu Wechselwirkungen zwischen Atomkernen. Die gebürtige Peruanerin studierte zunächst in Barcelona und Darmstadt, bis es sie schließlich nach Mainz verschlug. "Mein Doktorvater Prof. Dr. Pierre Capel, mit dem ich an der TU Darmstadt in einem Projekt zu Kernreaktionen geforscht habe, hat mich an die JGU und zu PRISMA⁺ geholt."

"Ziel war es, unsere Forschung möglichst für alle verständlich zu machen – vom Schulkind bis zur Wissenschaftlerin, alle sollen etwas mitnehmen", erklärt Durant. Die Herausforderung bestand vor allem darin, sich auf ein Wie zu einigen, denn die Inhalte, die vermittelt werden sollten, waren schnell klar. Bei den Planungstreffen wurde leidenschaftlich diskutiert: "Nachdem feststand, dass das Thema Präzision im Fokus stehen wird, war es sehr interessant zu hören, welche Rolle Präzision in der alltäglichen Forschung der anderen Physikerinnen und Physiker spielt. Wichtig ist sie für uns alle, aber in anderen Anwendungsgebieten und auf andere Art und Weise. Ich bin sehr zufrieden mit dem Ergebnis."

Verschiedene Facetten von Präzision

Den unterschiedlichen Facetten von Präzision ist je eine Themenstation gewidmet. Die Module sind farblich und inhaltlich dreigeteilt. Die magentafarbenen Tafeln veranschaulichen, wo uns das Phänomen im Alltag begegnet, die cyanfarbenen zeigen, wo es in der Physik eine Rolle spielt und die dunkelblauen Tafeln beantworten schließlich die Frage, an welchen Stellen das Phänomen in der PRISMA⁺-Forschung wichtig ist. Jedes Modul erzählt seine ganz eigene Geschichte, sodass die Stationen problemlos einzeln oder in jeder beliebigen Kombination aufgestellt werden können. Hands-on-Experimente laden zum Mitmachen und Erforschen ein.

"Im Modul 'Viel hilft viel' bekommen die Besucherinnen und Besucher eine Ahnung davon, was es bedeutet, nach Dunkler Materie zu suchen", erklärt Durant. Im neuen Teilchenbeschleuniger MESA, der derzeit auf dem Gutenberg-Campus gebaut wird, soll zukünftig unter anderem nach dieser rätselhaften Materie gesucht werden. Hierzu werden sehr viele Elektronen auf ein sehr kleines Ziel geschossen, sodass innerhalb möglichst kurzer Zeit möglichst viele Daten zu seltenen Wechselwirkungen gesammelt werden können. Nachdem sie unzählige aufwendige Messreihen durchgeführt haben, versuchen die Physikerinnen und Physiker aus diesen Daten Auffälligkeiten herauszufiltern, die auf diesen mysteriösen Bestandteil unseres Universums hinweisen könnten. In der Ausstellung schlüpfen Besucherinnen und Besucher an einem Touchscreen in die Rolle der Forschenden und sammeln durch Trial-and-Error auffällige Daten. "Das ist wirklich mühsam, aber am Ende lohnt es sich! Hier wird auch deutlich, wie aufwändig es ist, statistische Fehler zu minimieren, und wie wichtig präzise Messinstrumente sind."

Durant steht vor einem Becher mit fünf verschiedenfarbigen Würfeln. "Würfeln Sie doch mal", schlägt Durant vor. Beim ersten Versuch zeigt der weiße Würfel die Eins, der schwarze die Drei, der rote, der blaue und der grüne die Sechs. Beim zweiten Mal bleibt der weiße Würfel auf der Zwei, der schwarze auf der Fünf, der rote, blaue und grüne wieder auf der Sechs liegen – irgendetwas stimmt hier nicht. Neben dem Becher sind die Würfel noch einmal baugleich und zum Anfassen platziert. Beim genaueren Untersuchen wird klar, warum die Sechs so oft fällt: Die Würfel sind gezinkt. Einer ist magnetisch, auf einem anderen taucht die Sechs viermal auf, der dritte ist an einer Seite beschwert. "Wäre das eine physikalische Messung, dann müssten wir jetzt prüfen, ob alle Messgeräte richtig eingestellt sind oder ob vielleicht jemand aus dem falschen Winkel abgelesen hat. So minimiert man systematische Abweichungen."

Ein trillionstel Meter bis hundert Quadrillionen Meter

"An diesem Bildschirm können Sie sich durch die 45 Größenordnungen zoomen, in denen wir bei PRISMA⁺ forschen – von der allergrößten zur allerkleinsten: von einer Strahlungsquelle am Rande des Universums in 10²⁶ Metern Entfernung bis in ein 10^-18 Meter kleines Quark, eines der kleinsten Elementarteilchen, die wir heute kennen", zeigt Durant. Wie groß die Distanz zwischen der ersten und der 45. Etappe tatsächlich ist, wird noch deutlicher, wenn man die Potenzzahlen einmal ausschreibt: Die größte Größe, mit der PRISMA⁺-Forschende hantieren, ist 100.000.000.000.000.000.000.000.000 Meter oder hundert Quadrillionen Meter; das Quark hingegen misst lediglich 0,0000000000000000001 Meter oder ein Trillionstel Meter.

Trotz dieser unvorstellbaren Größenunterschiede sind die Forschungsbereiche bei PRISMA⁺ eng miteinander verwoben. "Obwohl ich mich hauptsächlich mit 10^-15 Meter kleinen Protonen und Neutronen beschäftige, kann ich Ereignisse in der Größenordnung einer Supernova, dem oberen Ende der Spanne, aus meiner Forschung heraus erklären. Wir arbeiten mit sehr unterschiedlichen Größen und doch zu ähnlichen Grundfragen."

Die JGU bietet unter anderem Führungen durch die Ausstellung an, die besonders Schulklassen ansprechen sollen. Jeder kann sich hier einen Einblick verschaffen, woran die Physikerinnen und Physiker arbeiten. Nun wartet "PRÄZISION" bis zum 31. Mai in der Schule des Sehens auf ein neugieriges Publikum. Danach wird die Schau weiterziehen, um die Forschung von PRISMA⁺ noch bekannter zu machen.