Die Frau, die nach dunkler Materie sucht

Laura Baudis von der Universität Zürich hat gute Chancen, die rätselhaften Teilchen zu entdecken – mit dem Detektor Xenon1T.

Laura Baudis schaut dorthin, wo noch niemand hingeschaut hat. Foto: Dominique Meienberg

Laura Baudis schaut dorthin, wo noch niemand hingeschaut hat. Foto: Dominique Meienberg

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Mitten im Autobahntunnel durch das Gran-Sasso-Massiv, 150 Kilometer östlich von Rom, zweigt eine Ausfahrt ab. Sie endet abrupt vor einem stählernen Tor. Dahinter verbergen sich die grössten unter­irdischen Laboratorien der Welt, die Laboratori ­Nazionali del Gran Sasso. Dort findet sich ein Instrument, das die Physikerin Laura Baudis von der Universität Zürich massgeblich mitentwickelt hat: der Detektor Xenon1T, ein mit rund 3,2 Tonnen flüssigem Xenon gefüllter Tank.

An einer Wand in ihrem Büro hat Baudis (47) ein Poster von Xenon1T aufgehängt. Oben und unten am zylinderförmigen Tank sind insgesamt 248 Lichtdetektoren angebracht. «Xenon1T ist derzeit das sensibelste Instrument der Welt, um nach der kosmischen dunklen Materie zu suchen», sagt Baudis. Viele Beobachtungen deuten darauf hin, dass die uns bekannte Materie nur rund 20 Prozent der gesamten Materie im Weltall ausmacht. Der Löwenanteil von rund 80 Prozent muss aus einer andersartigen, nicht leuchtenden Substanz bestehen, die kaum mit der uns bekannten Materie in Wechselwirkung steht. «Mit Xenon1T betreten wir völliges Neuland. Wir können einen Bereich des Universums untersuchen, wo noch niemand hingeschaut hat», sagt Baudis. «Das ist das Faszinierende.»

Bereits 1933 hat der Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky erste indirekte Hinweise auf die dunkle Materie entdeckt, als er die Masse des ­Coma-Galaxienhaufens abschätzte. Dabei handelt es sich um eine Ansammlung von über tausend ­Galaxien, die wie Mücken in einem Schwarm um­einanderkreisen, und zwar so schnell, dass der ­Coma-Haufen längst hätte auseinanderfliegen ­müssen. Es sei denn, der Galaxienhaufen badet in einem See aus unsichtbarer, dunkler Materie, der die Galaxien durch seine Schwerkraft zusammenhält. Mittlerweile gibt es zahlreiche weitere Indizien für die Existenz der dunklen Materie.

1400 Meter dicke Abschirmung

Möglicherweise handelt es sich dabei um recht schwere, elektrisch neutrale Teilchen, die nur schwach mit der gewöhnlichen Materie interagieren. Die Physiker nennen sie daher «weakly interacting massive particles», kurz Wimps, das englische Wort für Schwächlinge. Laut Theorie jagt jede ­Sekunde eine Million Wimps durch die Fläche einer Hand. Nur äusserst selten kollidiert eines der Teilchen mit einem Atomkern. Wenn das im Xenon­detektor geschieht, entsteht ein Lichtblitz, den die Lichtdetektoren registrieren.

Die Kaverne in Gran Sasso ist der ideale Ort für die Suche nach Wimps. «Die rund 1400 Meter dicke Gesteinsschicht über dem Labor schirmt einen Grossteil der kosmischen Strahlung ab», sagt Baudis. Diese Strahlung würde in den Detektoren ­ähnliche Signale hinterlassen wie die Teilchen der dunklen Materie. Auch radioaktive Strahlung stört. «Wir dürfen den Detektor nicht anfassen», sagt Baudis und tippt mit einem Finger vor sich auf den Tisch. «Bereits die Fingerabdrücke würden zu viele radioaktive Elemente enthalten.» Daher wurden alle Materialien sorgfältig ausgewählt und der Detektor in einem Reinraum aufgebaut. Zum Schutz vor radioaktiver Strahlung aus dem umliegenden Gestein steckt der ganze Detektor zudem in einem drei Stockwerke hohen mit hochreinem Wasser gefüllten Tank. Damit ist die Voraussetzung geschaffen, um die extrem seltenen Signale der Wimps zu finden. «Wenn mir etwas schlaflose Nächte bereitet hat, dann die Frage, ob wir die Radioaktivität stark genug reduzieren können», sagt Baudis.

So wie es aussieht, hat es geklappt. Kürzlich hat die Xenonkollaboration die ersten Daten publiziert. Wimps wurden noch keine entdeckt. Aber die ersten Messreihen zeigen, dass Xenon1T sensibler ist als alle anderen Detektoren, die nach dunkler Materie suchen. «Die Chancen stehen gut», sagt Baudis, «dass wir innerhalb der kommenden zwei Jahre Hinweise auf Wimps finden.»

Baudis wurde 1969 in Temeswar, Rumänien, ­geboren und ist dort mit ihren zwei jüngeren ­Geschwistern aufgewachsen. Die Eltern hatten in Literatur promoviert und an einem Gymnasium unterrichtet. Häufig drehten sich die Gespräche im Familienkreis um Literatur. Als Kind verfasste ­Baudis eigene Texte. Bald zeigte sie auch grosses ­Interesse an Mathematik und Informatik. Architektin war vorübergehend ihr Berufsziel.

Als sie das Gymnasium beendet hatte, beantragte die Familie die Ausreise. Die Lebensbedingungen hatten sich unter dem diktatorischen ­Regime verschlechtert. Die Eltern mussten in der Verwaltung eines Bergwerks arbeiten. Der Ausreiseantrag wurde jedoch abgelehnt. Erst nach der Grenzöffnung übersiedelte die Familie 1989 in die Nähe von Heidelberg. Baudis holte in einem Jahr das deutsche Abitur nach und begann das Physikstudium. «In der Physik konnte ich sowohl Informatik als auch Mathematik anwenden», sagt sie.

Die dunkle Materie war damals noch kein Trendthema wie heute. Genau das war es, was Baudis reizte. Die Detektoren waren noch klein. Sie konnte praktisch alles selber machen und viel lernen: den Bau eines Detektors, die Elektronik, die Daten­analyse. Seit nunmehr 20 Jahren steht die dunkle Materie im Fokus ihrer Forschung. Nach Stationen in den USA und an der RWTH Aachen kam sie 2007 an die Uni Zürich. Dort wurde nicht nur ihr, sondern auch ihrem Mann, heute Professor im Bereich der Krebsforschung, eine Stelle angeboten. Das Paar hat einen 18 Jahre alten Sohn und eine 14 Jahre alte Tochter.

50 Tonnen Xenon für «Darwin»

Sollte es gelingen, mit Xenon1T dunkle Materie nachzuweisen, wäre das nur ein erster Schritt. «Um die Wimps zu charakterisieren, brauchen wir einen grösseren Detektor», sagt Baudis. Der wird bereits geplant und heisst Xenon-nT. Statt drei Tonnen soll er acht bis zehn Tonnen flüssiges Xenon fassen. 2019 soll Xenon-nT aufgebaut werden. Und um 2025 soll der Detektor Darwin (Dark matter wimp search with liquid xenon) mit 50 Tonnen Xenon in Betrieb gehen. Baudis nimmt eine kleine Kunststoffschachtel aus einem Schrank, öffnet sie und holt ein etwa fingernagelgrosses silbernes Plättchen heraus. «Das ist eine Photodiode aus Silizium, die wir derzeit entwickeln. Sie ist viel kleiner als herkömmliche Lichtdetektoren und erheblich weniger radioaktiv», sagt Baudis. «Für Darwin müssen wir die Radioaktivität der Materialien nochmals um mehr als einen Faktor Hundert reduzieren.»

Sollten Xenon1T oder Xenon-nT tatsächlich Wimps entdecken, würde Darwin ein neues Fenster zum Weltall aufstossen. «Mit Darwin könnten wir erstmals Wimp-Astronomie betreiben», sagt Baudis. «Wir könnten zum Beispiel herausfinden, wie die Geschwindigkeitsverteilung der Wimps in unserer Galaxie, der Milchstrasse, aussieht.» Und damit liesse sich das alte Rätsel lösen, das der ­Astrophysiker Zwicky vor 84 Jahren aufgeworfen hat: Wie genau hält die dunkle Materie Galaxien und Galaxienhaufen zusammen?

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 12.06.2017, 11:18 Uhr

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