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Physiker Arnulf Quadt aus Göttingen: Und immer dem Higgs auf der Spur

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Von: Thomas Kopietz

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Riesending: Im europäischen Teilchenforschungszentrum CERN nahe Genf steht der riesige CMS-Detektor. Mit ihm sind Physiker des weltgrößten Teilchenbeschleunigers LHC dem Higgs-Teilchen auf der Spur – auch Forscher aus dem II.Physikalischen Institut der Universität Göttingen.
Riesending: Im europäischen Teilchenforschungszentrum CERN nahe Genf steht der riesige CMS-Detektor. Mit ihm sind Physiker des weltgrößten Teilchenbeschleunigers LHC dem Higgs-Teilchen auf der Spur – auch Forscher aus dem II.Physikalischen Institut der Universität Göttingen. © Martial Trezzine/dpa

Der Nachweis des Higgs-Teilchens hat die Wissenschaftswelt verändert. An den wichtigen Forschungsergebnissen sind auch Göttinger Wissenschaftler beteiligt.

Göttingen – Vor zehn Jahren „erschütterte“ eine Kollision von rasend beschleunigten Atomkernen im Kernforschungszentrum CERN die Welt: Der Nachweis des Higgs-Bosons am dortigen Large Hadron Collider (LHC) veränderte die Teilchen-Physik. Beteiligt waren auch Göttinger, so der Physiker Prof. Arnulf Quadt.

Herr Quadt, wie sind Sie eigentlich zur Erforschung des und der Suche nach dem Higgs-Teilchen gekommen?

In meiner Promotion und meinem ersten PostDoc habe ich die Struktur des Protons und die zugrunde liegende starke Wechselwirkung untersucht. Danach habe ich am europäischen Zentrum für Teilchenphysik, CERN, in Genf ein prestigereiches CERN-Fellowship erhalten, dort angefangen, am OPAL-Experiment des Elektron-Positron-Beschleunigers LEP zu arbeiten – ich widmete mich der Suche nach dem Higgs-Boson.

Wie war es an diesem Mega-Forschungsaggregat im CERN zu arbeiten?

Das war sehr aufregend, weil wir bei den höchsten Energien mehr Daten beobachtet haben als erwartet. Für eine Entdeckung des Higgs war das Signal aber zu schwach. Ich habe dann die Suche am D0-Experiment des Proton-Antiproton-Beschleunigers Tevatron in Chicago fortgesetzt. 2006 habe ich schließlich den Ruf nach Göttingen an das neu ausgerichtete Institut für Teilchenphysik erhalten und mit am ATLAS-Experiment am Proton-Proton-Beschleuniger LHC des CERN beteiligt.

Wie genau waren Sie und Ihr Team vom II. Physikalischen Institut beteiligt – was haben Sie genau getan?

2006 war der Detektor bereits fertiggestellt, sodass wir uns vor allem mit der Kalibration des Detektors, dem Betrieb des Pixel-Spurdetektors und der Datenanalyse beschäftigt haben. In den ersten Jahren stand im Higgs-Sektor die Suche nach Higgs-Bosonen mit Zerfällen in die schwersten Leptonen, die Tau-Teilchen, im Vordergrund. Diese Ergebnisse sind auch in die Higgs-Entdeckung 2012 eingegangen. Später haben wir uns vor allem der Kopplung zwischen dem Higgs und den schwersten Quarks, also dem Top-Quark und dem Bottom-Quark, gewidmet und diese 2018 beobachtet.

Wie gestaltete sich die Arbeit organisatorisch?

Am Large Hadron Collider des CERN gibt es vier Experimente, die von großen internationalen Kollaborationen entwickelt, gebaut und betrieben werden. Wir sind zusammen mit 15 weiteren Instituten aus Deutschland an der ATLAS-Kollaboration beteiligt. Wir sind mehr als 2000 WissenschaftlerInnen und etwa noch mal so viele TechnikerInnen und IngenieurInnen, insgesamt um die 5000 Beteiligte. Ein Teil der MitarbeiterInnen arbeitet vor Ort am CERN, ein anderer in Göttingen. Viele DoktorandInnen verbringen so ein Jahr am CERN, um dort zum Betrieb des Detektors und der Datennahme rund um die Uhr beizutragen und sich mit anderen WissenschaftlerInnen, die an den gleichen Forschungsthemen arbeiten, eng zu vernetzen. Die Auswertung der Daten finden weltweit verteilt an speziellen Computer-Cluster im ‘Grid-Computing‘ statt. Seit 2008 betreibe ich hier in Göttingen ein solches Cluster, GoeGrid.

Wie würden Sie den Stellenwert der Higgs-Teilchen-Entdeckung für die Wissenschaft, aber auch für Sie persönlich bezeichnen?

Man sagt, das Higgs-Teilchen sei das letzte fehlende Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik gewesen. Ohne Higgs kann die Theorie nur masselose Teilchen beschreiben. Wir wissen aber seit mehr als 100 Jahren, dass die Elementarteilchen eine von Null verschiedene Masse haben. Das galt es also zu erklären. Wir hatten die starke Vermutung, dass die Elementarteilchen ihre Masse durch das Higgs erhalten. Aber nur weil ich etwas vermute, braucht das in der Natur noch lange nicht so zu sein, eine Einschränkung, die heutzutage im postfaktischen Zeitalter in Vergessenheit zu geraten droht. Für uns sind immer die Messungen, also die Fakten entscheidend.

Was wäre gewesen, wenn die Messungen etwas anderes ausgesagt hätten?

Hätten wir das Higgs nicht im erwarteten Bereich gefunden, wäre das auch eine Entdeckung gewesen. Dann hätten wir unsere Theorie grundsätzlich neu denken und eine andere Erklärung für Masse finden müssen. Für mich persönlich war es sehr aufregend, 15 Jahre nach einem solchen Teilchen zu suchen und es dann tatsächlich zu finden. Einen solchen Moment vergisst man nie mehr. Columbus hat die Entdeckung Amerikas auch nicht mehr vergessen.

Was sagt uns Nicht-Wissenschaftlern denn diese Entdeckung?

Unsere Theorie ohne Higgs war schon extrem erfolgreich und konnte präzise Vorhersagen machen. Die von Null verschiedene Masse der Elementarteilchen konnte sie aber gar nicht erklären. Die Theorie war also offensichtlich unvollständig. Jetzt können wir das Konzept der Masse und damit der Trägheit bei Bewegungen durch Raum und Zeit erklären. Mit einer solchen Erkenntnis kann man kein Produkt bauen, es ist reine Grundlagenforschung. Dieses Verständnis macht aber sehr glücklich! Auf dem Weg dorthin haben wir einige Techniken und Konzepte entwickelt, die heute in unserem Alltag angekommen sind. So wurde von uns das World Wide Web entwickelt, werden unsere Teilchendetektoren beim Röntgen, in der medizinischen Diagnostik oder Teilchenbeschleuniger in der medizinischen Krebstherapie eingesetzt. Wir haben das weltweit verteilte Grid-Computing entwickelt, das heute viele als Cloud-Computing zu Hause nutzen.

Spielt all das eine Rolle in der Ausbildung von Nachwuchswissenschaftlern und in internationalen Forschungsbeziehungen?

Natürlich. Abgesehen von der rein wissenschaftlichen Erkenntnis ist für mich die internationale Zusammenarbeit und die Ausbildung der jungen Leute das Wichtigste. CERN wurde nach dem Zweiten Weltkrieg auf Initiative der UNESCO gegründet und hat sich in vielerlei Hinsicht für „Science for Peace“ eingesetzt. Dass sich jetzt ein Land von unseren Grundprinzipien verabschiedet und somit von der weiteren Mitarbeit am CERN ausgeschlossen wird, ist ein schmerzhafter Einschnitt, dessen Konsequenzen wir jetzt noch nicht absehen können.

Wie geht die Forschung weiter – gibt es neue Versuche, wenn ja wann und welcher Art?

In diesen Tagen läuft der LHC bei einer von 13 TeV auf 13.6 TeV erhöhten Schwerpunktenergie im sogenannten „Run-3“ wieder an. Wir werden unter diesen Bedingungen mit einem leicht verbesserten Detektor bis 2025 neue Daten aufzeichnen und auswerten. Dabei ist die Physik des Higgs nur eine von vielen spannenden Fragen. Danach werden sowohl der Beschleuniger als auch die Experimente umgebaut und verbessert. Die Strahlintensität wird um einen Faktor 10 erhöht. Der neue Pixel-Spurdetektor, an dem wir in Göttingen arbeiten, wird mit einer Milliarde Pixel, die 40-Millionen Messungen pro Sekunde aufzeichnen werden, einen neuen Weltrekord aufstellen. Das ist notwendig, um diese Menschheitsfragen zu untersuchen. Und das macht uns riesig Spaß!

Von Thomas Kopietz

Unterirdisch: In dem 27 Kilometer langen Röhrensystem am CERN nahe Genf werden Atomkerne auf unglaubliche Geschwindigkeiten beschleunigt.
Unterirdisch: In dem 27 Kilometer langen Röhrensystem am CERN nahe Genf werden Atomkerne auf unglaubliche Geschwindigkeiten beschleunigt. © Adam Warzawa/dpa

Zur Person: Prof. Arnulf Quadt

Prof. Arnulf Quadt wurde 1969 in Troisdorf geboren, machte dort 1989 das Abitur, studierte Physik in Bonn und Oxford. 1999 ging er nach Genf ans CERN und 2001 an die Uni Bonn. Seit 2006 ist er Professor am II. Physikalischen Institut in Göttingen und dort auch Direktor. Er forschte weiter mit einem Team am CERN und gilt als Mitentdecker des Higgs-Bosons. Quadt erhielt mehrere Preise, engagiert sich für den Nachwuchs und mit der Physik-Show sowie Physik im Advent (PIA). tko Foto: J. Gilfert/nh

Hat die Daidalos-Münze der Studienstiftung erhalten: Prof. Dr. Arnulf Quadt.
Dem Higgs-Teilchen auf der Spur: Prof. Dr. Arnulf Quadt. © Joris Gilfert/Uni Göttingen

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