Das Unsichtbare sichtbar machen

Der Schweizer Astronom Fritz Zwicky entdeckte bereits in den Dreissigerjahren des letzten Jahrhunderts, dass es im Universum eine grosse Menge nicht sichtbare Materie gibt. Er bezeichnete sie als «Dunkle Materie». Heute wissen Wissenschaftler:innen, dass die Dunkle Materie das Universum vielfältig beeinflusst, so zum Beispiel die Entwicklung von Galaxien. Forschende versuchen, die Dunkle Materie zu berechnen und sogar zu messen. Doch noch stehen sie vor dem Rätsel, was die Dunkle Materie nun genau ausmacht.

Einen aussergewöhnlichen Weg dem Phänomen zu begegnen, geht UZH-Physikprofessor Björn Penning. Er versucht, in grosser Tiefe den Geheimnissen der Dunklen Materie und der Neutrinos, — Elementarteilchen mit sehr geringer Masse — auf die Spur zu kommen. Penning forschte vor seinem Ruf an die UZH in Amerika. Seine Teilchenphysik-Experimente führte er dort in einer ausgedienten Goldmine durch. Die Homestake-Mine in South Dakota gilt als die grösste und tiefste Goldmine Nordamerikas; ihre Stollen reichen bis zu einer Tiefe von rund 2400 Metern. Bis 2001 wurde dort Gold geschürft, heute ist sie Teil vom SURF (Sanford Underground Research Facility), es ist das tiefste unterirdische Labor der Vereinigten Staaten und beherbergt mehrere Experimente in Bereichen wie Forschung zur Dunklen Materie und Neutrinophysik, Biologie, Geologie und Ingenieurwesen.

Doch warum führt Penning und sein Team ausgerechnet an einem so abgelegenen und schwer zugänglichen Ort Teilchenphysik-Experimente durch? In der neuen Ausstellung im Science Pavilion UZH auf dem Irchel-Campus wird diese Frage in anschaulicher Weise erklärt: Die vielen Tonnen Gestein im Stollen schirmen den konstanten Regen kosmischer Teilchen ab, die sonst Messungen von seltenen physikalischen Ereignissen stören können. «Die Experimente finden an einem der am wenigsten radioaktive Orte der Welt statt», sagt Penning. Der Physiker arbeitet mit dem empfindlichsten Detektor der Welt für Dunkle-Materie-Teilchen namens «WIMPs». WIMPs stehen für «weakly interacting massive particles» oder schwach interagierende massereiche Teilchen. Forschende vermuten, dass das Universum voller WIMPs sein könnte. Weil sie aber so wenig wechselwirken, kann man sie mit herkömmlichen Methoden nicht sehen oder untersuchen, deshalb experimentieren Penning und sein Team in der abgeschirmten Welt der Mine. Der Nachweis von WIMPs wäre eine Sensation, weil Penning damit die Existenz von Dunkler Materie beweisen würde.

Gina Gibson ist Professorin für Grafikdesign an der Black Hills State University in Spearfish, South Dakota und war 2019 Artist in Residence am SURF. Die Künstlerin hat die Forschenden, darunter auch Penning, in der Mine bei deren Arbeit begleitet. Die Faszination, die sie der Teilchenphysik entgegenbringt, zeigen sich in ihren Arbeiten, die auch ein wichtiger Bestandteil der neuen Ausstellung am Irchel sind.

Kunst und Physik – zwei Themen, die für viele Menschen auf den ersten Blick nicht viel gemein haben. «Aber gerade die Kombination ist besonders reizvoll», sagt Morana Mihaljevic, Leiterin des Science Lab & Science Pavillion UZH. «Gibson zeigt eine andere Seiten der Forschung. So wählt sie zum Beispiel alltägliche Objekte wie Stromkabel aus und setzt sie künstlerisch in Szene.»

Besucher:innen können sich aber nicht nur über die Teilchenforschung im Stollen informieren, parallel dazu findet die Forschung der UZH-Physikerin Laura Baudis einen Platz im Science Pavilion UZH. Die Experimente am CERN, an denen die UZH ebenfalls beteiligt ist, werden zusätzlich in einem separaten Ausstellungsteil thematisiert.

Die Ausstellung ist nicht nur für Physikinteressierte, sondern auch für Kinder, Jugendliche und für Schulklassen geeignet. Das Gefühl, wie dunkel es in einer Mine sein kann, zeigt sich im unteren Stock des Gebäudes. Gleise aus ehemaligen Stollen und Kipploren sorgen für ein authentisches Minengefühl. «Der Schweizerische Verein der Feld- und Werkbahnfreunde Schweiz hat sie uns zur Verfügung gestellt», sagt Kuratorin Melanie Widmer. «Die Ausstellung gibt einen guten Überblick über die Forschung am SURF im Bereich der Dunklen Materie», sagt Widmer. «Und wer weiss, vielleicht wissen wir demnächst mehr über das, was die Welt zusammenhält.»

Ausstellung: UzhN/EARTH
Dauer: Bis Ende Mai 2025
Wo: Science Pavilion UZH
Öffnungszeiten: täglich 12:00-17:00 Uhr