Alberica Toia kann sich noch gut an den Moment während ihres eigenen Physikstudiums erinnern: Als sie zum ersten Mal vor einem der Detektoren stand, die in einem Beschleuniger die Spuren der erzeugten Teilchen aufzeichnen, war sie von seiner Größe und Komplexität vollkommen überwältigt: „Wow, so ein monumentales Gerät“, dachte sie, „wer in aller Welt kennt sich damit bis ins Letzte aus?“ Sie habe dann verstanden, dass es niemanden gebe, der über wirklich jedes einzelne Detail eines solchen Detektors Bescheid wisse: „Aber ich finde es noch immer unglaublich eindrucksvoll, wie die gemeinsame Anstrengung vieler Menschen zum Forschritt in eine gemeinsame Richtung führt und wie alle diese Apparate zusammenarbeiten, sodass wir eine Messung machen und auswerten können.“
Schon als sie sich für ein Physikstudium in ihrer Heimatstadt Mailand entschied, war sie von der Vorstellung begeistert, die grundlegenden Naturgesetze zu erforschen. „Ich finde das absolut faszinierend“, schwärmt Toia, „wir haben es in der Physik mit Gesetzen zu tun, die immer und überall gelten, egal ob es im Hier und Jetzt ist, in einem Schwarzen Loch, in einem Neutronenstern oder beim Urknall.“ In der Kernphysik – dafür hat Toia inzwischen eine gemeinsame Professur an der Goethe-Universität und am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung inne – jagt sie immer kleineren subatomaren Strukturen nach, wie sie durch immer leistungsfähigere Beschleuniger experimentell zugänglich werden: „Immer weiter zu wollen, weil es jenseits der bisherigen Grenzen immer wieder Neues zu entdecken gibt, immer weiter zu versuchen, das Unbekannte zu verstehen – das ist einfach typisch für die menschliche Intelligenz“, ist sie überzeugt.
Kopenhagen ohne Dänischkenntnisse
Dabei war es zunächst ein Stück weit Zufall, dass Toia sich der Schwerionenphysik zuwandte, also der Physik geladener Teilchen mit großer Masse wie zum Beispiel Blei-, Uran- oder Plutoniumkerne: Am Ende ihres Studiums ging Toia als Erasmus-Studentin für ein Jahr ans Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen – ohne dass sie Dänisch sprach. „Also musste ich dort Veranstaltungen belegen, die auf Englisch gehalten wurden, und in einer davon ging es um Schwerionenphysik. Das hat mich so fasziniert, dass ich dabeigeblieben bin“, erinnert sich Toia.
Seither hat sie an Experimenten mitgearbeitet, in denen Teilchen auf die höchsten jemals erreichten Energien beschleunigt wurden: zunächst am HADES-Experiment der GSI, dann am RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) des US-amerikanischen Brookhaven National Laboratory sowie am LHC (Large Hadron Collider) des Forschungszentrums Cern in Genf. Und auch als Toia auf die gemeinsame Professur von Goethe-Universität und GSI Helmholtzzentrum berufen wurde, stand zunächst das ALICE-Experiment, das am LHC aufgebaut ist, im Zentrum ihres wissenschaftlichen Interesses.
Inzwischen hat sich Toias Forschungsschwerpunkt allerdings verlagert: „Am GSI Helmholtzzentrum bin ich Mitglied der Gruppe, die für das geplante Beschleunigerzentrum FAIR das CBM-Experiment aufbaut, wobei die Abkürzung CBM für compressed baryonic matter steht, komprimierte baryonische Materie; Baryonen sind eine Gruppe von Elementarteilchen, zu denen insbesondere Protonen und Neutronen gehören“, erläutert sie und stellt klar: „Während bei den Teilchenkollisionen am RHIC und am LHC, die ich früher untersucht habe, Bedingungen wie unmittelbar nach dem Urknall herrschten, werden bei FAIR für die baryonische Materie, die hier komprimiert wird, Verhältnisse erzeugt, wie sie im Inneren von Neutronensternen bestehen.“ Dafür konstruiert die Gruppe, der Toia am GSI Helmholzzentrum angehört, den STS-Detektor („silicon tracking system“). In diesem Detektor werden die elektrisch geladenen Teilchen, die bei den Kollisionen im FAIR-Beschleuniger entstehen, ein Magnetfeld durchqueren. Deswegen werden sie sich nicht auf einer Geraden bewegen, sondern auf einer Kreisbahn, aus deren Krümmung sich berechnen lässt, welche Geschwindigkeit, das heißt: welchen Impuls die Teilchen hatten – und das wiederum gibt Aufschluss über die innere Struktur der Schwerionen, aus denen sie entstanden sind.
Pro Sekunde ein Terabyte Daten
Wenn der FAIR-Beschleuniger seinen Betrieb aufgenommen hat, sollen dort im CBM-Experiment rund zehn Millionen Teilchenkollisionen pro Sekunde erfolgen. Das liefert in jeder Sekunde die unvorstellbare Menge von einem Terabyte (= 1000 Gigabyte) Daten. „Davon können natürlich nicht alle registriert und gespeichert werden“, sagt Toia. Sie und ihre Arbeitsgruppe entwickeln daher ein Computersystem, um die im Detektor anfallenden Daten zu analysieren, einzelnen Kollisionen zuzuordnen, zu selektieren und gegebenenfalls abzuspeichern. Dabei ist ihr Blick einige Jahre in die Zukunft gerichtet: 2028 soll der Beschleuniger in Betrieb gehen und das CBM-Experiment damit beginnen, Daten aufzuzeichnen.
Daneben wird sie weiter begeistert an der Goethe-Universität lehren: „Sobald ich mich mit einer Sache beschäftige, selbst etwas lerne oder etwas herausfinde, kann ich nicht anders: Ich muss sie jemand anderem beibringen“, schwärmt Toia. Und das kommt nicht nur ihren Studierenden, sondern auch ihren drei Söhnen zugute, wenn diese zusammen mit ihren Eltern neue Outdoor-Sportarten erlernen und ausüben: „Sie lernen dabei so gerne und so schnell“, schwärmt Alberica Toia: „Vor ein paar Jahren haben wir zusammen angefangen, Kajak zu fahren, und sie toben sich längst im Wildwasser- Kanal aus, während es mir vollkommen ausreicht, auf dem Main paddeln zu gehen.“
Stefanie Hense
