Null ist nicht nichts: Auf der Suche nach einer neuen Physik

Paul Scherrer Institut

Stefan Ritt (links), Klaus Kirch (Mitte) und Daniela Kiselev an einem Aufgang in der Experimentierhalle, in der Sie nach grundlegenden Erkenntnissen in der Physik forschen. Foto Markus Fischer. Bild ZVG PSI

Mit dem Hochintensitäts-Protonenbeschleuniger HIPA erzeugt das Paul Scherrer Institut Elementarteilchen, um eine grundlegende Frage zu klären: Wie ist unser Universum aufgebaut? Mithilfe von Pionen, Myonen und Neutronen führen die Forschenden deshalb Experimente durch, um herauszufinden, wie sich das gängige, aber unvollständige Standardmodell der Elementarteilchenphysik erweitern lässt. Die PSI-Anlage ist dafür die weltweit beste Maschine, weil sie bei niedrigen Energien mehr der benötigten Teilchen liefert als alle anderen vergleichbaren Anlagen.

Um die kleinsten Dinge des Universums zu erforschen, braucht man oft grosse Anlagen. An kaum einem anderen Ort am PSI wird das deutlicher als in einigen der grossen Hallen im Westteil des Instituts. Dort arbeiten Forschende an der Lösung des Rätsels, was die Welt im Innersten zusammenhält. Dabei hilft ihnen eine Kette von drei Teilchenbeschleunigern, die jeweils in eigenen Hallen untergebracht sind. Die Apparaturen dienen dem Zweck, Protonen, die positiv geladenen Bausteine von Atomkernen, auf 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Der Prozess beginnt an dem pilzförmigen, etwa 10 Meter hohen Cockcroft-Walton-Beschleuniger, in dem die Protonen gewonnen und vorbeschleunigt werden. Von dort gelangen sie über einen Strahlengang zum sogenannten Injektor-2, einem Ringbeschleuniger oder Zyklotron. Mithilfe von Radiofrequenzfeldern in Resonatoren zwischen grossen Magneten nehmen die Protonen hier weiter Fahrt auf und verlassen die Anlage mit immerhin schon 38 Prozent Lichtgeschwindigkeit. Den finalen Schub erhalten sie dann im grossen Protonenbeschleuniger, ebenfalls ein Ringbeschleuniger, mit einem Durchmesser von 15 Metern. Die Magnete, deren Felder hier auf die Protonen einwirken, wiegen bis zu 240 Tonnen. Von diesem Ringbeschleuniger, der hinter einer meterdicken Abschirmung in der Ecke einer grossen Experimentierhalle steht, wird der Protonenstrahl in die Hallenmitte geleitet, denn dort erreicht er ein Ziel seiner rasanten Reise: die sogenannte Target-Anlage.

Die wichtigsten Teile dieser Anlage sind zwei Grafit-Räder mit jeweils einem Durchmesser von etwa einem halben Meter, die sich einmal pro Sekunde drehen. Zuerst trifft der Protonenstrahl auf Target M, dessen Grafit-Rad nur 2 Millimeter dick ist. M steht denn auch für «mince», französisch für dünn. Dann fliegen die Protonen weiter zu Target E, das mit 40 Millimetern vergleichsweise dick, also «épaisse» ist. Prallen die schnellen Protonen auf die Atomkerne des Grafits, entstehen Pionen. Dies sind die leichtesten Teilchen, die aus Quarks bestehen, allerdings aus zweien und nicht wie die Protonen und Neutronen im Atomkern aus dreien. Pionen zählen zur Familie der Mesonen, einer Gruppe von Teilchen, deren Existenz in den 1930er-Jahren vorhergesagt und 1947 experimentell belegt wurde. Meistens zerfallen Pionen innerhalb von Sekundenbruchteilen zu Myonen. Diese Teilchen gleichen dem Elektron, sind aber rund 200 Mal schwerer.

Teilchenphysik und Materialwissenschaften

Das dicke Target E produziert mehr Myonen als das dünne Target M. Dieses liefert dafür einen schärfer definierten Pionenstrahl. Von den Targets werden die Pionen und Myonen mithilfe von Magneten zu verschiedenen Messplätzen geleitet. Am PSI werden Pionen und Myonen bei niedrigen Energien erzeugt. Das heisst, die Teilchen sind langsam und lassen sich in den Apparaturen für Experimente stoppen. In drei Messarealen führen Forschende Experimente zur Teilchenphysik durch, um grundlegende Fragen zum Universum und seinem Aufbau zu klären. Weitere fünf Experimentierstationen stehen für die Festkörperphysik zur Verfügung. Hier gewinnt man mithilfe von Myonen auch Erkenntnisse, die später in praktische Anwendungen fliessen. Man kann zum Beispiel Magnetfelder im Innern von Materialien sehr lokal bestimmen und Speichermedien für Computer verbessern. «Unsere Anlage wird gut genutzt, denn wir haben weltweit den intensivsten Protonenstrahl und damit auch die höchste Myonenproduktion», sagt Daniela Kiselev, die für den Betrieb des Beschleunigers und der Target-Anlagen verantwortlich ist. Nirgendwo sonst gibt es so viele langsame Pionen und Myonen wie am PSI in Villigen.

«Ursprünglich wurde der Ringbeschleuniger als Pionenfabrik gebaut», erklärt Klaus Kirch, Leiter des Labors für Teilchenphysik am PSI und Professor an der ETH Zürich: «Heute machen die Forschenden hingegen viel mehr Experimente mit Myonen als mit Pionen.» Sowohl mit Pion- als auch mit Myon-Experimenten kann man die gängige Standardtheorie der Teilchenphysik präzise testen sowie nach neuen Erkenntnissen suchen, die über dieses Standardmodell hinausgehen. Denn dieses hat durchaus Schwachstellen.

Die Standardtheorie erklärt, woraus die sichtbare Welt aufgebaut ist und was sie im Innersten zusammenhält. Das heisst, sie beschreibt alle bekannten Elementarteilchen sowie die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Doch offenbleiben die grundlegenden Fragen, warum es überhaupt Materie - und damit auch uns – gibt, und woraus das Universum sonst noch besteht. Beim Urknall, dem Geburtsmoment unseres Universums, sind gemäss Standardmodell der Kosmologie gleiche Anteile Materie und Antimaterie entstanden. «Doch heute sehen wir nichts mehr von dieser Antimaterie», erklärt Kirch: «Bestimmte Prozesse müssen dafür gesorgt haben, dass die Antimaterie verschwunden ist, aber ein Teil der Materie überlebt hat.»

Wie das passiert sein könnte, ist eines der grossen Rätsel der Physik. Ebenso wie die Natur der sogenannten dunklen Materie. Diese macht gemäss astronomischer Beobachtungen einen grossen Anteil der Masse des Universums aus, besteht aber nicht aus den uns bekannten Elementarteilchen. Diese Befunde über den Kosmos lassen sich mit der gängigen Theorie nicht erklären. «Wir wissen noch nicht, wie wir die Standardtheorie abändern sollen, damit wir diese Beobachtungen erklären können», sagt Kirch. «Aber wir haben eine Reihe von Experimenten, mit denen wir nach Dingen suchen, die im Standardmodell nicht vorkommen, und die Hinweise geben könnten, welches die richtige Erweiterung der Theorie sein könnte.»

Null ist nicht nichts

So fahnden die Forschenden am PSI nach Zerfällen von Myonen, die laut Standardmodell nicht vorkommen dürften. Wie die Pionen sind auch die Myonen instabil. Nach einer Lebensdauer von etwa zwei Millionstel-Sekunden entstehen aus einem positiv geladenen Myon normalerweise drei Teilchen: ein positiv geladenes Elektron, also ein sogenanntes Positron, und zwei neutrale Teilchen mit sehr geringer Masse, sogenannte Neutrinos. Was dagegen noch nie beobachtet wurde, ist der Zerfall eines Myons in nur zwei Teilchen: ein Positron und ein Lichtteilchen, ein sogenanntes Photon oder Gamma. Mit dem sogenannten MEG-Experiment registrierte eine internationale Gruppe am PSI über Jahre hinweg Hunderte von Billionen von Myon-Zerfällen, ohne auch nur ein einziges, derartiges Ereignis zu entdecken. «Wir haben aber nicht «nichts» gemessen, sondern eine Null, und das ist etwas ganz anderes», betont Stefan Ritt, Leiter der Myonen-Physik-Gruppe am PSI.

Das Nullresultat gibt an, wie wahrscheinlich oder unwahrscheinlich dieser Zerfall ist, und bewirkt, dass bereits einige Theorien als Erweiterung des Standardmodells verworfen werden können. Nun arbeitet die internationale Gruppe am PSI an einem neuen, zehnmal empfindlicheren Experiment. MEG II soll 2022 starten. Gleichzeitig baut eine andere internationale Kollaboration ein zweites Experiment namens Mu3e auf. Es soll zeigen, ob das Myon auch in drei Elektronen zerfallen kann – ein ebenfalls noch nie gesehenes Ereignis. «Die Experimente ergänzen sich, deshalb braucht es beide», erklärt Kirch. Und sein Kollege Ritt meint: «Wenn wir diese Zerfälle finden, ist dies wirklich neue Physik – eine neue Naturkraft oder ein neues, schweres Elementarteilchen, das dahintersteckt.» Und vielleicht eine Erklärung für die dunkle Materie.

Auch am CERN bei Genf suchen Forschende nach Hinweisen für eine Theorie jenseits des Standardmodells. Dort werden mit dem Riesenbeschleuniger LHC Protonen bis auf beinahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und prallen mit extrem hoher Energie aufeinander. Die Hochenergieteilchenphysik-Gruppe des PSI ist am CMS-Experiment am LHC mit massgebenden Beiträgen beteiligt. In Villigen experimentieren die Forschenden in einem niedrigeren Energiebereich. «Unsere Experimente sind eine oder zwei Grössenordnungen kleiner und billiger, aber einzigartig empfindlich und relevant», sagt Ritt.

Neue Detektoren entwickeln

Zurzeit werden am PSI die Detektoren für die neuen Experimente MEG II und Mu3e entwickelt. Position und Zeitpunkt der Teilchenzerfälle, sowie die Energie der Teilchen müssen immer genauer gemessen werden. «Wir sind an vorderster Front der Detektortechnologie und halten Weltrekorde», sagt Ritt, der an beiden Experimenten beteiligt ist. Besonders stolz ist er auf die Entwicklung einer Elektronik mit einem Halbleiterchip, der die Signale der Teilchenzerfälle mit einer Genauigkeit von millionstel Millionstel-Sekunden (Pikosekunden) misst. Mittlerweile wird die Technik an Universitäten zu Ausbildungszwecken genutzt und zur Verbesserung von medizinischen Anlagen für die Tumorerkennung eingesetzt. Das PSI hat bereits 500 Exemplare des handlichen Geräts weltweit verschickt. Es ist rund zehnmal günstiger als bisherige Messgeräte.

In der Teilchenphysik setzen die Forschenden am PSI aber nicht nur auf Myonen, sondern auch auf Neutronen. Diese ungeladenen Bausteine der Atomkerne werden ebenfalls mithilfe des Beschleunigers erzeugt. Der Protonenstrahl schlägt sie aus einem Bleitarget heraus. Danach werden sie stark abgebremst, bis sie ultrakalt sind. Für diese ultrakalten Neutronen (UCN) ist die UCN-Quelle am PSI weltweit führend. Ultrakalte Neutronen sind sehr langsam, können gespeichert und so während einiger Minuten untersucht werden. Teilchenphysiker Kirch erläutert: «Von aussen gesehen besitzt ein Neutron zwar keine elektrische Ladung, ist also neutral. Aber vielleicht weist es in seinem Innern eine asymmetrische Ladungsverteilung auf.» Die Fachleute sprechen von einem «elektrischen Dipolmoment» des Neutrons.

Laut Standardmodell hat das Neutron ein mit heutigen Mitteln nicht messbar kleines, elektrisches Dipolmoment. Würde es im Experiment auftauchen, ständen die Chancen gut, eine Erklärung dafür zu finden, warum es im Universum zwar Materie, aber offenbar keine ursprüngliche Antimaterie gibt. Denn hinter dem Materie-Überschuss und einer asymmetrischen Ladungsverteilung im Neutron könnte das gleiche Phänomen liegen. Die Physiker und Physikerinnen nennen es «Symmetrieverletzung». Über zwei Jahre hat eine internationale Gruppe am PSI die Eigenschaften des Neutrons mit dem nEDM-Experiment so genau wie nie zuvor vermessen, doch ein elektrisches Dipolmoment konnten die Forschenden nicht nachweisen – ein weiteres Nullresultat wie bei den Myon-Experimenten. Auch hier werden gewisse theoretisch mögliche Erklärungen ausgeschlossen und auch hier entwickeln die Forschenden zurzeit ein Nachfolge-Experiment, n2EDM, um noch genauer nachzusehen, ob sich nicht doch ein elektrisches Dipolmoment bei Neutronen nachweisen lässt.

Das Innere des Protons erforschen

Obwohl die Nullresultate spannende Erkenntnisse mit sich bringen, räumt Klaus Kirch ein: «Ich mache auch gern Experimente, bei denen ich etwas messe, das nicht null ist.» So untersuchen er und Mitarbeiter von PSI und der ETH Zürich mit internationalen Partnern wie die elektrische Ladung und der Magnetismus in einem Proton verteilt sind. Dazu verwenden die Forschenden negativ geladene Myonen, die anstelle von Elektronen spezielle Atome bilden. Ein gewöhnliches Wasserstoffatom besteht aus einem Proton im Atomkern und einem Elektron in der Atomhülle. Wird das Elektron durch das 200 Mal schwerere Myon ersetzt, so hält sich dieses viel näher beim Proton auf und verbringt sogar Zeit in dessen Innern. Messungen am Myon ermöglichen deshalb neue Einsichten ins Proton.

Insgesamt arbeiteten am PSI 2019 rund 400 Forschende an neun verschiedenen Experimenten zur Teilchenphysik. Angesichts des stolzen Alters von 45 Jahren könnte die Leistungsfähigkeit der Anlage erstaunen. Heute liefert sie nämlich 25-mal mehr Intensität als das, wofür sie ursprünglich geplant war. «Durch regelmässige Wartungen und Investitionen in Neuerungen und Upgrades haben wir die Anlage immer weiter entwickelt und halten sie für die Zukunft fit», sagt Daniela Kiselev. Erst kürzlich wurde ein neuartiges Grafit-Rad getestet, das die Rate der langsamen Myonen um 40 bis 50 Prozent steigert. Auf der Beschleunigerseite werden zwei Resonatoren ausgewechselt, welche die Protonen noch effizienter und verlustfreier beschleunigen werden. Auch in die Infrastruktur wird stetig investiert. In den letzten Jahren wurden zum Beispiel Stück für Stück die Rohre für Kühlwasserversorgung ersetzt sowie die Speisegeräte für die vielen Magnete der Anlage erneuert, welche die Protonen auf ihrer Bahn halten. Damit werden die Forschenden am PSI auch in Zukunft spannende und letztlich auch nützliche Erkenntnisse über die grundlegenden Bausteine unserer Welt gewinnen.

Quelle: PSI / Barbara Vonarburg

30.7.2020