CHIPP-Preis 2013

Das Geheimnis der ultrakalten Neutronen

Anlässlich des Jahrestreffens 2013 in Sursee (LU) hat das Schweizer Institut für Teilchenphysik (CHIPP) den jährlich vergebenen Preis für eine herausragende Forschungsarbeit im Bereich der Teilchenphysik verliehen. Ausgezeichnet wurde Martin Fertl (29), der am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen (AG) den Einfluss von elektrischen Feldern auf Neutronen untersucht.

Zahlen und Formeln (Symbolbild)
Bild: denisismagilov, stock.adobe.com

Vom 24. bis 26. Juni 2013 war Sursee das Epizentrum der Schweizer Teilchenphysik. Hier versammelten sich die Mitglieder von CHIPP, der Dachorganisation der in der Schweiz tätigen Teilchenphysikerinnen und -physiker, zu ihrem traditionellen Jahrestreffen. Sie tauschten aktuellste Forschungsresultate aus und diskutierten über die Perspektiven der eigenen Disziplin – in diesem Jahr beispielsweise über die Europäische Strategie für Teilchenphysik, welche die künftigen Schwerpunkte des weitläufigen Wissenschaftsgebiets aufzeigt.

Verbesserung des Magnetometers

Ein Höhepunkt des Jahrestreffens ist jeweils die Verleihung des CHIPP-Preises an einen Nachwuchsforscher bzw. an eine Nachwuchsforscherin. In diesem Jahr konnte der 29-jährige Martin Fertl die mit 3000 Franken dotierte Auszeichnung für seine Doktorarbeit entgegennehmen. Die Dissertation trägt zum nEDM-Experiment bei, einem am PSI beheimateten Schlüsselexperiment mit rund 50 Forschenden aus sechs europäischen Ländern (Belgien, Deutschland, Frankreich, Polen, Russland, Schweiz). An dem Experiment wird nach dem 'elektrischen Dipolmoment' des Neutrons gesucht, also die Frage untersucht, ob der Spin ('Drehimpuls') eines Neutrons durch ein von aussen angelegtes elektrisches Feld beeinflusst wird (d.h. mit dem elektrischen Feld wechselwirkt). Das nEDM-Experiment selbst findet in einem Zylinder mit 50 cm Durchmesser und 12 cm Höhe statt; darin halten sich sogenannte 'ultrakalte' Neutronen auf, deren kinetische Energie einer Temperatur von gerade mal 3 Millikelvin entspricht, also nur haarscharf über dem absoluten Nullpunkt liegt.

nEDM ist ein Präzisionsexperiment, und die Erkenntnisse von Martin Fertl helfen, es noch präziser zu machen. Bei diesem Experiment kommt ein auf Quecksilberatomen basierendes Magnetometer zur Anwendung, mit dem die Wissenschaftler die im Experiment vorhandenen Magnetfelder messen. Dank der Forschung von Martin Fertl konnte die Sensitivität dieses Magnetometers stark verbessert werden, nämlich um einen Faktor 6. Zudem führen seine Erkenntnisse zu einer besseren Kontrolle der systematischen Effekte im Magnetometer.

Auf der Suche nach der Antimaterie

„Ein industrieller Nutzen aus meiner Arbeit ist vorerst nicht zu erwarten“, sagt Fertl, „aber doch ein Beitrag zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen.“ Die Arbeit des Nachwuchsforschers verbessert die Bedingungen, damit das nEDM-Experiment zu einem wissenschaftlichen Erfolg wird. Sollte der Spin von Neutronen tatsächlich mit elektrischen Feldern wechselwirken, existiert also – anders ausgedrückt – ein 'elektrisches Dipolmoment', ergäben sich neue Hinweise zur Beantwortung einer Frage, die Physiker seit langem umtreibt, nämlich, warum im Weltall mehr Materie als Antimaterie beobachtet wird (obwohl beim Urknall zunächst gleich viel Materie und Antimaterie entstanden sein sollte).

Martin Fertl stammt aus Dachau (D), hat an der Technischen Universität (TU) München sowie in Australien und Frankreich studiert. In den letzten Jahren forschte er am PSI und schrieb dort seine Doktorarbeit (betreut von ETH-Professor Klaus Kirch). Was war für Fertl die grösste Herausforderung beim Verfassen der Doktorarbeit? „Ich musste mich in neue Gebiete wie Optik und Atomphysik einarbeiten, die bei der Diplomarbeit beide nicht meine Schwerpunkte gewesen waren“, sagt der Forscher. Daneben waren viele praktische Probleme beim Aufbau des Experiments zu lösen, wie das folgende Beispiel illustriert: Um die Frequenz des für die Spektroskopie erforderlichen Lasers festzulegen, werden Quecksilberatome benutzt, die in einer zylindrischen Zelle aus Quarzglas eingeschlossen werden. Die zunächst verwendeten Quarzzylinder erwiesen sich als ungeeignet, weil sie schon nach wenigen Stunden intransparent und damit für die optischen Analysen unbrauchbar wurden. Fertl blieb nichts anderes übrig, als selbst brauchbare Quarzzylinder zu entwickeln.

“Der Preis ist eine tolle Anerkennung meiner persönlichen Arbeit, aber auch eine Auszeichnung für meine Kollegen, die in vielfältiger Weise zum Erfolg des Experiments beigetragen haben“ , sagt der CHIPP-Preisträger 2013 über die Bedeutung des Preises. Martin Fertl spielt mit dem Gedanken, nach Ende der Tätigkeit am PSI für einen Forschungsaufenthalt in die USA oder nach Grossbritannien zu wechseln.

Benedikt Vogel (veröffentlicht: 26. Juni 2013)

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