• 04.03.2020
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François Drielsma erforscht von Kalifornien aus Neutrinos

Die Universität Genf als Startrampe

Wandert von einem Teilchenphysik-Experiment zum nächsten: Dr. François Drielsma.
Bild: Caitlin Claassens, Arts District of Los Angeles
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Wandert von einem Teilchenphysik-Experiment zum nächsten: Dr. François Drielsma.
Wandert von einem Teilchenphysik-Experiment zum nächsten: Dr. François Drielsma. (Bild: Caitlin Claassens, Arts District of Los Angeles)

Genf lockt mit dem Europäischen Teilchenphysik-Labor CERN viele Forscherinnen und Forscher in die Schweiz. So war es auch bei François Drielsma (28). In einer von Prof. Alain Blondel (Universität Genf) betreuten Doktorarbeit hat der geborene Belgier einen völlig neuen Weg untersucht, um einen Teilchenbeschleuniger zu bauen.

Am 5. Februar 2020 ist im Wissenschaftsmagazin ‘Nature’ ein Aufsatz unter dem Titel ‘Demonstration of cooling by the Muon Ionization Cooling Experiment’ erschienen. Im Kern geht es in der wissenschaftlichen Publikation um die Idee eines neuartigen Beschleunigerrings für Elementarteilchen. Bisher nutzen Physiker in Teilchenbeschleunigern und den zugehörigen Experimenten vor allem Protonen bzw. Elektronen. Grundsätzlich kommen für solche Experimente aber alle geladenen Teilchen in Frage, weil sie sich alle in einem Magnetfeld beschleunigen lassen. Anstelle von Elektronen könnte man also beispielsweise Myonen verwenden. Myonen tragen wie Elektronen eine elektrische Ladung, haben aber eine grössere Masse.

Mit Myonen befüllte Kreisbeschleuniger wären vorteilhaft, weil Myonen weniger Synchrotronstrahlung abgeben als Elektronen und daher auf höhere Energien beschleunigt werden können. Mit Myonen-Beschleunigern liesse sich zudem sehr saubere Neutrino-Strahlen herstellen und damit eine sogenannte ‘Neutrino-Factory’ bauen. Dass Myonen bisher in Kreisbeschleunigern nicht zum Einsatz kommen, liegt an ihrer kurzen Lebensdauer von gerade mal zwei Millionstelsekunden. Myonen können für Experimente nur während dieser extrem kurzen Zeit genutzt werden, während Elektronen oder Protonen stabile Teilchen sind, was ihre Verwendung in Experimenten stark vereinfacht.

Grundlagen für einen Myonen-Beschleuniger

Trotz der kurzen Lebensdauer könnten Myonen in Zukunft für Beschleunigerexperimente genutzt werden. Voraussetzung ist allerdings, dass sich ein Myonen-Strahl von hoher Qualität (‘brightness’) herstellen lässt. Genau darum ging es in dem ‘Muon Ionization Cooling Experiment’ (MICE), das am Rutherford Appleton Laboratory in der Nähe von Oxford (GB) durchgeführt wurde und über dessen Ergebnisse ‘Nature’ im Februar berichtet hat. Den beteiligten Wissenschaftlern ist es gelungen, die Qualität des Myonen-Strahls zu verbessern, indem sie eine bestimmte Methode – die sogenannte Ionisationskühlung (‘ionization cooling’) – nutzten. Die MICE-Forscher kommen in ‘Nature’ zu einem positiven Befund: “Die hier vorgestellten Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt, um für den Myonen-Strahl jene Qualität zu erreichen, die erforderlich ist, um nach Phänomenen jenseits der Energieskala des Large Hadron Collider zu suchen, und zwar an einer Forschungseinrichtung mit dem gleichem oder sogar einem geringeren Fussabdruck (gemeint: Grösse des Beschleunigers, B.V.) als der LHC.”

Einer der gut Hundert Forscher der MICE-Kollaboration war François Drielsma. Bereits als Masterstudent hat er an der Universität Genf mitgeholfen, den sogenannten ‘Electron-Myon-Ranger’ aufzubauen, der in MICE zur Unterschiedung von Myonen und Elektronen benutzt wurde. Anschliessend widmete er sich in seiner 2018 abgeschlossenen Doktorarbeit mit der Ionisationskühlung. Er entwickelte eine Analysetechnik, um die Zweckmässigkeit und Wirksamkeit dieser Kühlmethode nachweisbar zu machen. “François Drielsma arbeitet hart, geht methodisch vor und lernt schnell; er ist ein überaus kreativer und präziser Wissenschaftler”, sagt Prof. Alain Blondel, der an der Universität Genf Drielsmas Doktorarbeit betreut hat und über zehn Jahre Sprecher des MICE-Experiments war.

Neutrino-Forscher am SLAC

Der in hohen Tönen gelobte Nachwuchsphysiker wurde 1991 in der belgischen Stadt Lüttich geboren. Dort wuchs er auf und machte den Bachelor in Physik, bevor er – bereichert durch einen Sprachaufenthalt in China – für das Masterstudium an die Universität Genf zum Prof. Alain Blondel wechselte. Das war nur eine Zwischenstation, denn für seine Arbeiten an MICE ging er schon bald für 18 Monate nach England. Kaum war seine Doktorarbeit in Genf unter Dach und Fach, stand für den Nachwuchsforscher die nächste Reise ein: Im Frühsommer 2019 verliess er die Rhônestadt in Richtung Kalifornien. Er wurde Postdoc in der Neutrino-Forschungsgruppe am SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park südlich von San Francisco.

Die Neutrino-Forschung ist ein dynamisches Feld der aktuellen Teilchenphysik. In Japan wurde dieser Tage der Bau eines neuen, grossen Neutrino-Experiments unter dem Namen ‘Hyper-Kamiokande’ bekannt gegeben, und im Norden der USA entsteht gegenwärtig mit dem ‘Deep Underground Neutrino Experiment’ (DUNE) ein zweites Grossexperiment in diesem Forschungsbereich. François Drielsma ist ebenfalls in der Neutrino-Forschung tätig, aber er beteiligt sich als SLAC-Wissenschaftler die meiste Zeit an einem kleineren Experiment mit dem Namen ICARUS-Experiment. Er hat sich dafür bewusst entschieden, wie er sagt: “Ich bevorzuge es, an einem überschaubaren Experiment zu arbeiten; da hat der Einzelne einen grösseren Impact und kann mehr mitgestalten”, so Drielsma.

Gibt es ein ‘steriles’ Neutrino?

ICARUS vereint rund 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und gehört damit in der heutigen Teilchenphysik eher zu den kleineren Experimenten. Im Zentrum von ICARUS (kurz für: ‘Imaging Cosmic And Rare Underground Signals’) steht ein Detektor, der bereits ab 2001 für die Neutrino-Forschung in Italien eingesetzt wurde. 2017 wurde das Forschungsinstrument in die USA verschifft und neu im Fermilab in der Nähe von Chicago (US-Bundesstaat Illinois) aufgebaut, wo es nun ab dem Jahr 2020 für Neutrino-Experimente genutzt wird. Eines von mehreren wissenschaftlichen Zielen ist, die Produktion von Elektronen (oder Positronen) und Photonen bei Neutrino-Wechselwirkungen niedriger Energie zu untersuchen. Hier führen nukleare Effekte zu grossen Unsicherheiten bei Ereignisraten und Topologien. In dieser Region wurden Anomalien festgestellt, die ein mögliches “steriles Neutrino” hervorrufen. Studien mit einem leistungsfähigen Detektor wie jenem auf der Basis von flüssigem Argon werden mit Spannung erwartet.

Der ICARUS-Detektor ist so aufgebaut, dass er Neutrinos beobachten kann, wenn sie in einem Tank mit flüssigem Argon wechselwirken (‘Liquid Argon Time Projection Chamber’/LAr-TPC). François Drielsma arbeitet von Kaliforien aus am ICARUS-Experiment im Norden der USA mit. “Ein wichtiger Teil meiner Arbeit besteht darin, Techniken für maschinelles Lernen für LAr-TPC zu entwickeln.” Drielsma leistet mit seiner Tätigkeit auch einen Beitrag zur Vorbereitung des DUNE-Experiments, das zur Zeit unter Beteiligung der Universität Bern am Fermilab aufgebaut wird.

Eine weltumspannende Familie

Wenn ein geborener Belgier in den USA an einem Experiment mit Schweizer Beteiligung arbeitet, mag das ungewöhnlich tönen. Für die Teilchenphysik ist dieses hohe Mass an Internationalität aber nicht ungewöhnlich, wie Drielsma sagt: “Wir sind eine grosse, internationale Familie, und die meisten Wissenschaftler unserer Forschergruppe am SLAC kommen gar nicht aus den USA, sondern von auswärts. An welchem Ort wir unsere Experimente durchführen, spielt eigentlich gar keine Rolle – ausser vielleicht, dass die Stunden hier in den USA weniger gezählt werden als anderswo.”

Autor: Benedikt Vogel

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