Forschung mit Myonen

Macht man elektronische Bauteile kleiner, werden sie leider heisser. Auch ist bald die Grenze der technisch machbaren Verkleinerung erreicht. Am PSI arbeiten Gabriel Aeppli und Christian Rüegg an grundlegend neuen, physikalischen Lösungen für bessere Rechner und Datenspeicher.

Mit Myonen lassen sich Materialien für die Elektronik der Zukunft untersuchen. Die beiden PSI-Forscher Alex Amato und Thomas Prokscha erklären im Interview die Besonderheit dieser Elementarteilchen.

Aldo Antognini liegen Physik und Geselligkeit im BlutMehr als 2'200'000 Franken hat Aldo Antognini von der EU für sein neuestes Experiment bekommen. Er will herausfinden, wie der Magnetismus im Proton verteilt ist. Dabei wird der Teilchenphysiker nicht nur seine wissenschaflichen und technischen, sondern auch seine sozialen Talente einsetzen können.

Das Deuteron ist – genau wie das Proton – kleiner als bisher gedachtDas Deuteron – einer der einfachsten Atomkerne, bestehend aus nur einem Proton und einem Neutron – ist deutlich kleiner als bislang gedacht. Dieses neue Forschungsergebnis passt zu einer Studie aus dem Jahr 2010, bei dem ebenfalls am Paul Scherrer Institut PSI das Proton vermessen wurde und ebenfalls ein kleinerer Wert gefunden wurde als erwartet. Das Ergebnis von 2010 begründete das seither sogenannte Rätsel um den Protonradius.

Seltenheit eines Teilchenzerfalls vermessenIm sogenannten MEG-Experiment am PSI suchen Forschende nach einem extrem unwahrscheinlichen Zerfallspfad bestimmter Elementarteilchen namens Myonen. Genauer gesagt beziffern sie eben diese Unwahrscheinlichkeit. Ihre neueste Zahl lautet: Dieser Zerfall geschieht in weniger als 1 zu 2,4 Billionen der Fälle. Mithilfe dieses Ergebnisses können theoretische Physiker aussortieren, welche ihrer Ansätze zur Beschreibung des Universums der Realität standhalten.

Was macht ein Physiker, wenn sein Experiment eine hochgenaue Zeiterfassung benötigt? So genau, dass bestehende Elektronik kaum weiterhilft? Ein Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI hat sich kurzerhand entschlossen, selbst eine Lösung zu entwickeln. Die heisst DRS4 und ist ein hochpräziser Elektronikchip, der die Physik unseres gesamten Universums entschlüsseln könnte. Nebenbei hilft der Chip schon heute Ärzten, Hirntumore genauestens zu lokalisieren.

Aus einer Milliarde winziger Magnete haben Forschende am Paul Scherrer Institut PSI ein künstliches Material erschaffen, ein sogenanntes Metamaterial. Überraschenderweise zeigt sich nun, dass seine magnetischen Eigenschaften sich je nach Temperatur ändern, so dass es verschiedene Zustände einnehmen kann; ähnlich wie Wasser einen gasförmigen, flüssigen und festen Zustand hat.

Ein international zusammengesetztes Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, wie man von Natur aus unmagnetische Metalle wie etwa Kupfer magnetisch machen kann. Die Entdeckung könnte helfen, neuartige Magnete für unterschiedlichste technische Anwendungen zu entwickeln. Messungen, die für das Verständnis des Phänomens entscheidend waren, wurden am PSI durchgeführt. Nur hier lassen sich magnetische Vorgänge im Inneren von Materialien in dem nötigen Detail untersuchen.

Materialforschung, Teilchenphysik, Molekularbiologie, Archäologie à seit 40 Jahren ermöglicht der grosse Protonenbeschleuniger des Paul Scherrer Instituts PSI Spitzenforschung auf verschiedenen Gebieten. Bei einem Festsymposium am 24. Februar 2014 wird das Jubiläum gefeiert.

Ein seltener Vorgang in der Natur soll darüber entscheiden, wie wir in Zukunft am besten unser Universum beschreiben. Es handelt sich um einen bestimmten Zerfall einer bestimmten Elementarteilchensorte: der Myonen. Diese Teilchen leben nicht lange und zerfallen in verschiedene andere Partikel. Doch ein ganz besonderer Zerfallsprozess ist laut den einen theoretischen Modellen praktisch verboten, laut den anderen aber erlaubt. Welche Theorie hat recht? Durch die genaueste Beobachtung von vielen hundert Billionen Teilchenzerfällen sind Physiker am Paul Scherrer Institut diesem Rätsel näher gekommen. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachblatt Physical Review Letters veröffentlicht.

Myonen à instabile Elementarteilchen à bieten Forschenden wichtige Einblicke in den Aufbau der Materie. Sie liefern Informationen über Vorgänge in modernen Materialien, über die Eigenschaften von Elementarteilchen und über die Grundstrukturen der physikalischen Welt. Viele Myonenexperimente sind nur am Paul Scherrer Institut möglich, weil hier besonders intensive Myonenstrahlen zur Verfügung stehen.

Ein internationales Forscherteam hat mittels Laserspektroskopie an exotischem Wasserstoff den unerwartet kleinen Wert für den Protonenradius bestätigt. Die Experimente wurden am PSI durchgeführt. Das PSI erzeugt als einziges Forschungszentrum weltweit ausreichend viele Myonen für die Herstellung der exotischen Wasserstoffatome aus Proton und Myon.

Ein internationales Forschungsteam hat mit grosser Genauigkeit bestimmt, wie das Proton an der schwachen Wechselwirkung à einer der vier fundamentalen Kräfte der Natur à teilhat. Die Ergebnisse bestätigen die theoretischen Voraussagen des Standardmodells der Teilchenphysik. In dem Experiment wurde beobachtet, mit welcher Wahrscheinlichkeit Myonen von Protonen eingefangen werden à ein Prozess, der von der schwachen Wechselwirkung bestimmt wird. Das Experiment wurde am Paul Scherrer Institut PSI durchgeführt, dem einzigen Ort weltweit, an dem genügend Myonen zur Verfügung stehen.

Zwei Experimente mit massgeblicher Beteiligung von Forschern des Paul Scherrer Instituts PSI liefern wichtige Ergebnisse bei der Suche nach der richtigen Beschreibung der Welt der kleinsten Teilchen. In den Experimenten haben die Physiker nach sehr seltenen Teilchenzerfällen gesucht. In beiden Fällen konnte der gesuchte Zerfall nicht beobachtet werden wodurch bestimmte Modelle der Teilchenphysik ausgeschlossen werden konnten.

Materialforschung in neuer DimensionViele Materialien haben eine spezielle kristalline Struktur à ihre Atome sind übereinander in Schichten angeordnet. Ein deutsch-schweizerisches Forscherteam hat zum ersten Mal präzise beobachtet, wie die physikalischen Eigenschaften einer Substanz von der Zahl dieser Schichten abhängen. Dass sich die physikalischen Charakteristika nun auch auf diese Weise kontrollieren lassen, eröffnet neue Möglichkeiten, Stoffe zu identifizieren, aus denen die Computerchips der Zukunft gemacht sein könnten.

Eine neue Messung der Lebensdauer des Myons à die genaueste Bestimmung einer Lebensdauer in der Welt der kleinen Teilchen à liefert einen hochgenauen Wert für einen Parameter, der für die Bestimmung der Stärke der schwachen Kernkraft entscheidend ist. Die Experimente wurden von einem internationalen Forschungsteam am Paul Scherrer Institut durchgeführt.

Forschern ist es gelungen, magnetisch polarisierte Elektronen mit elektrischen Feldern zu beeinflussen. Diese wichtige Entdeckung könnte es ermöglichen, die Eigenschaften von Elektronen in einem Computerchip gleichzeitig für Verarbeitung und Speicherung von Daten zu nutzen. In Zukunft könnte dies die Entwicklung erheblich sparsamerer und leichterer elektronischer Geräte aller Art ermöglichen.

Das Proton à einer der Grundbausteine der Materie à ist kleiner als bisher angenommen. Das haben Experimente eines internationalen Forschungsteams bewiesen, die am Paul Scherrer Institut PSI im schweizerischen Villigen durchgeführt worden sind.

Neutronen, Synchrotronlicht und Myonen sind für Forschende vieler Disziplinen äusserst nützlich. Mit diesen Sonden lässt sich der Aufbau von Kristallen entschlüsseln, sie helfen beim Verständnis magnetischer Vorgänge oder klären Strukturen biologischer Materialien auf. Gleichzeitig ist es mit einem so grossen Aufwand verbunden, diese Sonden zu erzeugen, dass die meisten Forschergruppen am eigenen Institut keine Neutronen-, Myonen- oder Synchrotronlichtquelle vorfinden werden.

Publikation in Nature Materials.Ergebnisse vom Paul Scherrer Institut stellen gängige Theorien der Hochtemperatursupraleitung in Frage.