«Wir ziehen alle Register»

«High Intensity Muon Beams», kurz «HIMB», ist einer von zwei Teilen des Upgrade-Projekts IMPACT. Können Sie uns kurz die Idee dahinter schildern?

Thomas Prokscha: Eine der wichtigsten Anlagen hier am PSI ist der Protonenbeschleuniger HIPA, das steht für «High Intensity Proton Accelerator». Er bedient drei Grossforschungsanlagen mit jeweils einer Vielzahl von Experimentierstationen. Für mein Team ist besonders die Produktion von Myonen interessant. Wir haben die intensivsten Myonenstrahlen weltweit. Deshalb kommen viele Forschungsgruppen zu uns, um damit Experimente zu machen. Aber auch die anderen Forschungsinstitute schlafen nicht und werden immer besser. Deshalb wollen wir mit IMPACT unseren Vorsprung nochmals deutlich ausbauen, um die Anlage für viele Jahre zukunftsfest zu machen. Die beiden «High Intensity Muon Beams» als Teil des Projektes IMPACT sollen eine hundertfach höhere Intensität erreichen – also hundertfach mehr Myonen enthalten.

Welche Forschungsgebiete werden davon profitieren?

Die beiden neuen Myonen-Strahllinien werden ganz unterschiedlichen Fragestellungen dienen. Erstens gibt es die physikalische Grundlagenforschung. Dort werden mit höchster Präzision entweder die Eigenschaften der Myonen selbst vermessen. Oder man nutzt die Myonen dazu, den Radius von Protonen und anderen Atomkernen zu bestimmen. Solche Experimente liefern wichtige Einsichten in die grundlegenden Naturgesetze und erlauben es, die Theorien der Teilchenphysik auf Herz und Nieren zu prüfen, wobei die hundertfach höhere Strahlintensität bisher unerreichte Präzision erlauben wird. 

Und zweitens kann man den Myonenstrahl dazu nutzen, Materialien zu untersuchen – aber im Gegensatz zur Durchleuchtung mit Röntgenstrahlen erhalten wir die Information über die Materialeigenschaften von den Myonen, die an den Zwischengitterplätzen im Material stoppen. Auf diesem Gebiet mit dem Namen «Myonenspin-Spektroskopie» ist auch mein Forschungsteam aktiv.

Wie kann man sich das vorstellen?

Myonen sind quasi die schweren Geschwister der Elektronen. Wie diese besitzen Myonen ebenfalls eine elektrische Ladung und mit dem sogenannten Spin auch ein kleines magnetisches Moment. Da die Myonen dank ihres Spins selbst magnetisch sind und im Material stoppen, erhält man im Gegensatz zum Röntgen aber noch weitere entscheidende Informationen über die Magnetfelder innerhalb eines Materials. Deshalb gibt uns die Myonenspin-Spektroskopie spannende und einzigartige Möglichkeiten, etwas über die magnetischen Eigenschaften in ganz unterschiedlichen Materialien zu erfahren. Doch die experimentellen Möglichkeiten sind gegenwärtig noch etwas limitiert.

Liegt das an der Intensität des Myonenstrahls?

Das ist nicht der einzige Grund. Wir haben ja schon jetzt die intensivsten Myonenstrahlen auf der Welt. Aber gegenwärtig können wir in der Regel für die Myonenspin-Spektroskopie gar nicht alle Myonen nutzen, sondern nur einen Teil. Wir wollen also in doppelter Hinsicht besser werden: Erstens wollen wir deutlich mehr Myonen zur Verfügung haben und zweitens einen grösseren Teil davon nutzbar machen. 

Was sind die limitierenden Faktoren?

Die Myonen zerfallen in der Probe in andere Teilchen, insbesondere in Positronen, die Antiteilchen der Elektronen. Die Rate, mit der wir das gegenwärtig vermessen können, ist aber begrenzt. Im Augenblick können wir immer nur jeweils ein Myon auf einmal messen, wenn es auf die Probe trifft. Das liegt daran, dass wir nicht wissen, welches Myon wo genau aus dem Strahl in die Probe tritt. Wir müssen deshalb mit Zeitintervallen arbeiten und können immer nur dann Daten nehmen, wenn ein einziges Myon in einem kurzen Zeitfenster bis zu seinem Zerfall in der Probe war. Das schaffen wir derzeit immerhin pro Sekunde bis zu 40 000 Mal.

Aber in Zukunft soll das sehr viel besser werden? 

Genau, wir wollen sehr viel mehr Daten in kürzerer Zeit nehmen. Und wir können dann auch deutlich kleinere Proben untersuchen. Das ist für zahlreiche Forschungsgruppen wichtig, die mit ganz neuartigen Materialien zu uns kommen. Oft ist es sehr schwierig, grössere Proben von solchen neuartigen Materialien mit mehr als einem Millimeter Durchmesser zu erzeugen. Mit dem Upgrade werden wir auch diese im Detail untersuchen können.

Welche technischen Änderungen sind dafür notwendig?

Möglich wird die simultane Beleuchtung mit vielen Myonen durch die grossen Fortschritte bei der Detektorentwicklung in der Teilchenphysik. Unsere Kollaborationspartner aus Mainz und Heidelberg haben einen sogenannten monolithischen Silizium-Pixel-Detektor entwickelt, der einzigartige Charakteristika aufweist. Mit rund 50 Mikrometer Dicke ist er sehr viel dünner als bisherige Detektoren. Dadurch stört er die Myonen und die zugehörigen Zerfallspositronen kaum. Wir installieren also einfach solche Detektoren um die Probe herum. Dadurch wissen wir, wann und wo wie viele Myonen auf die Probe treffen und welches Zerfallspositron zu welchem Myon gehört. Auf diese Weise können wir einen sehr viel stärkeren Myonenstrahl zum Einsatz bringen. Vorher wäre das gar nicht möglich gewesen. In Zukunft sollen diese Detektoren in Zusammenarbeit mit dem Labor für Teilchenphysik am PSI weiter verbessert werden.

Und wie schaffen Sie es, die Leistung des Myonenstrahls zu erhöhen?

Um eine derart starke Verbesserung zu erzielen und rund hundertfach mehr Myonen in den Strahl zu bringen, müssen wir alle Register ziehen. Dazu muss man verstehen, dass Myonen exotische, kurzlebige Teilchen sind, die selbst als Sekundärprodukte aus Teilchenkollisionen entstehen. Um die Myonen zu produzieren, schiessen wir zunächst den Protonenstrahl aus dem Teilchenbeschleuniger HIPA auf ein Grafit-Target. In diesem Material wechselwirken die Protonen mit den Kohlenstoff-Atomkernen und erzeugen dabei sogenannte Pionen, die wiederum fast instantan in Myonen zerfallen. Diese müssen wir erst einmal mithilfe spezieller Magnete einsammeln. Dank eines am PSI neu entwickelten Magnetsystems werden wir schon hier einen Faktor zehn an Myonen gegenüber dem alten System gewinnen. Einen weiteren Faktor zehn holen wir aus dem verbesserten Transport vom Grafit-Target bis hin zum Experiment heraus. Auf diesem Weg gingen bislang viele Myonen verloren. Auch hier spielt das neue Magnetsystem die entscheidende Rolle. 

Welche Messungen sollen dank HIMB möglich werden?

Wir werden künftig sozusagen magnetische 3D-Tomografie mit Myonen machen können. Und zwar sehr viel schneller und mit einer besseren Auflösung als bisher. Dies erlaubt es, schärfer in die Materialien hinein zu blicken. Das eröffnet gerade bei magnetischen Materialien, bei neuartigen Quantenmaterialien und auch bei Supraleitern spannende Einblicke, die mit anderen Verfahren kaum zu erhalten sind. 

Und wir können künftig auch deutlich kleinere Proben von nur rund einem Millimeter Durchmesser untersuchen; bislang waren rund vier Millimeter die Untergrenze. Diese Verbesserung ist relevant, weil sich neue Materialien oft nicht in grossen Mengen herstellen lassen, meist hat man nur millimetergrosse Proben. Mit der neuen Anlage wird es also für viele Forschungsgruppen überhaupt erst praktikabel, die Myonenspin-Spektroskopie zu nutzen. 

Haben Sie schon viele Anfragen?

In Gesprächen erkundigen sich bereits jetzt Forschungsgruppen aus aller Welt über die neuen Möglichkeiten. Aber zunächst müssen wir ja die Anlage umrüsten. Das wird während der grossen Betriebspause 2028 bis Mitte 2029 geschehen. Bis dahin wartet viel Arbeit auf uns alle, um perfekt vorbereitet zu sein. Wenn dann alles läuft wie geplant, wird gewiss eine Vielzahl von Anfragen eintreffen. Wir sind gespannt, ob dann auch Kunden aus der Industrie auf die Anlage zugreifen wollen. Bislang arbeiten wir vor allem mit Partnern aus der Wissenschaft zusammen. Nun gibt es gegenwärtig ja viele Start-ups aus dem Bereich Quantentechnologie, die etwa neue Quantenmaterialien entwickeln. Die Myonenspin-Spektroskopie könnte sich dort als sehr hilfreich erweisen. Ich kann mir gut vorstellen, dass wir aus diesem Bereich künftig einige Kunden haben.