14. Dezember 2017

Wir starten mit 500 Millionen Myonen

Forschung mit Myonen

Mit Myonen lassen sich Materialien untersuchen, die für die Elektronik der Zukunft infrage kommen. Die beiden PSI-Forscher Alex Amato, Leiter des Labors für Myonspin-Spektroskopie, und Thomas Prokscha, Leiter der Gruppe Niederenergie-Myonen, erklären im Interview die Besonderheit dieser Elementarteilchen.


Herr Amato, Herr Prokscha, warum sind für Sie und Ihre Forschenden Myonen so bedeutend und wie kann es sein, dass kaum ein Laie diese Teilchen kennt?

Alex Amato: Myonen sind Elementarteilchen – eigentlich genau wie Elektronen, allerdings 200 Mal schwerer. Man kann Myonen durchaus als exotische Teilchen bezeichnen, denn sie kommen nicht in den Atomen vor und sind damit nicht Teil der Materie, die uns umgibt. Myonen prasseln aber ständig aus der oberen Erdatmosphäre auf uns herab. Dort entstehen sie, wenn Protonen aus dem Weltall auf die Atome der äusseren Luftschicht treffen. Myonen sind aber sehr kurzlebig, das heisst, sie zerfallen kurz nach ihrer Entstehung wieder in andere Teilchen.

In der Forschung am PSI erzeugen wir Myonen künstlich, indem wir schnelle Protonen aus der hiesigen Protonenbeschleunigeranlage auf ein Stück Kohlenstoff treffen lassen. Wenn die Protonen auf die Atomkerne des Kohlenstoffs treffen, entstehen Myonen. Diese Myonen fliegen aus dem Material heraus und lassen sich als Strahl gebündelt für unsere Forschung nutzen.

Wie setzen Sie diesen Myonen-Strahl ein?

Thomas Prokscha: Wir haben am PSI insgesamt sechs verschiedene Messplätze für Experimente mit Myonen zur Materialuntersuchung, die allesamt zu Alex‘ Labor für Myonspin-Spektroskopie gehören. An dem Messplatz, an dem meine Gruppe und ich mit Niederenergie-Myonen arbeiten, können wir sehr gut untersuchen, was an den Grenzschichten zwischen zwei Materialien passiert. Die Technik dafür haben wir hier selbst am PSI entwickelt und stellen sie seit 2006 der internationalen Forschergemeinde zur Verfügung. Bis heute kann das weltweit niemand anderes auch nur annähernd in dieser Qualität. Wir haben etwa 10 000 Nieder-Energie-Myonen pro Sekunde, die wir auf die Probe, also auf das Untersuchungsobjekt, schiessen. Nieder-Energie heisst, dass sie zuvor abgebremst wurden. Das geht leider mit einem Verlust an Myonen einher, das heisst, wir starten sogar mit 500 Millionen Myonen pro Sekunde an der Myonenquelle SμS (Aussprache: Es-Mü-Es; Anm. d. Red.). Wir wollen aber die Niederenergie-Myonen, denn da können wir über die Wahl der Energie genau festlegen, bis in welche Tiefe im Material sie eindringen. Wenn wir also die Energie so wählen, dass die Myonen an der Grenzschicht in der Probe stoppen, können wir diese Grenzschicht untersuchen.

Warum interessieren Sie sich gerade für Grenzschichten?

Amato: An den Grenzschichten von zwei passenden Materialien kann man ganz andere, neue Eigenschaften im Vergleich zu den jeweils getrennten Materialien erhalten. Hier geschehen auch die Phänomene, die heutzutage in der Elektronik ausgenutzt werden. Kaum jemand geht davon aus, dass schon morgen der Quantencomputer die heutige Elektronik ersetzt. Daher suchen Forschende und Entwickler weiterhin nach Materialien, die die heutigen Prinzipien der Elektronik weiter nutzen, aber dabei eben etwas besser sind als das, was aktuell auf dem Markt ist. Wir selbst haben dabei nicht das Ziel, die Elektronik der Zukunft zu entwickeln. Unser Ziel ist es, die Grundlagen zu verstehen und so unseren Teil beizutragen.

Erklären Sie etwas genauer, warum Sie gerade Myonen nutzen?

Prokscha: Wir nutzen genau die Kurzlebigkeit der Myonen aus. Wenn wir sie in der Grenzschicht unserer Probe implantiert haben, zerfallen sie dort in andere Teilchen. Als Zerfallsprodukt sendet dabei jedes Myon unter anderem ein sogenanntes Positron aus, was wir in Detektoren nachweisen.

Amato: Viele unserer Experimente drehen sich um die magnetischen Eigenschaften von Materialien. Das Positron, das beim Myonenzerfall entsteht, fliegt nicht in irgendeine Richtung davon, sondern zeigt durch seinen Ausflugswinkel an, wie die lokalen Magnetfelder an der Stelle in der Probe ausgerichtet sind, wo das Positron herkam. Darum messen wir ihren Ausflugswinkel, indem wir rund um die Probe Positronen-Detektoren platziert haben.

Prokscha: Jetzt können wir noch die Energie der einfliegenden Myonen leicht variieren. Dadurch bleiben sie etwas weiter oben beziehungsweise weiter unten in der Probe stecken. So vermessen wir nach und nach gezielt die magnetischen Eigenschaften rund um die Grenzschicht. Schliesslich können wir noch die Temperatur verändern und auch hier Abhängigkeiten und Zusammenhänge feststellen.

Die sechs Myonen-Experimentierplätze in Betrieb zu halten, ist bestimmt eine besondere Herausforderung, Herr Amato?

Amato: Oh ja. In meinem Labor sind wir ein vergleichsweise kleines Team von rund 20 Leuten, davon sind knapp die Hälfte fest angestellte Physiker. Es funktioniert, weil wir alle sehr motiviert sind und Spass an der Sache haben. Aber wir alle haben auch mehrere Jobs: Die Anlagen müssen immer weiterentwickelt werden; die externen Nutzer müssen bei ihren Messungen betreut werden, damit gute Ergebnisse herauskommen, denn gerade neue Nutzer haben keine Zeit, die Methode zu lernen; und dann haben wir auch noch eigene Experimente. Das alles ist für uns ein ständiger Spagat.

Interview: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann