PSI-Myonenforscher
Der lange Weg zur Erkenntnis
Wie findet ein Physiker – oder eine Physikerin – einen Sachverhalt, der das Wissen über unsere Welt auf ein neues Fundament stellt? Durch Knochenarbeit, lautet eine simple Antwort. Dies weiss auch Andreas Knecht, ein Schweizer Nachwuchsforscher, der am Paul Scherrer Institut (PSI) im aargauischen Villigen zur Zeit ein Experiment aufbaut, das an den Grundfesten unseres Weltbildes rütteln könnte. Doch bis Ergebnisse vorliegen, braucht der Teilchenphysiker Geduld. Viel Geduld. Ein Jahrzehnt mindestens. (Bild: Myonen-Forscher Andreas Knecht in der Experimentierhalle des Paul Scherrer Instituts. Foto: BV)
Wer sich Physiker als grauhaarige Zahlenakrobaten vorstellt, ist bei Andreas Knecht an den falschen geraten. Knecht steht in einer Experimentierhalle des PSI. Der Blick geht auf Messeinrichtungen, Kabelstränge und Betonabschirmungen. Der Teilchenphysiker erklärt die Experimente, die vor unseren Augen aufgebaut sind. Die Erklärungen sprudeln über seine Lippen. Draussen vor der Experimentierhalle werden die Protonen beschleunigt. Von dort gelangt der Protonenstrahl in die Halle, 10 000 mal ärmer an Energie als der Protonenstrahl am CERN, aber reich an Protonen. Hinter den Betonplatten durchquert der Strahl die Experimentierhalle. Hier trifft er auf Kohlenstoffscheiben, wo ein Teil der Protonen kollidieren. Dabei entstehen Pionen und aus ihnen Myonen, jene flüchtigen Elementarteilchen, die, kaum sind sie entstanden, abermals zerfallen in weitere Teilchen. Physik ist ein Kinderspiel, könnte man denken, wenn man dem 32-jährigen Nachwuchsforscher zuhört.
Exotische Myonenzerfälle
„Interessante Experimente fesseln jeden Menschen“, meint Knecht. Er erzählt von seiner Freundin, einer Primarlehrerin, die ihre Schülern zum Staunen bringt, wie das Vakuum ein Ei durch einen Flaschenhals saugt. „Die einen finden Experimente einfach lustig, die andern wollen sie auch noch verstehen. Das unterscheidet Nichtphysiker von Physikern“, sagt Andreas Knecht. Er, das ist klar, will Experimente verstehen. Ganz besonders jenes, das er gegenwärtig hier in der Experimentierhalle des PSI aufbaut. Mit der Versuchsanordnung will er mit einer bisher ungekannten Datenfülle untersuchen, ob Myonen in drei Elektronen zerfallen können. „Sollten wir nachweisen können, dass dieser Zerfall tatsächlich vorkommt, würde dies möglicherweise entscheidende Hinweise geben zum Wesen von Dunkler Materie, jenem Stoff, von dem die Physiker wissen, dass er existieren muss, von dem aber niemand eine Ahnung hat, wie er beschaffen ist.“
Bis das Experiment steht und Messergebnisse liefert, werden Andreas Knecht und seine Forscherkollegen einen langen Atem brauchen. Zwei Jahre nimmt allein die Machbarkeitsstudie in Anspruch. Dann muss das nötige Geld – voraussichtlich ein zweistelliger Millionenbetrag – aufgetrieben und schliesslich das Experiment aufgebaut werden. 2019 könnte der Versuch dann in Betrieb gehen, im Jahr 2022 werden die Schlussergebnisse erwartet. Eine lange Zeit. Nicht zu lange für Andreas Knecht: „Das ist der Kitzel, nach etwas zu suchen, das, wenn man es findet, unser Verständnis der Welt grundlegend verändert.“
Doktorarbeit in der Neutronenphysik
Andreas Knecht wurde nicht als Physiker geboren. Auch nicht als Sohn von Physikern. Sein Vater war Bauarbeiter, seine Mutter Kindergärtnerin. Er büffelte an einem humanistischen Gymnasium alte Sprachen, und nach der Matura hätte er um ein Haar Geschichte studiert. „Im letzten Moment“, erzählt er, habe er aus dem Bauch heraus Physik gewählt. Aufgewachsen in Appenzell Ausserrhoden, ging er zum Physikstudium an die ETH Zürich, spezialisierte sich auf Teilchenphysik, promovierte später am PSI über ultrakalte Neutronen (Doktorvater: Ueli Straumann, Uni Zürich; Betreuer: Klaus Kirch), wechselte für 2,5 Jahre an die University of Washington nach Seattle, ging als CERN-Fellow nach Genf und kehrte nun im August 2013 als wissenschaftlicher Mitarbeiter ans PSI zurück.
Die Anstellung an dem Forschungsinstitut ist attraktiv, denn unbefristete Forscherstellen sind rar. Die Position wäre auch ein ideales Sprungbrett auf eine Professur, sollte sich in Zukunft einmal das Fenster öffnen, auf einen der wenigen Schweizer Lehrstühle mit Schwerpunkt niederenergetische Teilchenphysik zu wechseln.
Maximale Ausbeute an Myonen-Zerfällen
Das ist eine mögliche Zukunft. Die Gegenwart besteht für Andreas Knecht in der Aufgabe, einem Strahl aus Protonen möglichst viele Myonen abzutrotzen. Denn fest steht: Falls Myonen tatsächlich in drei Elektronen zerfallen, dann tun sie das extrem selten. Um einen solchen Zerfall – wenn es ihn denn überhaupt gibt – nachweisen zu können, müssen möglichst viele Myonen-Zerfälle ausgewertet werden. Die 100 Millionen Myonen-Zerfälle pro Sekunde, die gegenwärtig mit den PSI-Messgeräten zu beobachten sind, genügen da nicht.
Daher will Andreas Knecht ein Experiment aufbauen, dessen Ausbeute 100 Mal besser ist (1010 Zerfälle/s). Um das zu erreichen, will er den Protonenstrahl in der Experimentierhalle des PSI an einer bisher ungenutzten Stelle anzapfen. „Das ist eine grosse technische Herausforderung“, sagt Knecht, „denn der Strahl hat mit 1,3 Megawatt eine sehr hohe Leistung, da gelten sehr hohe Anforderungen punkto Sicherheit und Strahlenschutz.“ Zudem muss er darauf achten, dass er dem benachbarten Neutronenexperiment SINQ nicht in die Quere kommt.
Eines von drei Experimenten weltweit
Und dann noch einige Dinge, die sich nicht in ein, zwei Sätzen erklären lassen. Klar ist, dass Andreas Knechts Experiment am PSI – wenn es denn zustande kommt – eines sein wird, das in ähnlicher Weise nur noch an zwei anderen Orten weltweit unternommen wird: am Fermilab bei Chicago (USA), und am Beschleunigerzentrum J-PARC nahe der japanischen Stadt Osaka. „In meinem Bereich ist das PSI eines der führenden Institute weltweit.“ – Ein Plätzchen, an dem ein Physiker wie Andreas Knecht gern zehn Jahre oder auch mehr nach den Grundlagen der Welt forscht.
Benedikt Vogel (veröffentlicht 19. 12. 2013)
