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Grundlagenforschung

Die kleine Revolution

17. Oktober 2018, 14:39 Uhr   |  Paulina Würth

Die kleine Revolution
© David Wurm

Ein winziges Dipolmoment eines kleinen Teilchens könnte an der Glaubwürdigkeit des Standardteilchenmodells ruckeln. Klingt abwegig, ist aber so. David Wurm von der TU München versucht genau dieses Dipolmoment zu finden – und stößt dabei auf eine Vielzahl an Herausforderungen.

Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens brach in der Teilchenphysik eine Krise aus. Tausende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben über Jahrzehnte daran gearbeitet, damit der Large Hardon Collider (LHC) am CERN auf einer neuen, höheren Energieskala messen kann. Und gefunden hat man nur, was schon vor über 60 Jahren theoretisch vorhergesagt wurde: das Higgs-Boson – und sonst nichts.

Es gibt viele offene Fragen in der Teilchenphysik, aber dieses Ergebnis war für den Gesamtfortschritt der Forschung sehr ungünstig. Statt eines Ansatzpunktes für neue Physik hat man einen Schlussstein zu einer Theorie gefunden, von der wir bereits wissen, dass wir über sie hinausgehen müssen. Und damit zeichnet sich auch ab: Neue Physik versteckt sich auf noch höheren Energieskalen, die man nicht so einfach mit Beschleunigern erreichen kann.

Im Vergleich zu den Experimenten am CERN verfolgen wir einen entgegengesetzten Ansatz. Statt die Bedingungen im frühen Universum durch Kollision von hochenerge­tischen Teilchen zu simulieren, betrachten wir ultrakalte Neu­tronen, weit weg von den heißen Bedingungen bei der Formung der Materie.

Das bedeutet auch, dass wir nicht zwei Teilchenstrahlen aufeinanderschießen können und messen, was dabei alles entsteht, sondern sehr viel präziser und genauer messen müssen, was bereits da ist – daher auch der Name »Präzisionsexperiment«. Und in solchen Experimenten ist der eigene Apparat der größte Feind.

„Ein Dipol ist die physikalische Anordnung zweier zueinander entgegengesetzter allgemeiner Ladungen.«

Wir versuchen das elektrische Dipolmoment (EDM) des Neutrons zu messen. Wir wissen nicht, ob es diese Größe gibt, aber falls das Neutron ein elek­trisches Diplomoment hat, ist es kleiner als 10-26 e∙cm. In Energie ausgedrückt, verhält sich das EDM zu der Energie, die bei einem Flohsprung gebraucht wird, wie besagter Flohsprung zur Energieabstrahlung der Sonne an einem Tag. Trotzdem hätte die Existenz große Auswirkungen auf die Entstehung der Materie im frühen Universum.

Alles, was wir im Universum sehen – Sterne, Galaxien –, besteht aus Materie. Aus der Teilchenphysik wissen wir aber, dass es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen gibt, und wenn man aus Energie Materie erzeugt entsteht immer gleich viel Materie wie Anti­materie. Wenn wir aber das Universum betrachten, sehen wir keine größeren Mengen an Antimaterie (nicht zu verwechseln mit dunkler Materie) – alles was man beobachtet, ist Materie. Daher muss es Vorgänge geben, die die Symmetrie zwischen Materie- und Antimaterie-Entstehung  brechen.

Das elektrische Dipolmoment des Neutrons wäre eine Quelle für einen solchen Symmetriebruch. Zahlreiche neuere Theorien, die die Frage nach dem Ursprung der Materie beantworten wollen wie beispielweise Supersymmetrie, machen daher Vorhersagen für das EDM des Neutrons.

Es gibt hier zwei mögliche Ergebnisse:

  1. Wir können das EDM nachweisen, was die Arbeit an Theorien außerhalb des Standardmodells  voranbringt.
  2. Wir können kein EDM nachweisen, was zwar schade wäre, aber auch eine wichtige Entdeckung, die viele neue Theorien ausschließt und uns sagt, in welche Richtung wir weiter forschen müssen.

Unser Ansatz für die Messung

Polarisierte ultrakalte Neutronen in der Doppelkammer. Mit EDM würde sich die Rotationsgeschwindigkeit ändern.
© David Wurm

Polarisierte ultrakalte Neutronen in der Doppelkammer. Mit EDM würde sich die Rotationsgeschwindigkeit ändern.

Bevor wir mit dem Experiment beginnen, müssen wir uns kurz an die Wechselwirkung von elektromagnetischen Feldern mit Dipolmomenten erinnern. Ein elektrischer Dipol erfährt in einem elektrischen Feld ein Drehmoment. Daher der Name: Dipolmoment. Genauso, wie ein magnetischer Dipol ein Drehmoment in einem magnetischen Feld erfährt. Neutronen haben einen Spin, der ein magnetisches Dipolmoment erzeugt – das ist seit langem bekannt.

Das von uns gesuchte elektrische Dipolmoment würde, falls es existiert, dafür sorgen, dass der Spin des Neutrons auch ein Drehmoment in einem elektrischen Feld erfährt. Im Kern ist unsere Idee also: Wir lassen auf das Neutron elektrische Felder los und sehen, ob es sich dann dreht – dann hätte es ja ein elektrisches Dipolmoment. Das Problem: Das elektrische Dipolmoment ist nachweislich kleiner als 10-26 e∙cm und die resultierende Drehung enorm klein. Daher ist das gesamte Experiment darauf ausgerichtet, diesen Effekt zu maximieren.

Vorbereitung der Neutronen

Wir erzeugen ultrakalte Neutronen. Diese Neutronen werden in einem Forschungsreaktor   produziert und in einem Bad aus flüssigem Helium soweit abgekühlt, dass sie Schrittgeschwindigkeit haben, viel weniger als Teilchen unter Alltagsbedingungen. Wir erzeugen die Neutronen außerdem so, dass der Spin aller Neutronen  nach oben ausgerichtet ist in einem Magnetfeld, das ebenfalls nach oben zeigt. Sie drehen sich also anfangs nicht. Etwa 40.000 dieser Neutronen befinden sich in zwei zylindrische übereinander liegende Kammern.

Interferometer zur Spin-Messung

Die Neutronen in der Kammer werden mit einem Puls in Rotation versetzt und mit einem zweiten Puls wieder gestoppt.
© David Wurm

1. Ausgangslage: Neutronen (blau) werden in die Kammer eingefüllt. Durch beide Kammern zeigt ein gemeinsames Magnetfeld (B0). Eine Hochspannungselektrode zwischen den Kammern erzeugt entgegengesetzte elektrische Felder.2. Messzeit: Nach dem seitlichen Puls drehen sich die Spins. Wenn es ein EDM gibt, dann addieren sich die Effekte von E- und B-Feld in der oberen Kammer, sodass die Spins oben schneller rotieren als unten.3. Auslese: Nach dem zweiten Puls stoppt die Rota­tion. Ohne ein EDM zeigen alle Spins wie zu Bedginn nach oben. Mit EDM zeigen die Spins der Neutronen in der unteren Kammer nach unten.

Die eigentliche Messung beginnt mit einem magnetischen Puls, der seitlich eingestrahlt wird. Der Spin aller Neutronen dreht sich um 90° in die horizontale Ebene. Damit ist der Spin nicht mehr parallel zum Magnetfeld, und die Neutronen beginnen sich alle in die selbe Richtung zu drehen, mit der selben Frequenz, die proportional zum Magnetfeld ist. Zwischen den beiden Kammern, sowie über und unter ihnen, befindet sich jeweils  eine Hochspannungs-Elektrode. 

Wenn nun die mittlere Elektrode auf Hochspannung gesetzt wird, entstehen Feldlinien nach außen, von außen betrachtet nach oben und unten durch die beiden Neutronenkammern. In der oberen Kammer verläuft das elektrische Feld parallel zum magnetischen Feld. In der unteren Kammer zeigt das elektrische Feld antiparallel zum magne­tischen Feld. Die Neutronen in der oberen Kammer werden nun schneller rotieren als die Neutronen in der unteren Kammer, da  der Beitrag durch das elektrische Dipolmoment in der oberen Kammer dazu addiert wird, während er in der unteren Kammer abgezogen wird.

Nach 250s Messzeit beendet ein zweiter seitlich eingestrahlter Puls die Messung. Gibt es kein EDM, zeigen die Spins aller Neutro­nen in beiden Kammern in die selbe Richtung. Gibt es ein EDM, zeigen wegen der unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten die Neutronen in den Kammern in unterschiedliche Richtungen. Anschließend verlassen die Neutronen die Kammern und werden von zwei Detektoren erfasst die zählen wie viele Neutronen es mit dem Spin »parallel zum Magnetfeld« und wie viele es mit dem Spin »nicht parallel« gibt. Aus diesem Verhältnis können wir auch die tatsächliche Größe des EDMs ableiten.

Elektronik als Feind der Messung

Der innere Schild im Herzen der Messkammer. Kein elek­trisches oder magnetisches Feld darf die Messung beeinflussen, da das EDM von jedem noch so kleinen Feld über­lagert wird.
© David Wurm

Der innere Schild im Herzen der Messkammer. Kein elek­trisches oder magnetisches Feld darf die Messung beeinflussen, da das EDM von jedem noch so kleinen Feld über­lagert wird.

Da das EDM, wie oben beschrieben, äußerst klein ist, gibt es ein schwerwiegendes Problem: Für einen Zeitraum von 250s stört jedes ungewollte magnetische und elektrische Feld in der Kammer die Messung. Ein Beispiel: Der Motorblock eines LKW, der in einem Kilometer Entfernung vom Experiment vorbeifährt, würde den Effekt des EDMs überdecken. Oder aber ein Fingerabdruck auf der Innenwand der Kammer würde genug Leitfähigkeit besitzen, dass der Kriechstrom zwischen der Hochspannungselektrode und der Außenwand auf einige Femto­ampere ansteigt. Das Magnetfeld dieses Kriechstroms – weil es so nahe an den Neutronen entsteht – überdeckt ebenfalls den Effekt des EDM.

Elektronikverbot in der Kammer

Schema der Neutronenkammer
© David Wurm

Schema der Neutronenkammer:1. Kammern für die Neutronen, dazwischen die Hochspannungselektrode // 2. Vakuumkammer // 3. Hochspannungsversorgung // 4. Zylindrisches Schild mit Magnetfeldspulen 5. Magnetische Abschirmung(Bild: David Wurm)

Eine offensichtliche Antwort auf diese Anforderung ist: strenge Richtlinien an das Baumaterial. Nichts nahe der Kammer darf magnetisch oder magnetisierbar sein. Alle Komponenten werden aufwendig untersucht und getestet, bei jedem Bauteil muss die Magnetisierbarkeit bis auf 10 Picotesla bekannt sein.

Diese Untersuchungen sind nur an wenigen Orten wie etwa dem magnetisch abgeschirmten Raum BMSR-II an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin möglich. Analog dazu gibt es bis auf die Hochspannungsversorgung kein einziges Kabel, das zur Kammer führt. Stromstärken wie sie bereits bei Temperatursensoren oder an Photodioden benötigt werden,  stufen wir als zu groß ein für eine Anwendung in der Kammer.

Die Kammer ist umgeben von sechs Schichten an Mu-Metall. Dieses Metall ist eine metal­lurgische Meisterleistung mit einer hohen Magnetisierbarkeit. Sie ist fast 200-mal so groß wie die von Weicheisen. Magnetische Feldlinien von außen werden regelrecht  ins Schirmmaterial eingesaugt und damit am Experiment vorbeigeleitet. Die minimale Dämpfung der Schilde liegt bei 10 mHz und beträgt mindestens 65dB. Dieser Schild war zum Zeitpunkt seiner Entwicklung der beste seiner Art.

Doch selbst der beste Schild der Welt genügt nicht. Denn Faktoren im Inneren des Experiments können sich verändern. Ein Beispiel sind die oben bereits genannten Kriechströme. Ein anderes Beispiel sind Hochspannungsdurchschläge. Nicht zuletzt hat der Schirmfaktor des Mu-Metalls eine starke Temperaturabhängigkeit, und somit führt kein Weg daran vorbei, des Magnetfeld in der Kammer während des Experiments zu überwachen.

Dieser Umstand sorgt für eine absurde Anforderung: Um die Genauigkeit des Magnetfelds nachweisen zu können muss zu jeder Zeit die magnetische Flussdichte durch die Kammern gemessen werden. Gleichzeitig sind Messsonden wie Hall-Proben und Fluxgate-Magnetometer für uns selbst starke Quellen von Störfeldern, die wir bereits oben verboten haben. Wie misst man also ein Magnetfeld, wenn jeder Einsatz von Strom verboten ist?

Optische Magnetometer

Aus dem Infrarot-Laser wird durch verdoppeln der Frequenz mit Hilfe von Spiegeln ein UV-Laser.
© P. Würth | Elektronik neo

Aus dem Infrarot-Laser wird durch verdoppeln der Frequenz mit Hilfe von Spiegeln ein UV-Laser.

Zur Überwachung des Magnetfeldes machen wir uns einen Effekt zu Nutze, den wir bereits bei den Neutronen selbst verwenden: Magnetische Dipole erfahren ein Drehmoment in einem Magnetfeld. Cäsium-Atome können wir in guter Nährung genauso wie die Neutronen als Teilchen mit Spin betrachten, die ein Drehmoment in einem magnetischen Feld erfahren.

Überall dort, wo wir nun das Magnetfeld messen wollen, platzieren wir eine ca. 3cm lange, evakuierte Glaszelle mit Cäsium. Cäsiumdampf ist optisch aktiv, das bedeutet wir können die Änderungen im Spin sichtbar machen. Schicken wir einen Laser durch die Zelle führt die Rotation der Cäsium-Atome zu einer Doppelbrechung mit gleicher Frequenz. Glasfasern bringen den Auslesestrahl von einem Elektronik-Rack bis zum Experiment und zurück nach außen. Die Elektronik für Strahlpräparation und Auslese ist getrennt von den Neutronen, und Glasfaserkabel und Glaszellen erfüllen nach wie vor unsere Anforderungen.

Neben Cäsium benutzten wir noch Quecksilber zur Feldüber­wachung. Während mehr als 16 Cäsium-Zellen geplant sind, wird es insgesamt nur zwei Quecksilberzellen geben. Diese Zellen sind mehr als 240mm lang und über und unter den Neutronenkammern platziert. Quecksilber benötigt zur Auslese einen Laser bei 254nm, eine technisch sehr herausfordernde Wellenlänge.

Trotzdem lohnt es sich beide Systeme zu verwenden: Die Cäsium-Zellen detektieren schnelle Ereignisse wie Hochspannungsdurchschläge mit einer Bandbreite von 3kHz – durch ihre große Anzahl können lokale Störungen identifiziert werden. Queck­silber-Zellen messen mit der unvergleichlichen Sensitivität von 20 Femtotesla über 250s und haben eine hohe absolute Genaugikeit, aber nur eine Bandbreite von 7Hz.

Es zeigt sich hier ein Muster: Licht ist ein hervorragender Informationsträger, mit dem sich ein sehr strenges Elekntronikverbot mit vielfachen Messanforderungen vereinbaren lässt. Auch für die Hochspannungsüberwachung haben wir einen rein optischen Weg gefunden.

Wie viele andere Techniken auch werden rein optische Messverfahren aus der Grundlagenforschung herauswachsen und kommerziell verfügbar sein. So wie man heute Opto-Koppler selbstverständlich einsetzt, werden die hier beschriebenen Techniken der optischen Magnetfeldmessung Standardkomponenten werden, die auch anderen ermöglichen, mit ihnen zu Messen – ohne Elektronik .

Begriffserklärung
© lineartestpilot | Shutterstock.com

BegriffserklärungAnti-Teilchen: Das gesamte Universum lässt sich in die folgenden Bestandteile aufteilen: 68 % Dunkle Energie (über die wir fast nichts wissen) 27 % Dunkle Materie (über die wir nur wissen, dass es sie gibt) 5 % »sichtbare« Materie und EnergieMaterie umfasst alle Formen an einzelnen und zusammengesetzten Gebilden, die aus Elementarteilchen wie Quarks, Elektronen oder Neutrinos bestehen. Für alle diese Elementarteilchen gibt es zugehörige Anti-Teilchen, die die gleiche Masse, aber entgegensetzte Ladung haben. Treffen ein Teilchen und ein zugehö­riges Antiteilchen aufeinander, können sie vollständig zu Energie zerstrahlen. So zum Beispiel ein Elektron und ein Positron. Auf großen Skalen sehen wir im Universum nur Materie, keine Anti-Materie. Sie entsteht aber für kurze Zeiträume bei bestimmten radioaktiven Zerfällen oder auch in Teilchenbeschleunigern.Dipol: Ein Dipol ist eine Anordnung zweier zueinander entgegengesetzter Ladungen. Da sich die entgegengesetzten Ladungen gegenseitig kompensieren, trägt der Dipol nach außen keine Ladung. Ein Beispiel dafür ist ein elektrischer Dipol, der ein charakteristisches Feld erzeugt. Dipolfelder können auch ohne isolierte Ladungen auftreten – so beim magnetischen Dipol von einem Elementarmagnet, der die gleiche Form hat, obwohl es keine magnetischen Ladungsträger gibt.

David Wurm ist Doktorand an der TU München in der Gruppe »Teilchenphysik mit Neutronen« und entwickelt dort optische Magnetometer.
© P. Würth | Elektronik neo

David Wurm ist Doktorand an der TU München in der Gruppe »Teilchenphysik mit Neutronen« und entwickelt dort optische Magnetometer. Er studierte Physik an der TU München und schrieb seine Masterarbeit an der University of California, Berkeley. »Ich bin schon gespannt auf den Messbeginn des panEDM Experiments am Institute Laue-Langevin, Grenoble im Frühjahr 2019.«

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