Rätselhaftes Drehimpulsspiel
   
  RUB-Physiker erzielen Spin-Weltrekord
 
 
Weltrekorde verbindet man normalerweise mit sportlichen Aktivitäten. Nun ist aber auch wissenschaftlichem Forschungsdrang ein gewisser olympischer Geist - höher, weiter, größer - nicht abzusprechen, reflektieren Höchstleistungen nicht zuletzt die Effizienz des Trainings in einer dafür entsprechend ausgestatteten Umgebung, sprich Hochschullandschaft.
An der RUB wie auch weltweit kann es heutzutage in der Teilchenphysik andererseits gar nicht klein genug sein. Dort ist das Atom nicht nur längst in Elektronen und Kern zerlegt, sondern der Kern in Protonen und Neutronen, und diese wiederum in Quarks und Gluonen; Teilchen, die alle einen Spin besitzen. Für eine Gruppe von Teilchenphysiker an der RUB dreht sich daher einiges um den Spin, dessen Herkunft unverstanden ist, aber als Eigendrehimpuls oder Drall der Teilchen interpretiert werden kann. Schließlich bietet der Spin den Bochumer Experimentatoren eine hervorragende, technisch aber extrem schwierig zu realisierende Angriffsfläche, um Informationen aus dem Innersten unserer Welt, also aus Bereichen kleiner als 10-15 m = 0.000 000 000 000 001 Meter, zu erhalten.
Zunächst der Weltrekord als nackte Zahl: 70 % Deuteronen-Spinpolarisation in einem Festkörper (D-Butanol). Deuteronen sind Kerne von Deuterium (schwerem Wasserstoff) und bestehen aus zwei Nukleonen, einem Proton und einem Neutron. Da diese Teilchen einen Spin haben, drehen sie sich um ihre eigene Achse (Eigendrehimpuls). Diese Achse liegt beliebig im Raum, außer man richtet sie mit Magnetfeldern aus - polarisiert die Teilchen; einmal hochgradig polarisiert, kann man sehr wirkungsvoll z. B. Streuexperimente mit spinpolarisierten Teilchen (Polarisationsexperimente) durchführen.
"70% Deuteronen-Spinpolarisation" heißt, dass bei 70 % der Teilchen der Spin ausgerichtet ist. Der Weltrekord wurde von einer Forschergruppe der RUB unter Leitung von Prof. Dr. Werner Meyer (Experimentalphysik) erzielt. Zusätzliche wichtige wissenschaftliche Motoren sind die Post-docs Dr. Stefan Goertz und Dr. Gerhard Reicherz. Bisher übliche Werte für die Spinpolarisation lagen übrigens zwischen 40 % und 50 %.
Der Rekord ist für Teilchenphysiker ein wichtiger Meilenstein in der Grundlagenforschung. Hier wird seit langem intensiv nach einem Verständnis des Aufbaus der Materie aus immer kleineren Spinbauteilen geforscht. Gerade der Spin sorgt für ein Ordnungsschema - manifestiert auf atomarem Niveau im Periodensystem der chemischen Elemente - und somit kommt ihm eine Schlüsseleigenschaft zu. Die "Spieler" auf kleinster Ebene, die Elementarteilchen Quarks (plus Antiquarks) und Gluonen sind bekannt. Ebenfalls die komplizierte "Spielregel", die so genannte Quantenchromodynamik (QCD), wonach Proton bzw. Neutron aus drei Quarks bestehen, die durch Austausch von masselosen Gluonen zusammengehalten werden. Diese können kurzzeitig in Quark-Antiquark-Paare und weitere Gluonen fluktuieren, die fortlaufend entstehen und wieder verschwinden. Das "Drehimpulsspiel" im Allerkleinsten dieser Welt jedoch zu enträtseln, d. h. wie ist der Spinanteil der einzelnen 'Spieler' am exakt bekannten Spin der Nukleonen, dies hat sich die RUB-Forschergruppe auf ihre Fahne geschrieben.
Experimentell lassen sich die Spinbeiträge mittels Elektronenstreuung bestimmen, z. B. an Festkörpern (wie D-Butanol) mit spinpolarisierten Nukleonen. Vermutet wurde, dass vor allem die massebehafteten Quarks den Nukleonenspin bestimmen. 1988 veröffentlichte die European Muon Collaboration (EMC) am CERN in Genf erste genaue Ergebnisse für hochgradig spinpolarisierte Protonen in Form von gefrorenem Ammoniak, der von Prof. Werner Meyer - damals an der Uni Bonn tätig - entwickelt worden war. Das Ergebnis, dass der Beitrag des Spins aller Quarks zum Spin der Nukleonen sehr klein ist, war damals so überraschend, dass man von der "Spinkrise" oder dem "Spinrätsel" sprach. Es stieß eine Vielzahl von theoretischen Arbeiten an, wobei wichtige Beiträge von RUB-Theoretikern unter Leitung von Prof. Dr. Klaus Goeke (Theoretische Physik II) stammen. Weiterhin stimulierte es eine neue Generation von Spinexperimenten am Stanford Linear Collider (Palo Alto), am CERN und bei DESY (Hamburg). Diese Experimente bestätigten die Entdeckung der EMC. Der Schlüssel zur Lösung des "Spinrätsels" wird heutzutage in der Polarisation der Gluonen vermutet. Das Spin-Defizit der Quarks wird also - indirekt - dadurch verursacht, dass auch die Spins der Gluonen sowie die Bahndrehimpulse von Quarks und Gluonen zum Spin der Nukleonen beitragen.
Weitere Klärung sucht unter Bochumer Beteiligung die internationale COMPASS-Kollaboration am CERN mit neuen Polarisationsexperimenten. Zusätzliche Fragestellungen zum Aufbau der Materie aus Quarks und Gluonen auf etwas größerer Skala als der der Quarks werden mit Polarisationsexperimenten an den Elektronenbeschleunigern der Unis Bonn und Mainz beantwortet. Für den Erfolg der Messungen ist eine hohe Spinpolarisation möglichst vieler Nukleonen, wie sie jetzt von der Bochumer Gruppe in Deuteronenmaterialien erzielt wurde, essentiell. Die entsprechenden Festkörper werden an der RUB im Rahmen von Diplom- und Doktorarbeiten unter Zuhilfenahme hochmoderner Technologien hergestellt, präpariert und getestet, bevor sie bei Streuexperimenten zum Einsatz kommen.
Eine entscheidende Rolle spielt dabei die Tiefsttemperaturphysik. Unter Verwendung von flüssigem Helium werden Materialtemperaturen von -273,1°C (0,05°C über dem absoluten Temperaturnullpunkt) erreicht. Diese Temperatur stellt einen weiteren Rekord für die RUB dar. Sie ist die tiefste, die ausschließlich mit Eigenmitteln der RUB erzielt wurde, sprich durch den Bau von Tiefsttemperaturkryostaten in der intensiv in die Forschungsarbeit eingebundenen feinmechanischen Werkstatt des Physik Lehrstuhl EPI unter Leitung von Prof. Dr. Helmut Koch.
Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten sowie von der Forschungsanlage Jülich und der RUB personell unterstützten Projekte sind zudem ein Beispiel für fachübergreifende Zusammenarbeit mit der Anorganischen Chemie, Biophysik und Geologie und mit Gruppen der Nachbarunis Dortmund und Bonn. Die Spitzenergebnisse sind allerdings nur mit einer engagierten Gruppe von hoch motivierten Diplomand/innen und Doktorand/innen zu erzielen, in der neben sehr gutem physikalischen Verständnis, Vielseitigkeit, Umgang mit Komplexität und Umsetzen von Problemlösungen in der Praxis angesagt ist. Gelebte Teamfähigkeit auf internationaler Ebene macht die jungen "Weltrekordler" somit zu begehrten Hochschulabsolventen. Werner Meyer
 

 

 

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01.07.2001