Die Schweizer Forschungsinfrastruktur für Teilchenphysik CHRISP

Forschende suchen nach Abweichungen im gängigen Standardmodell der Physik und wollen herausfinden, wie unser Universum aufgebaut ist.
Im Vordergrund sieht man das Ringzyklotron, mit dessen Hilfe die Protonen beschleunigt werden. Im Hintergrund, unter den dunklen Abdeckungen, befinden sich die beiden Targetanlagen E und M, mit deren Hilfe Pionen und Myonen gewonnen werden. (Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)

Der Hochintensitäts-Protonenbeschleuniger HIPA ist seit 1974 die Basis für eine Teilchenfabrik, mit deren Hilfe am PSI Grundlagenforschung betrieben wird. HIPA und ein weiterer Protonenbeschleuniger namens COMET bilden die Grundlage für eine der fünf Grossforschungsanlagen des PSI: die Schweizer Forschungsinfrastruktur für Teilchenphysik CHRISP. Insgesamt arbeiten am PSI rund 400 Forschende an sieben verschiedenen Experimentierstationen zur Teilchenphysik an dieser Grossforschungsanlage.

Protonen sind die positiv geladenen Bausteine von Atomkernen und bestehen wiederum aus drei Grundbausteinen, Quarks genannt. Am PSI lässt man die Protonen aus HIPA mit 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit auf zwei rotierende Ringe aus Kohlenstoff prallen, sogenannte Targets. Dabei entstehen Pionen, die aus zwei Quarks aufgebaut sind. Diese zerfallen wiederum zu Myonen. Letztere gleichen dem Elektron, sind aber rund 200 Mal schwerer. Ursprünglich wurden in der Teilchenphysik am PSI vor allem Pionen untersucht, heute werden deutlich mehr Experimente mit Myonen durchgeführt. Dank kontinuierlicher Weiterentwicklung ist die Anlage am PSI die weltweit stärkste Pionen- und Myonenquelle für die Teilchenphysik.

Dünnes und dickes Target

Der Protonenstrahl aus dem HIPA-Beschleuniger trifft zuerst auf ein Grafit-Rad, das nur fünf Millimeter dick ist. Es trägt die Bezeichnung «M» für «mince», französisch für «dünn». Die schnellen Protonen erzeugen in Stössen mit den Kohlenstoffkernen des Grafit Pionen, die nach kürzester Zeit in Myonen zerfallen. Der Pionen-Myonen-Strahl wird mithilfe von Magneten zu einem ersten Messplatz geleitet, der den Namen πM1 trägt. An keiner der anderen Experimentierstationen kann die Energie der Teilchen so genau eingestellt werden. Anfänglich wurden hier vor allem Messungen an Pionen durchgeführt. Seit 2018 läuft in πM1 ein Experiment namens MUSE (Muon Proton Scattering Experiment). Damit will eine internationale Forschungszusammenarbeit mit der gleichzeitigen Messung der Streuung von Elektronen und Myonen an Wasserstoff den Protonenradius bestimmen. Ein von der CREMA-Kollaboration (Charge Radius Experiment with Muonic Atoms) durchgeführtes früheres Experiment am PSI hatte eine deutliche Diskrepanz zum damals bekannten Wert für den Protonradius ergeben.

Nach dem Grafit-Rad «M» trifft der Protonenstrahl auf ein zweites Ziel: das Kohlenstoff-Target «E». Der Buchstabe steht für französisch «épais», zu Deutsch «dick», denn dieses Target ist 40 Millimeter dick. Hier werden deutlich mehr Pionen und damit auch mehr Myonen produziert, und es können mehr Experimentierareale gleichzeitig betrieben werden als am M-Target, darunter πE1 und πE5, an denen verschiedene Teilchenphysikexperimente durchgeführt werden. Bei πE5 gibt es am meisten Myonen mit niedrigen Energien. Hier steht den Forschenden der stärkste Strahl zur Verfügung. Auch die CREMA-Kollaboration führt hier ihre Laserspektroskopie-Experimente durch. Andere internationale Teams suchen nach «neuer Physik», mit der sie das gängige, aber unvollständige Standardmodell der Teilchenphysik entweder vervollständigen oder neu entwerfen könnten.

So versuchen sie beispielsweise Zerfälle von Myonen nachzuweisen, die es gemäss heutiger Standardtheorie nicht geben dürfte. Mit dem sogenannten MEG-Experiment fahndeten sie jahrelang nach einem Ereignis, bei dem ein Myon in ein Positron, also das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons, und ein Lichtteilchen, also ein Photon oder Gamma, zerfällt – vergebens. Dank diesem Nullresultat konnten bereits einige Theorien als Erweiterung des Standardmodells ausgeschlossen werden. Ein zehnmal empfindlicherer Apparat, MEG II, und ein anderes Experiment namens Mu3e sollen weiterführen. Mit Mu3e hoffen die Forschenden, einen noch nie gesehenen Zerfall eines positiven Myons in zwei Positronen und ein Elektron zu entdecken.

In Zukunft sollen die Qualität und die Intensität der Myonenstrahlen noch gesteigert werden. In Machbarkeitsstudien wird mit muCool das Kühlen von Myonenstrahlen untersucht, um millionenfach höhere Brillanz der Strahlen zu erreichen, und mit HIMB (High Intensity Muon Beams) ein Ersatz der Targetstation M mit zwei neuen, hundertmal intensiveren Myonenstrahlen.

Die Quelle für ultrakalte Neutronen UCN

Die Teilchenphysik nutzt ausserdem eine Spallations-Neutronenquelle. Seit 2011 prallen die schnellen Protonen aus dem HIPA-Beschleuniger auf ein Bleitarget und schlagen aus den Atomkernen die ungeladenen Bausteine, die Neutronen, heraus. Diese werden dann mit schwerem Wasser (Deuteriumdioxid D2O) und festem Deuterium (D2) so stark abgebremst, dass die Fachleute von ultrakalten Neutronen sprechen, abgekürzt UCN (von englisch ultracold neutron). In einem zwei Kubikmeter grossen Behälter, der innen mit diamantähnlichem Kohlenstoff beschichtet ist, werden sie zwischengespeichert und von dort zu den Experimenten geleitet. Die ultrakalten Neutronen können einige Minuten aufbewahrt, manipuliert und beobachtet werden. Deshalb eignen sie sich besonders gut für Teilchenphysik-Experimente. Die UCN-Quelle am PSI ist darin weltweit führend.

Sie ist die international stärkste Quelle, die möglichst viele solcher ultrakalten Neutronen für Teilchenphysik-Experimente erzeugt. Auch damit suchen die Forschenden nach Phänomenen, die Hinweise auf eine Erweiterung des Standardmodells geben sollen. Sie möchten beispielsweise nachweisen, dass das elektrisch neutrale Neutron in seinem Inneren eine asymmetrische Ladungsverteilung hat, ein sogenanntes elektrisches Dipolmoment. Laut Standardmodell hat das Neutron ein mit heutigen Mitteln nicht messbares elektrisches Dipolmoment. Und tatsächlich ergaben alle bisherigen Experimente ein Nullresultat. Die genaueste Messung lieferten die PSI-Forschenden und weitere Schweizer Institute mit einer internationalen Forschungszusammenarbeit am PSI im Februar 2020 in einem Experiment, genannt nEDM (für Neutron und elektrisches Dipolmoment). Ein neues Experiment namens n2EDM soll nun ein zehnmal genaueres Resultat liefern.

Die Protonenbestrahlungsanlage PIF

Zur Teilchenphysik am PSI gehört zudem die Protonenbestrahlungsanlage PIF. Sie bezieht den Teilchenstrahl vom COMET-Zyklotron, das für medizinische Anwendungen entwickelt wurde. Werktags werden am PSI Krebspatienten mit Protonen aus diesem kompakten Ringbeschleuniger behandelt. Dabei wird der Teilchenstrahl laufend zwischen vier verschiedenen Behandlungsstationen umgeschaltet. Strenge Sicherheitsauflagen machen den medizinischen Betrieb nachts und am Wochenende unmöglich. Doch weil der Beschleuniger problemlos rund um die Uhr läuft, leitet man die Protonen dann in ein weiteres Areal, in dem die PIF angesiedelt ist. Hier werden unter anderem Elektronikkomponenten für die Raumfahrt bestrahlt.

Protonen, die von der Sonne ausgeschleudert werden, sind in der oberen Erdatmosphäre und im nahen Weltraum ständig präsent und können elektronische Komponenten schwer beschädigen. Satellitenbauer müssen sicher sein, dass sämtliche Bestandteile unter Bestrahlung funktionstüchtig bleiben, die Fachleute sprechen von Strahlenhärte. Die Europäische Weltraumorganisation ESA pflegt deshalb eine langjährige Zusammenarbeit mit dem PSI. Praktisch alle ESA-Raumfahrtmissionen wie die Kometensonde Rosetta oder das Weltraumteleskop Gaia haben die PIF für Tests ihrer Komponenten und Nutzlasten in Anspruch genommen.

Ein weiterer Grosskunde der PIF ist das europäische Forschungszentrum CERN, dessen weltweit leistungsstärkster Teilchenbeschleuniger LHC grosse Anforderungen an die Strahlenhärte von Elektronikkomponenten stellt. Während in der Teilchenphysik die Benutzung der anderen Messanlagen meist kostenlos für ausgewählte Forschungsprojekte zur Verfügung gestellt wird, verkauft die PIF den Grossteil seiner Strahlzeit an Institutionen und Firmen. Aber auch die PSI-Forschenden selbst nutzen die PIF zur Entwicklung von Detektoren. So bauten sie mit Schweizer und internationalen Partnern den Pixeldetektor, der im Innersten des CMS-Experiments steckt, eines der beiden Grossexperimente am LHC. Und an Bord einer chinesischen Raumstation spürte der mit massgeblicher PSI-Beteiligung gebaute Detektor namens POLAR Gammablitze aus dem fernen Weltall auf. An der PIF entwickelte oder getestete Strahlenmonitore sorgen zudem an Bord vieler Satelliten dafür, dass Geräte rechtzeitig ausgeschaltet werden, wenn der Strahlenpegel zu hoch wird. Für die Strahlentests können neben den Protonen von der PIF auch Pionen oder Elektronen genutzt werden, die an den anderen CHRISP-Messplätzen erzeugt werden.