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Ein Raum fast ohne Magnetfeld
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der TU München
astronews.com
19. Mai 2015
Magnetfelder sind überall und spielen im Universum eine
entscheidende, oft sogar eine überlebenswichtige Rolle. Empfindliche Experimente
allerdings, mit denen etwa die Struktur der Materie im Universum erforscht wird,
werden durch Magnetfelder gestört. Physiker haben daher in Garching einen Raum
konstruiert, in dem nur noch ein äußerst schwaches Magnetfeld nachweisbar ist.
Blick in den magnetisch abgeschirmten
Messraum mit Prof. Peter Fierlinger (links) und
Mitarbeiter Michael Sturm.
Foto: Astrid Eckert / TUM [Großansicht] |
Magnetfelder durchdringen Materie problemlos. Einen Raum zu schaffen, in dem es
praktisch keine magnetischen Felder mehr gibt, ist daher eine große
Herausforderung. Ein internationales Team von Physikern hat nun eine Abschirmung
entwickelt, die niederfrequente Magnetfelder um einen Faktor von mehr als eine
Million dämpft. Damit haben sie in Garching einen Raum geschaffen, in dem das
schwächste Magnetfeld des Sonnensystems herrscht. Hier wollen die Physiker nun
Präzisionsexperimente durchführen.
Auf der Erde sind wir stets von Magnetfeldern umgeben – natürlichen und
künstlichen. Das Erdmagnetfeld, das in Mitteleuropa eine Stärke von etwa 48
Mikrotesla hat, ist immer vorhanden. Dazu addieren sich örtlich weitere
Magnetfelder, etwa von Transformatoren, Motoren, Kränen oder auch von
Metalltüren.
Einer Gruppe von Wissenschaftlern um Professor Peter Fierlinger, Physiker an der
Technischen Universität München (TUM) und Mitglied des Exzellenzclusters
Universe ist es nun gelungen, auf dem Garchinger Forschungscampus einen
Raum mit 4,1 Kubikmeter Innenvolumen aufzubauen, in dem permanente und zeitlich
veränderliche Magnetfelder um mehr als das Millionenfache reduziert sind.
Dies wird durch eine magnetische Abschirmung aus verschiedenen Schalen einer
hochmagnetisierbaren Legierung erreicht. Die dadurch erzielte magnetische
Dämpfung sorgt dafür, dass das Rest-Magnetfeld im Inneren des Raums sogar
kleiner ist als in den Tiefen unseres Sonnensystems. Es verbessert die
bisherigen Dämpfungsmöglichkeiten um mehr als den Faktor zehn.
Die Reduzierung elektromagnetischer Störungen ist eine wichtige Voraussetzung
für viele hochpräzise Experimente in der Physik, aber auch in der Biologie und
der Medizin. In der Grundlagenphysik ist eine maximale magnetische Abschirmung
entscheidend für die Präzisionsmessungen winziger Effekte von Phänomenen, die im
frühen Universum die Entwicklung unseres Universums vorangetrieben haben.
Die Gruppe von Fierlinger entwickelt derzeit ein Experiment, welches die
Ladungsverteilung – Physiker sprechen vom elektrischen Dipolmoment – in
Neutronen bestimmen soll. Neutronen sind Kernteilchen, die ein winziges
magnetisches Moment besitzen, aber elektrisch neutral sind. Zusammengesetzt sind
sie aus drei Quarks, deren Ladungen sich jedoch nach außen aufheben.
Wissenschaftler vermuten jedoch, dass Neutronen ein winziges elektrisches
Dipolmoment besitzen. Doch die bisherigen Messungen erreichten nicht die nötige
Präzision.
Der neue, nahezu magnetfeldfreie Raum schafft nun die Voraussetzungen, die
Genauigkeit der bisherigen Messungen des elektrischen Dipolmoments des Neutrons
um den Faktor 100 zu verbessern, und damit in die Dimension der theoretisch
vorhergesagten Größe des Phänomens vorzudringen.
"Eine solche Messung wäre von fundamentaler Bedeutung für die Teilchenphysik und
würde die Tür zu einer neuen Physik jenseits des Standardmodells der
Teilchenphysik weit aufstoßen", so Fierlinger. Das Standardmodell beschreibt mit
hoher Präzision die Eigenschaften aller bisher bekannten Fundamentalteilchen.
Es bleiben jedoch Phänomene, für die es keine Erklärungen gibt: Die Schwerkraft
etwa kommt in diesem Modell überhaupt nicht vor. Auch versagt das Standardmodell
bei der Vorhersage des Verhaltens von Teilchen bei sehr hohen Energien, wie sie
etwa im frühen Universum vorhanden waren. Und schließlich liefert es auch keine
Begründung dafür, warum sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht
vollständig vernichtet haben, sondern ein kleiner Teil Materie übrigblieb, aus
dem wir und das uns umgebende, sichtbare Universum aufgebaut sind.
An Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN
versuchen Physiker daher kurzzeitig Bedingungen zu erzeugen, wie sie im frühen
Universum geherrscht haben. Sie bringen Teilchen bei hohen Energien zur
Kollision, um auf diese Weise insbesondere neue Teilchen zu erzeugen.
Die Experimente der Wissenschaftler in München sind komplementär zu dieser
Hochenergie-Physik: "Unsere Hochpräzisions-Experimente können die Natur von
Teilchen in Energie-Größenordnungen untersuchen, die von den gegenwärtigen oder
zukünftigen Generationen von Teilchenbeschleunigern nicht erreicht werden
dürften", erklärt Doktorand Tobias Lins, der im Labor von Fierlinger am Aufbau
der magnetischen Abschirmung mitgearbeitet hat.
Exotische, bisher unbekannte Teilchen können die Eigenschaften von bekannten
Teilchen verändern. Daher könnten selbst kleine Abweichungen bei den
Eigenschaften bekannter Teilchen Hinweise auf bisher unentdeckte Partikel sein.
Über ihren Messraum berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in
der Zeitschrift Journal of Applied Physics erschienen ist.
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