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Weltrekord-Magnetfeld für Hochpräzisions-Experimente

Das kleinste Magnetfeld im Sonnensystem

Blick in den magnetisch abgeschirmten Messraum, Prof. Peter Fierlinger (l) und Mitautor Michael Sturm - Foto: Astrid Eckert / TUM
Blick in den magnetisch abgeschirmten Messraum, Prof. Peter Fierlinger (l) und Mitautor Michael Sturm - Foto: Astrid Eckert / TUM

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 einer Million dämpft. Damit haben sie in Garching einen Raum geschaffen, in dem das schwächste Magnetfeld dieses Sonnensystems herrscht. Hier wollen die Physiker nun Präzisionsexperimente durchführen.

Magnetfelder sind überall im Universum. Auch 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.

Präzisionsexperimente zum elektrischen Dipolmoment des Neutrons

Die Reduzierung elektromagnetischer Störungen ist eine wichtige Voraussetzung für viele hochpräzise Experimente in der Physik, aber auch in Biologie und 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 Peter 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, 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.

Physik jenseits der Grenzen des Standardmodells

„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”, erklärt Peter 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.

Alternativen zur Hochenergiephysik

Die Experimente der TUM-Wissenschaftler sind komplementär zu dieser Hochenergie-Physik: „Unsere Hochpräzisions-Experimente können die Natur von Teilchen in Energiegrößenordnungen untersuchen, die von den gegenwärtigen oder zukünftigen Generationen von Teilchenbeschleunigern nicht erreicht werden dürften”, sagt der Doktorand Tobias Lins, der im Labor von Peter 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.

Am Aufbau und den Messungen der magnetischen Abschirmung waren neben den Wissenschaftlern von der TU München Physiker von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Berlin, der University of Illinois at Urbana-Champaign, USA, der University of Michigan, USA, sowie der IMEDCO AG, Schweiz, beteiligt. Finanziell wurde die Arbeit gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1491 und des Exzellenzclusters Origin and Structure of the Universe.

Publikation:

I. Altarev et al.: A large-scale magnetic shield with 10^6 damping at mHz frequencies
Journal of Applied Physics, 12. Mai 2015 – DOI: 10.1063/1.4919366

Kontakt:

Prof. Dr. Peter Fierlinger
Exzellenzcluster Universe
Technische Universität München
Boltzmannstr. 2, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 35831 7131 - E-Mail - Internet

Messraum in der Osthalle des FRM II auf dem Forschungscampus Garching - Foto: Astrid Eckert / TUM
Messraum in der Osthalle des FRM II auf dem Forschungscampus Garching - Foto: Astrid Eckert / TUM