Christoph Hugenschmidt wird außerplanmäßiger Professor

2019-04-08 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Privatdozent Dr. Christoph Hugenschmidt wurde zum außerplanmäßigen Professor für das Fachgebiet „Physik mit Positronen“ am Physik-Department der Technischen Universität München (TUM) ernannt. Damit würdigt die TUM die wissenschaftlichen Leistungen des 49-Jährigen sowie sein jahrelanges Engagement in der Lehre. Im Interview erklärt Prof. Dr. Christoph Hugenschmidt das von ihm an der TUM neu etablierte Forschungsgebiet der Positronen.

Prof. Dr. Hugenschmidt inmitten seines Teams an der Positronenquelle NEPOMUC. – Photo: W. Schürmann / TUM

Sie sind zum apl. Professor berufen worden, weil Sie maßgeblich die Positronenforschung voran getrieben haben.

Zunächst war es für mich eine einmalige Chance eine derartige Großforschungsanlage wie den FRM II in unmittelbarer Nachbarschaft zu anderen Einrichtungen – insbesondere zum Physik Department – der Technischen Universität München zu haben. Denn nur durch die Kombination von beidem, Aufbau der intensiven Positronenquelle am FRM II und die Arbeit vieler motivierter Studenten, konnte ich die Physik mit Positronen als ein völlig neues Forschungsgebiet an der TUM etablieren.

Prof. Dr. Hugenschmidt – Photo: privat

Wie entstehen die Antiteilchen der Elektronen an der Forschungs-Neutronenquelle?

In der Spitze eines Strahlrohres des FRM II befindet sich eine Kappe aus Kadmium. Treffen hierauf thermische Neutronen, wird hochenergetische Gammastrahlung freigesetzt. In Platinfolien wird die Energie dieser Gammastrahlung gemäß Einsteins wohl berühmtester Formel E = mc² in Masse umgewandelt: Es entstehen zu gleichen Teilen Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen. Das besondere unserer Anlage ist die effiziente Produktion monoenergetischer Positronen; das bedeutet, dass NEPOMUC einen niederenergetischen Positronenstrahl mit hoher Energieschärfe liefert.

Warum war es so wichtig, eine Positronenquelle am FRM |_| II zu bauen?

Prof. Dr. Klaus Schreckenbach, der erste Technische Direktor des FRM II, hatte Ende der 80er Jahre bereits die Idee für eine neutroneninduzierte Positronenquelle, die sich an einem Reaktor realisieren ließe. Im Jahr 1998 haben Klaus Schreckenbach und ich als frisch promovierter Physiker in einer sehr fruchtbaren Zusammenarbeit mit der Konstruktion der Positronenquelle angefangen. Mit der Inbetriebnahme des FRM II produzierte sie erstmals Positronen und wurde 2012 sogar noch in ihrem Fluss verbessert. NEPOMUC (neutron induced positron source Munich) erzeugt einen Strahl mit mehr als einer Milliarde Positronen pro Sekunde; das sind 1000-mal mehr Positronen als bei einem üblichen Positronenstrahl im Labormaßstab. Damit wird unmittelbar klar, dass eine ganz neue Physik möglich wird.

An NEPOMUC sind fünf verschiedene Spektrometer im Einsatz – eine weltweit einmalig hohe Bandbreite an Messmöglichkeiten. Wie werden die Antiteilchen dort angewandt?

Zum einen führen wir zusammen mit unseren Messgästen an NEPOMUC verschiedene Experimente durch. Zum anderen machen wir in unserer 13-köpfigen Arbeitsgruppe oft in Kooperation mit anderen Instituten eigene Experimente sowohl in der Kern- und Teilchenphysik als auch in der Festkörper- und Oberflächenphysik. Beispielsweise haben wir einen gebundenen Zustand aus zwei Elektronen und einem einzelnen Positron, also das Dreikörperproblem schlechthin, studiert. Es gibt aber auch sehr anwendungsbezogene Forschung. So haben wir das Elektrodenmaterial für Lithiumionenakkus untersucht oder die lokalen Strukturänderungen in leistungsfähige Leichtmetalllegierungen analysiert, die bei Laserschweißverfahren entstehen.

Welche Experimente haben Sie zukünftig mit den Positronen geplant?

In der eigenen Arbeitsgruppe wollen wir dieses Jahr ein ganz neues Instrument in Betrieb nehmen, das uns erlauben soll, Strukturen an Festkörperoberflächen mit höchster Präzision zu untersuchen. Ebenfalls neu und sehr erfolgreich ist ein gemeinsames Projekt mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching und Greifswald. Darin versuchen wir erstmals überhaupt ein Paarplasma aus Elektronen und Positronen zu erzeugen. Das ist extrem spannend, um die Physik eines Plasmas prinzipiell besser zu verstehen. Aber auch astrophysikalische Fragestellungen wird somit nachgegangen, denn solche Materie-Antimaterie-Plasmen werden beispielsweise in der Nähe von schwarzen Löchern vermutet.

Neben der Positronenquelle am FRM |_| II betreiben Sie noch drei weitere Positronen-Spektrometer. Wozu werden diese genutzt?

Ein Spektrometer steht am Maier-Leibnitz Beschleuniger hier in Garching. Wir untersuchen damit im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TRR80 die elektronische Struktur von Materialien. Zwei weitere kleine Spektrometer betreiben wir im Labor des Physik-Departments, um insbesondere Studenten im Rahmen von Praktika an Positronenexperimente heranzuführen. Hier haben wir beispielsweise gemessen, wie lange Positronen in Gelatine überleben – der berühmte Gummibärchenversuch. Messungen dieser Art finden Anwendung in der Entwicklung von Kapseln für Medikamente, die oft auch aus Gelatine bestehen.

Weltweit hat die neutroneninduzierte Positronenquelle viele Nachahmer gefunden. Das ist maßgeblich auf die Attraktivität der Garchinger Quelle zurückzuführen.

Ja, es hat sich gezeigt, dass wir nach wie vor sehr attraktiv für Gastwissenschaftler sind. So wurden mittlerweile an Forschungsreaktoren in Japan und den USA gleichartige Positronenquellen entwickelt. Daneben wird auf unsere Initiative hin aber auch eine ganz neuartige Einrichtung in Rumänien zur Produktion polarisierter Positronen aufgebaut.