Myonen erhalten Förderung des Schweizerischen Nationalfonds

(openPR) Zum insgesamt sechsten Mal hatte der Schweizerische Nationalfonds (SNF) eine Förderrunde ausgerufen für die Nationalen Forschungsschwerpunkte (NFS; auf Englisch: National Centres of Competence in Research, NCCRs). Damit unterstützt der SNF langfristige Forschungsprojekte von strategischer Bedeutung, in denen die teilnehmenden Forschenden interdisziplinär und universitätsübergreifend wichtige Themen angehen. Das Paul Scherrer Institut PSI hat nun gemeinsam mit der Universität Zürich (UZH) für den NCCR mit dem Namen Muoniverse den Zuschlag erhalten. Wie der Name verrät, geht es um die Forschung mit den Elementarteilchen namens Myonen.

«Wir sind sehr glücklich, dass wir mit unserem Projekt Muoniverse einen NCCR als Projektträger leiten dürfen», sagt Klaus Kirch. Er ist Leiter des Labors für Teilchenphysik am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI, Professor an der ETH Zürich und der designierte Direktor von Muoniverse. Bereits in den Jahren 2001, 2005, 2010, 2014 und 2020 waren Serien von NCCR gestartet worden. Das PSI hat zu mehreren davon beigetragen, darunter MaNEP, MUST und MARVEL. Nun leitet das PSI erstmals einen NCCR.

Stellvertretende Direktorin ist Angela Papa, ebenfalls Forscherin am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI. «Wir besitzen heute am PSI die Anlage mit den weltweit intensivsten Myonenstrahlen, mit der wir einzigartige Forschung machen können», erklärt sie. Sowohl in der Teilchenphysik als auch in der Materialforschung – vor allem für magnetische, Quanten- und Energiematerialien – ist das PSI deshalb eine wichtige Anlaufstelle für Forschende aus aller Welt. Künftig wird die Anlage noch wesentlich mehr leisten können und dadurch bestehenden und künftigen Forschungsaktivitäten international einzigartige Möglichkeiten eröffnen.

Myonen: Die schweren Geschwister der Elektronen

Myonen sind Elementarteilchen und sozusagen die schweren Geschwister der Elektronen und ihrer Antiteilchen, der Positronen. Sie besitzen identische physikalische Eigenschaften wie Elektronen und Positronen und unterscheiden sich nur dadurch, dass sie wesentlich mehr Masse haben und ausserdem instabil sind. Diese höhere Masse sorgt dafür, dass sie Materialien wesentlich stärker durchdringen. «Das ist ein grosser Vorteil, weil man mit Myonen auch dicke Materialproben untersuchen kann, während man mit Elektronen nur die oberflächlichen Schichten sieht», erläutert Kirch die Vorzüge der Myonenforschung. Aber Myonen sind auch sehr kurzlebig, weshalb man ausgeklügelte Teilchenbeschleuniger braucht, um sie zu erzeugen und schnell an das Experiment zu bringen, bevor sie wieder zerfallen.

Die jetzige Anlage am PSI liefert zwar intensive Myonenstrahlen. «Doch die Konkurrenz holt auf, weshalb wir gegenwärtig bereits ein Upgrade unserer Anlagen mit dem Projektnamen IMPACT durchführen», erklärt der Physiker. Aber damit wird das Potenzial der Myonenforschung noch lange nicht ausgeschöpft sein. Deshalb planen die Forschenden mit Muoniverse gleich eine ganze Reihe von Verbesserungen, die weit über den gegenwärtigen Stand der Technik hinausgehen. «Wir betreten in mehrerlei Hinsicht technologisches Neuland», so Kirch.

Von der Axt zum Skalpell

Dank Muoniverse werden sich einzigartige Forschungsmöglichkeiten eröffnen. So sollen die nutzbaren Myonenstrahlen wesentlich besser fokussiert werden. «Dank der höheren Strahlqualität können wir künftig hochpräzise Analysen auch an kleinen Materialproben durchführen», betont der Forscher und fügt mit einem Schmunzeln hinzu: «Damit machen wir aus der Axt quasi ein Skalpell.» Mit derart sauberen Myonenstrahlen lassen sich nicht nur neuartige Quantenmaterialien oder Supraleiter im Detail analysieren. Auch für die Industrie dürften Myonenstrahlen dann interessant werden, um etwa Lade- und Entladeprozesse an Batterien zu erforschen.

Sogar für die Kunstgeschichte und Archäologie verspricht man sich ganz neue Chancen, um etwa Gegenstände, Bilder und Artefakte zerstörungsfrei zu durchleuchten. Damit könnte man ihre Elementkomposition ausmachen, verborgene Schichten aufdecken, Fälschungen aufspüren oder auch die Entstehung eines Kunstwerks datieren. Deshalb zählen auch das Schweizerische Nationalmuseum und Augusta Raurica zu den Projektpartnern.

Muoniverse ist insgesamt eine grosse Kollaboration, der neben dem PSI als Projektleiterin und der Universität Zürich als Ko-Leiterin weitere Partner angehören: die Universitäten Bern, Fribourg, Genf, die ETH Zürich, die ETH Lausanne EPFL, die Hochschule Luzern, das Programm «artists-in-labs» der Zürcher Hochschule der Künste, die Empa, das Schweizerische Nationalmuseum, Augusta Raurica, das WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF sowie das CERN. Auch mehrere hochkarätige internationale Institute gehören zum erweiterten Forschungsverbund.

«Wir werden im Rahmen von Muoniverse gemeinsam mit der Universität Zürich drei neue Professuren schaffen», so Marc Janoschek, Leiter des Zentrums für Neutronen- und Myonenforschung am PSI, Professor an der Universität Zürich und Ko-Direktor von Muoniverse. «So werden wir die interdisziplinären Themen dieses NCCR nachhaltig in der Schweiz verankern.»

Text: Dirk Eidemüller

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Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2300 Mitarbeitende und ist damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 450 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Klaus Kirch
PSI Center for Neutron and Muon Sciences
Paul Scherrer Institut PSI

+41 56 310 32 78

[Deutsch, Englisch]