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Der diesjährige Preis des Schweizer Instituts für Teilchenphysik (Swiss Institute of Particle Physics/CHIPP) geht an Mohamed Rameez. Der 27jährige Neutrino-Forscher, der vor kurzem an der Universität Genf promoviert hat, wurde für seine herausragenden Beiträge in der IceCube-Forschungskollaboration ausgezeichnet.
Der Indien-stämmige Teilchenphysiker durfte den CHIPP-Preis 2016 anlässlich der CHIPP-Jahrestagung entgegennehmen, welche vom 23. bis 25. August in Lugano stattfand. „Die Auszeichnung mit dem CHIPP-Preis erfüllt mich mit Demut und macht mich sehr glücklich“, sagt Mohamed Rameez, den seine Physikerkollegen üblicherweise 'Rameez' nennen. Rameez erhielt den Preis für seine Doktorarbeit, die er dieses Jahr an der Universität Genf abschloss. Der Beitrag zur aktuellen Neutrino-Forschung war von Prof. Teresa Montaruli betreut worden. Montaruli ist eine führende Physikerin in der IceCube-Forschungskollaboration. Das Forscherteam sucht dem winzigen und noch mysteriösen Elementarteilchen mit dem Namen Neutrino mit einem riesigen Experiment in der Antarktis auf die Schliche zu kommen. Rameez ist wie Montaruli Teil der internationalen Forscherkollaboration. Er betont denn auch, dass es ihm nie gelingen wäre, seine Doktorarbeit als Einzelperson fertigzustellen: „Ich habe in einem grossen Team aus Physikern gearbeitet, und alles, was ich dort tue, ist nur möglich, weil viele andere Pesonen einen ausserordentlich guten Job machen.“
Von den Ingenieurswissenschaften zur Physik
Rameez wurde in Calicut geboren, einer Küstenstadt im südwestindischen Bundesstaat Kerala. „Ich heisse Mohamed Rameez und habe keinen Familiennamen; das ist in Indien rechtlich völlig in Ordnung. Ich ziehe es vor, einfach Rameez genannt zu werden, weil Mohamed sehr verbreitet ist und religiöse Konnotationen hat, mit denen ich nicht einverstanden bin', sagt Rameez. Das einzige Kind einer Biologin und eines Geschäftsmanns machte den Bachelor in Ingenieurswissenschaften. Dafür wählte er das Birla Institute of Technology and Science (BITS) im nordindischen Rajasthan, eine der renommiertesten Universitäten Indiens. „Jeder indische Schüler, der gut in Mathe ist, studiert Ingenieurswissenschaften, weil das gut ist für die Karriere. So habe ich es auch gemacht“, sagt Rameez. „Während des Studiums stellte ich dann aber fest, dass mich abstrakte Aufgaben beim Lösen physikalischer Probleme mehr interessieren als anwendungsorientierte Kurse zu Maschinentechnik.“ Nach Abschluss des Bachelors wechselte er daher zur Physik. 2012 schloss er am BITS das Masterstudium in Theoretischer Physik ab.
Gegen Ende des Masterstudiums wandte sich Rameez mehr und mehr der Experimentalphysik zu („Das klingt ein bisschen verrückt, ich weiss.“). Anschliessend suchte er eine Stelle als Wissenschaftler in Neutrinoastronomie, da ihm dieses Teilgebiet der Astronomie als sehr zukunftsträchtig erschien. So kam er 2012 nach Genf, wo ihm Teresa Montaruli, eine Pionierin in dieser Disziplin, eine Doktoratsstelle anbot. „Teresa Montaruli nahm mich, obwohl ich im Grunde wenig Kenntnisse in der experimentellen Teilchenphysik hatte“, so Rameez. Nach vier Jahren schloss er die Doktorarbeit ab. Für diese wissenschaftliche Arbeit wurde Rameez nun mit dem CHIPP-Preis 2016 ausgezeichnet – „für seine wegleitenden Ideen bei der Suche nach der Annihilation von Dunkler Materie in der Sonne mithilfe des IceCube-Observatoriums und für seine Beiträge zu deren theoretischer Interpretation“, wie die Jury des CHIPP-Preises in ihrer Würdigung festhält. Teresa Montaruli ergänzt: „Rameez beeindruckt alle durch seine Fähigkeit, schnell zu lernen, und durch sein Tempo, mit dem er Ergebnisse erzielt. Er ist vielseitig, misst Quanteneffizienzen im Labor und macht von dort problemlos den Schritt zur Theoretischen Physik. Er ist überdies ein unterhaltsamer Typ mit einem Sinn für englischen Humor. Er ist unabhängig und hat eine brilliante Karriere in der akademischen Forschung vor sich. Mit seinem Scharfsinn heitert er mich und meine Forschergruppe jeden Tag von neuem auf!.“
Dunkle Materie in der Sonne
Ein vertieftes Verständnis zu gewinnen, was Dunkle Materie ist – das ist das übergeordnete Ziel von Mohamed Rameez' wissenschaftler Arbeit. Die meisten Physiker sind heute überzeugt, dass so etwas wie Dunkle Materie existieren muss, eine Form von Materie, die das Universum ausfüllt, bis anhin aber nicht beobachtet werden konnte, weil sie keine Wechselwirkung mit der uns bekannten Materie hat. „Wir dürfen vernünftigerweise davon ausgehen, dass diese bisher nicht nachgewiesene Form von Materie die Ausprägung von Teilchen hat, die wie aber noch nicht entdeckt haben“, betont Rameez, „wir kennen bisher weder Masse noch Temperatur noch Geschwindigkeit der Dunklen Materie. Und wir wissen nicht, wo genau die Teilchen der Dunklen Materie zu finden sind. Allerdings gibt es zahlreiche Hinweise darauf, dass so etwas wie Dunkle Materie tatsächlich existiert.“ Gemäss eines heute bevorzugten Modells werden die Teilchen, die die Dunkle Materie ausmachen sollen, WIMPs genannt (für: weakly interacting massive particle).
Eines der Hauptziele physikalischer Forschung weltweit besteht heute darin, Hinweise zu finden, die die Existenz von Dunkler Materie bekräftigen. Mit Blick auf dieses Ziel haben Physiker ein breites Spektrum von Theoriemodellen und Experimenten entworfen. Sie alle zielen darauf ab, die Existenz entweder direkt (z.B. mit dem XENON- oder dem LUX-Experiment) oder indirekt zu beweisen. Eines der Theoriemodelle, welches die Existenz von Dunkler Materie indirekt zu beweisen sucht, postuliert deren Existenz im Innern der Sonne. Nach diesem Theoriemodell existieren in der Sonne sowohl Dunkle-Materie-Teilchen als auch deren Antiteilchen (also Dunkle Antimaterie). Wenn Materie und Antimaterie in Kontakt geraten, vernichten sie sich gegenseitig unter Abgabe von Energie (Strahlung). Gemäss dem erwähnten Theoriemodell würde die Vernichtung von Dunkler Materie und Dunkler Antimaterie im Innern der Sonne zu einer Emission von Neutrinos im GeV-Energiespektrum führen (was impliziert, dass diese Neutrinos sehr viel energiereicher wären als andere, bereits bekannte Neutrinos solaren Ursprunge, deren Energie sich im MeV-Bereich bewegt). Diese Neutrinos könnten gemessen werden, wenn sie nach ihrer Reise durch den Raum auf der Erde eintreffen. Um diesen Effekt nachzuweisen, haben Physiker einen Detektor gebaut, der in der Lage ist nachzuweisen, dass aus der Richtung der Sonne mehr GeV-Neutrinos eintreffen als aus anderen Himmelsrichtungen. „Wenn man einen Überschuss von GeV-Neutrinos aus der Richtung der Sonne nachweisen kann, hat man Dunkle Materie entdeckt“, sagt Rameez und ergänzt, „this is the smoking gun.“
IceCube sucht solare GeV-Neutrinos
Das erwähnte Instrument arbeitet seit sechs Jahren im ewigen Eis des Südpols. Das Experiment namens IceCube misst die Neutrinos, die aus allen Richtungen des Universums auf die Erde treffen (wobei die meisten von ihnen erst in der Erdatmosphäre durch kosmische Strahlung erzeugt werden, hinzu kommen einige weitere Neutrinos kosmischen Ursprungs). Eines von mehreren Zielen des IceCube-Experiments besteht darin zu messen, ob mehr GeV-Neutrinos aus Richtung der Sonne auf der Erde eintreffen als aus anderen Richtungen – was einem Überschuss an solaren Neutrinos entsprechen würde und damit das erwähnte Theoriemodell über die Existenz von Dunkler Materie im Innern der Sonne bestätigen würde. Die Messung von hochenergetischen solaren Neutrinos mit dem IceCube-Experiment – das ist der Gegenstand, an dem Rameez in den letzten drei Jahren hauptsächlich gearbeitet hat: „Dank meiner Arbeit konnten wir die Messempfindlichkeit für die solaren Neutrinos um einen Faktor von fast 10 (verglichen mit den bisherigen Analysen) verbessern. Dies gelang uns, indem wir neue Strategien zur Event-Rekonstruktion entwickelten und die Datenverarbeitung verbesserten. Wenn man einen Überschuss von Neutrions aus Richtung der Sonne nachweisen will, muss man das Hintergrund-Signal so stark wie möglich senken. Ich habe neue Methoden genutzt, um den Hintergrund zu reduzieren und so eine sehr saubere Probe zu bekommen.“
Soweit die gute Nachricht. Die schlechte Nachricht: Trotz der verbesserten Empfindlichkeit der Neutrino-Detektion gibt es bislang keinen Beweis für einen Überschuss an solaren Neutrinos. Physiker arbeiten weiterhin daran, mit dem IceCube-Experiment Informationen über eintreffende Neutrinos zu sammeln. Dank einer grösseren Datenmenge könnte ein Überschuss innerhalb der nächsten Dekade möglicherweise nachgewiesen werden. „Wir haben eine obere Schwelle, und es ist möglich, dass es einen Überschuss unterhalb dieser Schwelle gibt.“ Allerdings ist Rameez nicht überzeugt, dass dies der Fall sein wird. „Bis 2012 und 2013, je selbst bis im letzten Jahr glaubten die Physiker, dass alle Dunkle Materie kalte Dunkle Materie ist und alle kalte Dunkle Materie aus WIMPs besteht. Doch wird beginnen, von diesem Szenario abzurücken. Das ist der Grund, warum ich unterdessen ein bisschen an Modellen für alternative Szenarien für Dunkle Materie mit etwas anderen WIMPs gearbeitet habe, dies gemeinsam mit einigen Theoretikern der Universität Genf.“
Eine kurze Reise
Im Juni 2016 machte Rameez den nächsten Schritt in seiner Physikerkarriere. Nachdem er in der Schweiz seine Doktorarbeit fertiggestellt hatte wechselte er als Postdoc an die Niels Bohr International Academy (Niels Bohr Institute) in Kopenhagen/Dänemark. Dort setzt er seine Tätigkeit in der Neutrinoastronomie fort, und er befasst sich neu auch mit Kosmologie. Für einen Wissenschaftler, der im Kosmos zu hause ist, muss eine Reise von Indien in die Schweiz kurz erscheinen, und eine Reise von Genf nach Kopenhagen sogar noch kürzer.
Autor: Benedikt Vogel
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The CHIPP Prize is to reward annually the best PhD student in Experimental or Theoretical Particle Physics. In the evaluation, emphasis will be given to the quality of PhD scientific work and to its relevance within the student's research group, as well as to novel ideas brought up by the candidate.Bild: CHIPP, Switzerland
Der experimentelle Nachweis von Dunkler Materie ist eine der ganz grossen Herausforderungen der aktuellen physikalischen Grundlagenforschung. Die Physikerin Dr. Johanna Gramling erhält für ihre jüngsten Beiträge zur Suche nach dieser geheimnisvollen Form der Materie den diesjährigen Preis des Schweizer Instituts für Teilchenphysik (Swiss Institute of Particle Physics/CHIPP).Bild: private
Der Universalgelehrte Heinrich Faust stellt in Johann Wolfgang von Goethes bekanntem Theaterstück die Frage, was die Welt im Innersten zusammenhält. Um eine Antwort zu finden, verschreibt sich Faust sogar der Magie. Die Basler Teilchenphysikerin Lilian Witthauer befasst sich in ihrer Doktorarbeit ebenfalls mit dieser grossen Frage. Sie hat Antworten nicht mithilfe von Magie gefunden, sondern mit durchdachten Experimenten an Elektronenbeschleunigern. Für die hohe Qualität ihrer wissenschaftlichen Arbeit durfte sie am 29. Juni den CHIPP-Preis 2015 entgegennehmen.
ETH-Doktorand Marco Peruzzi ist anlässlich der CHIPP-Jahresversammlung in Fribourg mit dem CHIPP-Preis 2014 ausgezeichnet worden. Der 26jährige Physiker italienischer Herkunft untersucht im CMS-Experiment am CERN sogenannte Diphoton-Zerfälle. Seine Forschung trägt nicht zuletzt zu einem besseren Verständnis des Higgs-Teilchens bei.
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