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Im vergangenen Jahr hat Gabriel Cuomo an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) seine Doktorarbeit in theoretischer Teilchenphysik erfolgreich verteidigt. Für diese akademische Leistung erhält der gebürtige Sizilianer, der unterdessen in New York lebt und forscht, den Nachwuchspreis des Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP). Der Preis wird Anfang September in Innsbruck anlässlich des Jahrestreffens der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft (SPS) gemeinsam mit der Österreichischen Partnerorganisation vergeben.
Wer den Namen ‹Cuomo› hört in Verbindung mit der Stadt New York, denkt unweigerlich an Andrew Cuomo, bis vor kurzem Gouverneur des US-Bundesstaats New York. Andrew Cuomo ist der Enkel italienischer Einwanderer und hat es in seiner neuen Heimat in ein politisches Spitzenamt geschafft. Hat er vielleicht eine verwandtschaftliche Verbindung zu Gabriel Cuomo, dem jungen Physiker, der an der Stony Brook University in New York als Postdoc arbeitet? Auf diese Frage schüttelt Gabriel Cuomo amüsiert den Kopf: «Keine Ahnung, ob da irgendeine Verbindung besteht, ich weiss jedenfalls nichts davon. ‹Cuomo› ist ein sehr geläufiger Name in Neapel, wo mein Vater herkommt. Immerhin hat der bekannte Namensvetter für mich den Vorteil, dass ich hier in New York niemandem meinen Namen buchstabieren muss, weil alle ihn kennen.»
Gabriel Cuomo forscht seit November 2020 als ‹Research Assistent Professor› an der ‹Stony Brook›, einer bedeutenden öffentlichen Universität mit 27'000 Studierenden und Hauptsitz auf Long Island bei New York. Während unserer Videokonferenz sitzt der Wissenschaftler mit weinrotem Polohemd in seinem Büro. Hinter ihm eine Wandtafel, die mit mathematischen Formeln beschrieben ist. «Das sind die Überbleibsel von gestern Abend», lacht Cuomo, als könne er sich nicht mehr erinnern, worum es eigentlich ging – und setzt dann doch zu einer Erklärung an: «Wir Theoretiker denken gern in unbegrenzten Räumen, weil das einfacher ist. Allerdings sind wir in der Wirklichkeit stets mit begrenzten Räumen konfrontiert, daher müssen wir uns mit der Frage befassen, was geschieht, wenn man den gedachten unendlichen Raum mit Grenzen versieht. Die Formeln auf der Wandtafel dienen dazu, einige allgemeine Eigenschaften von zweidimensionalen, mit einer Grenze versehenen Räumen zu verstehen.»
Mit den Instrumenten der Mathematik
Diese Ausführungen lassen bereits erahnen, in welchen Gedankenwelten Gabriel Cuomo unterwegs ist. Als theoretischer Physiker versucht er die materielle Welt nicht mit Experimenten zu verstehen. Er will vielmehr mit den Instrumenten der Mathematik möglichst treffende Modelle der materiellen Welt bereitstellen, die Experimentalphysiker dann mit ihren Experimenten auf ihre Aussagekraft hin überprüfen. So machte es der heute 28jährige Naturwissenschaftler auch in seiner Doktorarbeit, die er im Herbst 2020 an der EPFL abschloss. Für diese Arbeit bekommt er nun den CHIPP Preis 2021, mit dem das ‹Swiss Institute of Particle Physics› (CHIPP) – die Dachorganisation der Schweizer Teilchenphysik-Institute – jedes Jahr einen Nachwuchsforscher oder eine Nachwuchsforscherin für eine herausragende Dissertation auszeichnet.
Dass es sich bei der akademischen Arbeit nicht um leicht verdauliche Kost handelt, macht die Laudatio der CHIPP-Jury deutlich: «Die Jury des CHIPP-Preises ehrt Gabriel Cuomo für seine herausragenden theoretischen Studien von Quantenfeldtheorien im stark gekoppelten Regime, die neue Eigenschaften aufklärten, die für eine Vielzahl physikalischer Systeme relevant sind: von kondensierter Materie bis zur Kosmologie.»
Semiklassische Systeme
Der Inhalt der Dissertation lässt sich ohne physikalische Vorbildung kaum verstehen. Um doch zumindest eine Ahnung zu vermitteln: Die moderne Physik unterscheidet zwischen ‹klassischen› Phänomenen, die sich etwa mit den Newton'schen Gesetzen beschreiben lassen, und sogenannten Quantenphänomenen. Letztere findet man in subatomaren Dimensionen, und ihre Beschreibung entzieht sich der Anschaulichkeit der Naturgesetze, die wir im Schulunterricht lernen. Von ‹semiklassischer› Physik wiederum ist die Rede, wenn der eine Teil eines physikalischen Systems quantenmechanisch beschrieben wird und ein anderer Teil klassisch.
«Ein Ziel meiner Doktorarbeit war, am Rand der quantenmechanischen Welt Fragestellungen zu identifizieren, die sich mit einer klassischen oder semiklassischen Beschreibung lösen lassen.» Ein Beispiel für semiklassisches Verhalten ist die sogenannte Superfluidität. Damit wird in der Physik ein Zustand beschrieben, bei dem eine Flüssigkeit jede innere Reibung verliert und in der Folge eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese Eigenschaft wurde bisher bei Helium und Lithium nachgewiesen. «Superfluidität können wir seit einigen Jahren sehr gut beschreiben; ich habe in meiner Arbeit danach gefragt, ob semiklassische Beschreibungen auch für vergleichbare physikalische Systeme herangezogen werden können», sagt Cuomo.
Teilchenkollisionen verstehen
Die Überlegungen des Theoretikers könnten auf fruchtbaren Boden fallen, wenn künftig Teilchenbeschleuniger gebaut werden, in denen Teilchen auf viel höhere Energien beschleunigt werden, als es heute beim ‹Large Hadron Collider› (LHC) am CERN der Fall ist. «Nach einer Teilchenkollision in künftigen, extrem starken Beschleunigern wie dem grossen Ringbeschleuniger FCC (Future Circular Collider) werden wir eine sehr grosse Zahl von Teilchenspuren beobachten. Wir werden mit Quantenfluktuationen konfrontiert sein, die sich nicht mehr auf klassischem Weg verstehen lassen wie bisher in der Hochenergiephysik, sondern die wir auf semiklassischem Weg beschreiben müssen.»
Gabriel Cuomo skizziert hier erst eine vage Idee, denn die komplexen Prozesse, die in künftigen Beschleunigern ablaufen werden, lassen sich bisher theoretisch nicht verlässlich beschreiben. «Wir haben aber immerhin schon einige Erwartungen», sagt der Nachwuchsforscher, und ergänzt: «Wir gehen davon aus, dass eine semiklassische Herangehensweise bei der Beschreibung von Kollisionsprodukten weiterhelfen wird.»
«Hier ist alles ‹great!›»
Gabriel Cuomo hat an die vier Jahre, die er in Lausanne an der EPFL verbrachte, viele gute Erinnerungen, darunter spannende Diskussionen für physikalische Probleme, oft verbunden mit einem Pingpong-Match. In der Freizeit frönte er seinem grossen Hobby, dem Tennisspielen, oder fuhr in den Alpen Ski. Der Wechsel nach New York führte ihn in eine neue Welt: Dort erwartete ihn eine junge und starke Forschergruppe mit vielen Postdocs, aber auch ein sehr kompetitives Umfeld, in dem es mehr noch als in Europa üblich ist, neue wissenschaftliche Fragestellungen schnell aufzugreifen und das eigene Forschungsgebiet mitunter vollständig neu auszurichten. «In den USA wird Enthusiasmus viel stärker zum Ausdruck gebracht als in Europa, hier ist alles ‹great!›, ‹extraordinary!›, ‹amazing!›», erzählt Cuomo. «Ich bin durch die zurückhaltendere europäische Arbeitsweise geprägt, aber ich passe mich dem amerikanischen Stil langsam an...»
Geboren wurde Gabriel Cuomo 1993 in Catania auf Sizilien als Sohn einer Psychologin und eines Ingenieurs, der als Professor an der lokalen Universität tätig war. Er schlug dem Vater nach und entschied sich für ein Physikstudium. An der Universität Triest erwarb er einen Master in theoretischer Physik. Zu der Doktorandenstelle in Lausanne kam er eheer überraschen: Zwar wusste er, dass an der ETH Lausanne eine Doktorandenstelle frei würde, aber die Bewerbungsfrist war bereits abgelaufen. Da traf Prof. Marco Serone, der an der Universität Triest Cuomos Masterarbeit betreut hatte, an einer Konferenz EPFL-Professor Riccardo Rattazzi und erzählte ihm von seinem aufgeweckten Masterstudenten. Rattazzi reagierte umgehend und schrieb Cuomo eine Email: ‹Die Bewerbungsfrist endet morgen, Sie sollten sich bewerben!› Das liess sich Cuomo nicht zweimal sagen. Er wurde Rattazzis Doktorand.
Beharrlichkeit, Kreativität und ein Mathe-As
Wo Gabriel Cuomos nächste akademische Station sein wird, bleibt abzuwarten. Im Moment befasst er sich in der theoretischen Physik mit neuen Fragestellungen. Es sei hilfreich für eine akademische Karriere, wenn man in der Lage sei, seinen Forschungsschwerpunkt in neue Gebiete zu verlagern, sagt Cuomo. Erpflegt deshalb den Austausch mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern anderer New Yorker Universitäten, etwa der Columbia University.
Wenn man den Nachwuchsforscher fragt, welche Eigenschaften ein Student oder eine Studentin mitbringen muss, um als theoretischer Physiker zu reüssieren, sagt Gabriel Cuomo: «Zum einen Beharrlichkeit, denn wenn du eine neue Idee hast, wirst du lange mit ihr unterwegs sein, bis eine Lösung da ist. Du brauchst auch Kreativität bei Lösen unbekannter Probleme, wobei man an dieser Fähigkeit durch Diskutieren und Nachdenken immer weiter feilen kann. Und natürlich brauchst du auch einen gutem Rucksack in Mathematik.»
Autor: Benedikt Vogel