Paul Scherrer Institut

Wenn’s mal wieder ein paar Jahre länger dauert

Ohne Fachwissen wird niemand ein guter Wissenschaftler. Fast noch wichtiger in der Forschung aber ist Beharrlichkeit. Ein Leidensbericht.

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• Als Randolf Pohl an jenem Morgen um 5.44 Uhr den Kugelschreiber zückt und „This is a horrible night“ in sein Laborbuch schreibt, liegen seine Nerven seit mehreren Stunden blank. Zwölf Jahre Forschungsarbeit und seine wissenschaftliche Karriere stehen in dieser Nacht zum 5. Juli 2009 auf der Kippe. „Ich habe damals um mein Leben geforscht“, sagt Pohl rückblickend.

So spannend wollte es der heute 47-jährige Professor für experimentelle Atomphysik an der Universität Mainz eigentlich nicht machen. Der Plan war ein anderer: Sein 32-köpfiges Team – Nachwuchsforscher und Physik-Koryphäen aus Frankreich, Portugal, Taiwan, der Schweiz und Deutschland – wollte den Radius des Protons mit einer bisher nicht erreichten Präzision vermessen. Ein ambitioniertes Projekt, das Geduld und Akribie erforderte.

Denn das Proton – neben dem Neutron einer der beiden Bausteine von Atomkernen – ist bereits das am präzisesten vermessene Teilchen im Physikkosmos. Selbst eine Präzisierung in einer der hinteren Nachkommastellen des Wertes würde eine teure Hightech-Materialschlacht bedeuten. Das war allen Beteiligten vorher klar.

Auch dass es sich bei dem Experiment um eine sogenannte Straight-Forward-Aufgabe handelt, deren Ergebnisse den steten Kreislauf der Physikforschung in Gang halten. Mit genaueren Messwerten für den Protonenradius überprüfen und verfeinern die theoretischen Physiker mathematische Gleichungen und Annahmen zu den Wechselwirkungen zwischen Materieteilchen und Licht. Auf dieser Basis denken sich Physiker wie Pohl wiederum neue Experimente aus, mit denen die zuvor erweiterte Theorie überprüft und abermals optimiert werden kann. „Alles in allem haben wir damals von der ersten Idee bis zur Veröffentlichung der Ergebnisse mit maximal fünf Jahren gerechnet“, sagt Pohl. Mehrjährige Projektlaufzeiten sind bei Wissenschaftlern normal – besonders bei Experimentalphysikern.

Soll Licht in die Welt kleinster Teilchen bringen: ein Dioden-Laser für die Lithium-Spektroskopie

Aber zwölf Jahre ohne Messergebnis und ohne relevante Fachpublikation – da drohte der Absturz des Physikers in die Bedeutungslosigkeit. Veröffentlichungen sind die wichtigste Währung im Wissenschaftsbetrieb. „Sein Fach beherrschen und Fleiß demonstrieren allein genügt nicht, um als junger Wissenschaftler auf sich aufmerksam zu machen“, sagt Aldo Antognini, damals als Doktorand bei dem Projekt dabei. „Die Messung im Sommer 2009 war für Randolf und mich die letzte Chance, in unserem Fachgebiet etwas zu werden.“

Während der Versuche hätten sie das damals aber glücklicherweise nicht wirklich realisiert, sagt Antognini, heute 42 Jahre alt und Forscher an der ETH Zürich und dem Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI). „Sonst wären wir noch nervöser gewesen als ohnehin schon – und wer weiß, was dann geschehen wäre.“

Begonnen hatte die außergewöhnlich harte Geduldsprobe bereits im Jahr 1997. Bis dahin hatten Physiker die Größe des Protons mithilfe zweier unterschiedlicher Versuche geschätzt. Bei dem älteren von beiden werden Atomkerne mit Elektronenstrahlen beschossen. Aus der Beobachtung der Streueffekte kann dann die Größe der Kerne zurückgerechnet werden. Letzteres gelingt seit Mitte der Neunzigerjahre auch durch die Messung der Energie-Niveaus von Elektronen, die um die Atomkerne kreisen. Das geschieht, grob gesagt, per Lasertechnik.

Randolf Pohl bei der Handarbeit

Die beiden Methoden liefern im Rahmen ihrer Fehlertoleranzen nahezu gleiche Ergebnisse. Daraus wurde durch Mittelung der heute offiziell anerkannte Wert für den Protonenradius bestimmt: 0,877 Femtometer – also nicht einmal der billiardste Teil eines Meters, unvorstellbar klein. Die Physiker Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Franz Kottmann vom Paul Scherrer Institut in Villigen schlugen zu der Zeit eine neue Methode zur Vermessung des Protonenradius vor. Ihre Variante der bekannten Laser-Methode versprach eine zehnmal so hohe Genauigkeit.

Anstelle des Elektrons wollten die Forscher dem Wasserstoff seinen exotischen Verwandten Myon unterjubeln. Da das Myon rund 200-mal schwerer als ein Elektron ist, kreist es 200-mal näher um das Proton. Das wiederum beeinflusst seine Energie-Niveaus stärker. Die Lasermessung verspricht daher präzisere Werte als beim Elektron. Pohl promovierte damals in der Gruppe von Franz Kottmann an der ETH Zürich und wies nach, dass die Messung funktionieren kann. Der junge Physiker hatte seine Aufgabe gefunden.

Noch im Frühjahr 1998 beantragte er zusammen mit den Kollegen des neu zusammengestellten Teams Forschungszeit am PSI. Denn dort, etwa auf halbem Weg zwischen Zürich und Basel nahe der deutschen Grenze, steht die stärkste Myonenstrahlquelle der Welt. Ohne die wäre das Experiment unmöglich gewesen. Die schweren Teilchen bringen zwar mehr Präzision, sind aber außerordentlich kurzlebig. Nach zwei Millionstelsekunden zerfallen sie wieder in Elektronen. Experimente, die mit Myonen arbeiten, müssen dementsprechend schnell ablaufen – und brauchen ständig Myonen-Nachschub.

Die Forscher begannen mit der Entwicklung der notwendigen Technik und führten in den Jahren 2000 und 2001 erste Tests durch. 2002 sollte es dann so weit sein: „Aber wir brauchten Monate, bis alles richtig lief“, sagt Pohl. Rund zwei Doppelgaragen voller Equipment mussten die Forscher aufbauen und unzählige Magnete, Linsen, Blenden, Spiegel und Detektoren richtig einstellen. Die Wissenschaftler hatten noch keine Routine, es dauerte zu lange. Die Zeit, die das PSI dem Team am Myonenstrahl zugeteilt hatte, war fast abgelaufen. „Am Ende hatten wir nur fünf Stunden Daten aufgezeichnet und waren am Boden zerstört“, sagt Pohl.

Aber die altgedienten Teammitglieder, allen voran Hänsch und Kottmann, waren begeistert, dass die Messung überhaupt funktioniert hatte. Im folgenden Jahr sollte schließlich der Durchbruch gelingen. Aber es kam wieder anders. Nachdem diesmal die Technik pünktlich einsatzbereit war und sie drei Wochen lang unter idealen Bedingungen Daten aufgezeichnet hatten, zeigten sich die gesuchten Signale nicht.

„Ich habe es einfach nicht geglaubt“, sagt Pohl. Er vermutete, dass die Analysesoftware fehlerhaft war und sich die Signale irgendwo in den aufgezeichneten Daten versteckten. Fast schon besessen, schrieb er das Programm in monatelanger Arbeit neu. Ein Jahr später hatte er sich dann davon überzeugt, dass die Daten tatsächlich keinen Hinweis auf eine erfolgreiche Messung enthielten. Parallel dazu trieb er sein Team an, die Lasertechnik zu verbessern. Vielleicht lag es ja auch daran.

Als die Gruppe Anfang 2005 zum dritten Mal Versuchszeit am PSI beantragte, zweifelte das Management der Großforschungsanlage an den Erfolgsaussichten. „Die Messungen liefen bereits seit einigen Jahren. Als dann 2003 wieder nichts herausgekommen war, hatte man uns nahegelegt, die Experimente doch einzustellen“, sagt Theodor Hänsch. Letztendlich half der Gruppe, dass der Experte für Präzisionsspektroskopie im selben Jahr den Nobelpreis bekam. Sein Triumph brachte das Komitee zum Umdenken, es erlaubte eine weitere Messrunde – aber als allerletzte Chance.

Weil im Folgejahr ein anderes Großprojekt Vorrang am Myonenstrahl hatte, sollte es im Sommer 2007 das große Finale geben. Nun aber hatte das Paul Scherrer Institut Probleme damit, die Myonen herzustellen. Gleichzeitig haderte das Team wieder mit der Technik: Weil Randolf Pohl und seine Kollegen zu lange an den nach München transportierten Laserkomponenten gebastelt hatten, musste der Lkw-Transport in die Schweiz „etwas hektisch erfolgen“. Das empfindliche Equipment war komplett verstellt. Es dauerte wieder viel zu lange, bis das Experiment lief.

„Das war zwar ärgerlich, aber da der Hauptfehler dieses Mal bei den Schweizern lag, wurde unser letzter Versuch auf 2009 verschoben“, erinnert sich Pohl. Und jetzt klappte die Vorbereitung. „Alle Instrumente waren zur gleichen Zeit einsatzbereit, wie ein Orchester“, sagt Antognini. Die Messung lief, doch trotz optimaler Bedingungen und der über die Jahre verbesserten Versuchstechnik fehlten wieder die erhofften Signale.

© CREMA Collaboration / PSI

Am Paul Scherrer Institut werden unsichtbare Infrarot-Laserpulse in grünes Laserlicht umgewandelt. Unten: Randolf Pohl als junger Forscher

Unerwartete Ergebnisse sind die folgenreichsten

An Schlaf war in den frühen Morgenstunden des 4. Juli schon lange nicht mehr zu denken. Antognini und Pohl saßen in der Klemme. Was sollten sie tun? Kurz bevor Pohl über die schreckliche Nacht klagt, treffen beide eine Entscheidung gegen den Beschluss des Teams. Man hatte angenommen, das der genauere Wert etwas größer sein würde als der bekannte. Aber vielleicht suchten sie in die falsche Richtung. Was wäre, wenn das Proton in Wirklichkeit kleiner ist, als in den Lehrbüchern steht?

„Wie viel Ärger wir für unseren Alleingang bekommen würden, war uns in der Situation egal, die Zeit war sowieso fast abgelaufen“, sagt Pohl. Sie erweiterten den Suchradius hin zu einem „eigentlich sehr, sehr unvernünftigen“ Bereich, sagt Antognini. Um 6.08 Uhr notiert Pohl dann ins Laborbuch: „We have it!“ Die Detektoren empfangen das seit zwölf Jahren erhoffte Signal an einer Stelle, die niemand erwartet hatte. Das Proton ist demnach nur 0,842 Femtometer groß – und damit etwa 35 trillionstel Meter oder rund vier Prozent kleiner als der etablierte Wert. In der Welt der Präzisionsphysik ist das viel.

„Das war dann schon ein schönes Gefühl“, sagt Pohl und grinst. „Aber fragen Sie mich nicht, ob ich das noch mal so machen würde.“ Anhand der Eintragungen im Laborbuch wirken die Physiker nach dieser Überraschung wie ausgewechselt. Sie messen und messen, kleben Schaubilder mit den Ergebnissen ein und halten fest, dass Bob Marley als Begleitmusik zu besseren Werten führt als ABBA. Zwei Tage später gratuliert Theodor Hänsch per E-Mail. Ausgedruckt kommt sie ebenso ins Laborbuch wie das Etikett einer Flasche Moët & Chandon Impérial. Am 8. Juli 2009 um 17.45 Uhr wird angestoßen, um 19.32 Uhr schon das nächste Messergebnis protokolliert.

Die Physiker drucken ihre Erfolgsmeldung auf T-Shirts und laden den Chef des Paul Scherrer Instituts zur Besichtigung ein. Er verlängert ihre Versuchszeit um einige Wochen. Jetzt geht es darum, die Entdeckung sicher zu belegen. Ein Jahr später veröffentlichen Pohl und seine Kollegen ihre Ergebnisse. Immerhin mussten sie nach der Leidenszeit nicht fürchten, dass ihnen eine andere Gruppe mit der Entdeckung zuvorkommt: „Das Experiment baut niemand nach – unmöglich“, sagt Antognini.

Das Protonenradius-Rätsel, wie die Fachwelt das Phänomen seitdem nennt, hat in den vergangenen Jahren zu einer ganzen Welle von Projekten zu dem Thema geführt. Bis heute ist aber nicht klar, worin die Ursache der Diskrepanz zwischen Pohls Messungen und denen zuvor liegt. „Ganz aufregend wäre, wenn wir wirklich eine Schwachstelle in der Quantenelektrodynamik entdeckt hätten“, sagt Hänsch. „Wenn es also grundlegend neue Aspekte gibt, die nicht zu bisherigen Theorien passen. Aber so etwas passiert in der Wissenschaft sehr, sehr selten. Wahrscheinlicher ist es, dass die Diskrepanz auf einen Fehler zurückzuführen ist.“

„Wenn die Ursache ein Fehler ist“, sagt Pohl, „ist er in jedem Fall sehr schwer zu finden.“ Zu Anfang hatte er noch Angst, dass ihnen eine Koryphäe einen einfachen Rechenfehler nachweist. „Irgendetwas Peinliches“, sagt der Forscher. Heute, neun Jahre nach der Messung, werden die Ergebnisse aber längst nicht mehr angezweifelt. Und selbst wenn sich doch noch ein Fehler fände, etwa in der Theorie, die zur Berechnung des Radius aus den Messwerten herangezogen wird, wäre das nicht schlimm: Die Geduld und Beharrlichkeit aller Beteiligten zahlt sich in jedem Fall aus.

„Solche Experimente, die uns Wissenschaftler bis zum Äußersten fordern, setzen eine ungeheure Kreativität frei“, sagt Aldo Antognini. „Einige Nobelpreise sind beispielsweise für Entwicklungen vergeben worden, die nur entstanden sind, um ein anderes Problem zu lösen.“ Etwa das Laserkühlen, mit dem atomare Gase bis fast an den absoluten Nullpunkt geführt werden können – oder auch der Laserfrequenzkamm von Theodor Hänsch, ein Instrument, das die Frequenz des Lichtes extrem genau messen kann.

„Bei unserem Projekt stehen präzisere Messverfahren, verbesserte Laserkomponenten und nicht zuletzt eine exzellente wissenschaftliche Ausbildung auf der Haben-Seite“, sagt Antognini. „Das war schon eine echte Probe fürs Leben.“ Und wer weiß, zu welchen Entdeckungen das Protonenrätsel noch führen wird. „Der allergrößte Teil unserer Volkswirtschaft basiert auf vergangenen wissenschaftlichen Entdeckungen. Wobei die unerwarteten Entdeckungen die größten Auswirkungen gehabt haben“, sagt Hänsch. Das Fazit des 76-Jährigen: „Wenn ich wenigstens einen Teil der Ressourcen der Forschung für Grundlagenforschung reserviere, die von Leuten betrieben wird, die einfach von Neugier getrieben sind, die einfach nur die Natur verstehen wollen, dann ist das sehr gut angelegtes Geld.“

Das sieht Pohl auch so. Aktuell baut der Physik-Professor in Mainz ein neues Team auf, schreibt Anträge und hält Präsentationen. Aber er hofft, dass er bald wieder mehr Zeit hat, im Labor zu stehen, „zwei Tage die Woche wären schon schön“. Noch schöner wäre eine neue Messzeit am Paul Scherrer Institut. Ideen für Experimente hat Pohl genug. „Das muss ich aber heute mit meiner Frau und meinen Kindern aushandeln“, sagt der Wissenschaftler. „Ehrensache, denn ohne deren Geduld hätte ich nicht durchhalten können.“ ---