Exzellente Kernphysik kommt aus Darmstadt

28.06.2012

Exzellente Kernphysik kommt aus Darmstadt

Prof. Achim Schwenk erhält mit 1,5 Millionen Euro dotierten ERC Starting Grant

Achim Schwenk, Professor für Kernphysik an der TU Darmstadt, ist vom Europäischen Forschungsrat (ERC) mit einem „Starting Independent Researcher Grant“ in der Kategorie „Consolidator“ für sein Forschungsprojekt „The strong interaction at neutron-rich extremes“ ausgezeichnet worden. Schwenk erhält mit 1,5 Millionen Euro die höchstmögliche Fördersumme.

Porträt von Prof. Achim Schwenk. Bild: Katrin Binner
Prof. Achim Schwenk. Bild: Katrin Binner

Das Büro des jungen Professors im Gebäude der theoretischen Kernphysik an der Darmstädter Schlossgartenstraße ist hell und aufgeräumt, nur auf der Tafel findet sich ein Gewirr aus mathematischen Formeln und Symbolen. Voller Begeisterung erklärt der Physiker sein geplantes Forschungsprojekt STRONGINT, das er den Experten des Europäischen Forschungsrates (ERC) in Brüssel vorgestellt hat. In den Augen des 37-jährigen leuchtet die Freude darüber, dass der ERC ihm die maximale Summe für ein ERC Starting Grant zugesprochen hat: 1,5 Millionen Euro.

Professor Schwenk gehört damit zu einer Forscher-Elite: Das einzige Kriterium für die Vergabe der ERC Grants ist wissenschaftliche Exzellenz. In Deutschland gab es seit 2007 nur 205 Forscher, die einen ERC Starting Grant erhalten haben. „Es hat Spaß gemacht, das Forschungsvorhaben zu schreiben“, sagt Schwenk. Man sieht ihm an, dass er sich auf die nächsten fünf Jahre Forschung an den Grenzen der theoretischen Kernphysik freut. „In der Kernphysik bricht eine neue Ära an“, sagt der Physiker. Das theoretische Lehrbuch werde gerade neu geschrieben, und Darmstadt schreibt mit.

Erstaunliche Entdeckungen in der Astrophysik

Zwei bahnbrechende Entwicklungen bereiten Schwenk und den Wissenschaftlern, die er mit den Mitteln des ERC-Grants beschäftigen will, den Boden. Erstens haben Astrophysiker in letzter Zeit erstaunliche Entdeckungen gemacht, etwa den schwersten bislang gefundenen Neutronenstern. Dieser ist doppelt so schwer wie unsere Sonne und hat aber nur etwa den Durchmesser Darmstadts. Die Materie im Innern wird durch den Gravitationsdruck derart komprimiert, dass fast alle Elektronen von Protonen eingefangen werden und so extreme Dichten von Neutronen entstehen.

Neutronen stellen mit Protonen die Bausteine von Atomkernen und Materie dar. Dabei ist nur wenig über die Struktur neutronenreicher Kerne bekannt. Die Grundlagenforschung versucht weltweit diese neue Physik zu entschlüsseln. Das ist die zweite Entwicklung, über die der junge Wissenschaftler so begeistert ist: „Wenn wir in fünf Jahren mit unseren Berechnungen zu neutronenreichen Kernen und Materie fertig sein werden, werden am neuen Forschungszentrum FAIR bei der GSI in Darmstadt einzigartige Experimente möglich sein“, sagt Schwenk.

FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) wird Atomkerne mit derartiger Wucht aufeinander schleudern, dass extrem neutronenreiche Kerne und Materie untersucht werden können, die Neutronensternen am nächsten kommen. Bei FAIR wird dann die Theorie der neutronenreichen Materie, die Schwenk mit dem ERC-Grant entwickeln will, getestet werden können. „Der ERC-Grant kommt also genau zum richtigen Zeitpunkt“, freut sich der Darmstädter Forscher.

Mikrokosmos und Makrokosmos zusammenbringen

Zwei Hände über einem Laptop. Bild: Katrin Binner
Der Schreibtisch von Prof. Schwenk im Gebäude der theoretischen Kernphysik. Bild: Katrin Binner

Seine Forschung widmet sich einer der vier Grundkräfte der Natur, der so genannten Starken Wechselwirkung, welche die Neutronen und Protonen im Atomkern zusammenhält. Das Akronym STRONGINT steht für „The strong interaction at neutron-rich extremes“. Es geht also um die Frage, wie die Starke Wechselwirkung sich bei extremem Neutronenüberschuss im Labor und im Universum auswirkt. „Wir wollen den Mikrokosmos und den Makrokosmos zusammenbringen“, sagt Schwenk. Er will also die theoretische Beschreibung von besonders neutronenreichen Kernen und von neutronenreicher Materie in der Astrophysik vereinheitlichen.

Damit verbunden wären erhebliche Erkenntnisgewinne. Neutronenreiche Atomkerne spielen für die Entstehung schwerer Elemente eine zentrale Rolle. Ihr Verständnis wird die Entstehung jenes Sternenstaubes besser beleuchten, von dem auch das Leben auf der Erde abhängt. Außerdem erwartet Schwenk, dass der ERC Starting Grant präzise Einblicke in die Eigenschaften von Atomkernen und Neutronensternen erlauben wird. „Das ist so, weil die Kräfte zwischen Neutronen in systematischen Theorien stark eingeschränkt sind.“

Dies konnte Schwenk für Kalzium-Kerne beeindruckend zeigen. Dabei spielen Kräfte zwischen drei Teilchen eine entscheidende Rolle. Die Rechnungen von Schwenk und Mitarbeitern haben vorhergesagt, dass neutronenreiche Kalzium-Kerne stärker gebunden sind als das experimentell der Fall zu sein schien. „Präzisionsmessungen mit Atomfallen haben erst vor kurzem unsere Vorhersagen bestätigt. Mit STRONGINT werden wir jetzt in neue Regionen vordringen.“

„Die Studenten sind super“

Der mehrfach ausgezeichnete Physiker – unter anderem erhielt er den ARCHES-Preis des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und den Athene-Preis für gute Lehre an der TU Darmstadt – hat seit Ende der 1990er Jahre in den USA und in Kanada studiert und geforscht. Trotz der sehr guten Bedingungen dort hat er sich 2009 entschlossen, die Professur an der TU Darmstadt und im Rahmen der Helmholtz Exzellenzinitiative ExtreMe Matter Institute (EMMI) anzunehmen. „Die Bedingungen in der Kernphysik in Darmstadt sind einzigartig, sehr dynamisch und die Studenten sind super„, sagt er. “Und das wird mit dem ERC Starting Grant nur noch besser!"

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