Teilchenjagd an der Tafel

20. Oktober 2017

Mit seiner Arbeitsgruppe am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) entwickelt Prof. Dr. Johannes M. Henn neue Berechnungsmethoden für die theoretische Physik. Auf seinem Gebiet gehört er zu den führenden Köpfen weltweit. Nun wurde Henn, der vor zwei Jahren von Princeton nach Mainz wechselte, mit einem auf zwei Millionen Euro dotierten ERC Consolidator Grant  des Europäischen Forschungsrats ausgezeichnet. Diese Auszeichnung erlaubt ihm, sein Team weiter zu verstärken und neue Projekte anzugehen.
 

Dr. Dimitrii Chicherin steht mit seinen Kollegen vor der Tafel, die Kreide in der Hand. Er weiß nicht so recht, was er nun tun soll für diesen Fototermin. Als Größter in der Gruppe wurde er hin- und hergerückt. Nun steht er plötzlich im Mittelpunkt und die anderen geben ihm fröhlich feixend Ratschläge. "Paint one anomaly, Dimitrii", ruft jemand. Das ist immerhin mal ein brauchbarer Tipp. Der Russe macht sich schulterzuckend an die Arbeit. Eine Anomalie? Das sollte kein Problem sein ...

Zugegeben, diese spezielle Szene ist gestellt. Doch im Grunde ist sie typisch für die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Johannes M. Henn vom Institut für Physik der JGU.  "Die theoretische Physik ist ein Gebiet, auf dem es viel ums Nachdenken geht", erzählt Henn ein paar Augenblicke später in seinem Büro. "Dafür brauchen wir keine großen Experimente. Bei unserer Arbeit dreht sich alles um Ideen. Deswegen ist der Austausch untereinander sehr wichtig. Es passiert oft, dass wir uns gegenseitig erklären, was wir gerade versuchen zu tun. Wir diskutieren viel. Die Tafel hilft uns dabei, Dinge zu visualisieren, unsere Ideen zu materialisieren." Natürlich hängt auch in Henns Büro eine Tafel, übersät mit Formeln und Skizzen.

Suche nach neuen Elementarteilchen

Im Juni 2015 kam Henn vom international renommierten Institute for Advanced Study (IAS) in Princeton an die JGU und begann, eine eigene Arbeitsgruppe im Bereich der theoretischen Hochenergiephysik aufzubauen. Sein großes Thema sind Streuamplituden: Er und sein Team rechnen aus, was passiert, wenn Elementarteilchen in einem Beschleuniger aufeinandertreffen, welche Teilchen entstehen und wie diese sich nach der Kollision verhalten. Auf diesem Gebiet gilt er als einer der führenden Köpfe weltweit.

"Es geht uns darum, Experimente, wie sie am CERN durchgeführt werden, theoretisch nachzuvollziehen. Mithilfe der Quantenfeldtheorie können wir berechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit welche Prozesse ablaufen werden." Der Vergleich von Experimenten und solchen Berechnungen ist von zentraler Bedeutung bei der Suche nach neuen Elementarteilchen. Auf diese Weise wurde unter anderem das Higgs-Boson entdeckt.

Die Quantenfeldtheorie beschreibt die Teilchen und deren Wechselwirkungen. Sie ist die Basis, auf der Henn und sein Team aufbauen. "Die Quantenfeldtheorie ist die theoretische Grundlage für das Standardmodell der Elementarteilchen." Henn geht an die Tafel. Er will zumindest eine leise Ahnung vermitteln, wie das funktioniert. Er zeichnet die Symbole für zwei Gluonen, dahinter ein Dreieck, dann ein Higgs-Boson. "Die Gluonen fusionieren, heraus kommt ein Higgs-Teilchen. Das ist, was wir erwarten. Wenn es aber eine Abweichung von diesem Modell gibt, kann das ein Hinweis auf ein neues Teilchen sein."

Komplexe Rechnungen, einfache Resultate

Henns Team stellt seitenlange Berechnungen an, die schon mal mehrere Wochen in Anspruch nehmen können. "Obwohl unsere Rechnungen kompliziert aussehen, finden wir oft ganz einfache Resultate. Das ist das Faszinierende. Uns interessiert, woher diese einfachen Resultate kommen. Wenn wir ein komplexes Problem haben und nach komplizierten Berechnungen ein einfaches Ergebnis wie ½ dastehen, überlegen wir noch mal genau. In fast allen Fällen ist es dann so, dass wir einen einfacheren Weg finden können, eine neue Berechnungsmethode, um auf das Resultat zu kommen."

Für seine Forschung hat Henn nun einen ERC Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats eingeworben. Mit zwei Millionen Euro ist es eine der höchstdotierten Förderungen der EU für einen einzelnen Wissenschaftler. "Diese Auszeichnung wird unsere Arbeit noch sichtbarer machen", freut sich der gebürtige Münchner. Vor allem aber gibt der Grant dem sechsköpfigen Team um Henn einen ordentlichen Schub. "Wir werden demnächst vier neue Kollegen aus Indien, China und Italien dazubekommen. Damit wird unsere Arbeitsgruppe nicht nur größer, sondern auch internationaler."

Zudem sucht Henn gerade Kandidatinnen und Kandidaten für einige Bachelor- und Masterprojekte. "Bei uns fallen eine ganze Reihe von interessanten Themen an, die sich hierfür gut eignen. Das sind eigene kleine Projekte, die ich gern umsetzen möchte. Unter anderem wird es darum gehen, unsere Ideen in Computerprogramme für das High Performance Computing der JGU umzusetzen." Das soll die Arbeit mit den Hochleistungsrechnern der Universität weiter verbessern.

Viel Dynamik dank PRISMA

Dieses Detail lenkt Henns Blick auf das Forschungsumfeld, in dem er sich an der JGU bewegt. "Wir haben nicht nur gute Kontakte zum Zentrum für Datenverarbeitung und seinem Leiter, Prof. Dr. André Brinkmann, sondern auch zu vielen anderen Kolleginnen und Kollegen." Der Schritt von Princeton an die JGU sei ihm leicht gefallen, auch aufgrund des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA – Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter. "Hier ist viel in Bewegung. Die Teilchenphysik an der JGU hat sich durch den Erfolg bei der Exzellenzinitiative gute Forschungsbedingungen erarbeitet."

PRISMA biete mit seiner Dynamik die Chance für die JGU, auch langfristig erfolgreiche Strukturen für exzellente Forschung auf dem Gebiet der Teilchenphysik aufzubauen und internationale Spitzenforscher für Mainz zu gewinnen. "Diese Perspektive und die Möglichkeit, eigene Ideen in den Aufbau einfließen zu lassen, haben mich zum Wechsel nach Mainz bewogen", betont Henn.

Henn vermittelt eine Aufbruchstimmung, die sich auch in seiner Arbeitsgruppe spiegelt. Als seine Postdocs und Doktoranden für den Fototermin zusammenkamen, wirkten sie wie das junge, erfolgshungrige Team eines jungen Start-up-Unternehmens: Die Kontakte untereinander sind eng, der Austausch ist intensiv, das Engagement groß. "Gerade kommen wir von einem Hüttenseminar in den Bayerischen Alpen, wo wir unter anderem mit externen Wissenschaftlern diskutiert haben", erzählt Henn. "Das hat uns noch enger zusammengebracht." Für ihn und seine Gruppe sei die Forschung einfach etwas Besonderes: "Wir haben nicht das Gefühl, dass wir zur Arbeit gehen. Es ist eher so, dass wir mit unseren Rechnungen, Theorien und Ideen spielen."