Exzellente Doktorarbeiten 2016

Der Exzellenzcluster Universe zeichnet in diesem Jahr die Nachwuchswissenschaftler Alexander Neumeier (TUM) und Simone Biondini (TUM) mit den Universe PhD Awards 2016 für ihre herausragenden Dissertationen aus.

Zur Arbeit von Alexander Neumeier:
Flüssige Edelgase stellen ein interessantes Detektormaterial für große astrophysikalische Experimente dar, die nach Dunkler Materie, dem Neutrino-losen doppelten Beta-Zerfall oder exotischen Neutrinos suchen. Messungen der Ionisationsladung und des Szintillations-Lichts des Mediums ermöglichen die Identifikation der Teilchen. Reines Argon sowie Xenon-Argon-Mischungen sind dabei hinsichtlich ihrer Nachweisleistung, Empfindlichkeit und Kosten besonders vorteilhaft.

Alexander Neumeier hat in seiner Arbeit viele neue optische Eigenschaften dieser Edelgase entdeckt, insbesondere eine neue Infrarot-Szintillation in Xenon-dotiertem, flüssigen Argon. In Kombination mit ultravioletten Signalen könnte die Infrarot-Szintillation einen neuen Ansatz zur Teilchenidentifikation bei seltenen Ereignissen eröffnen.

In seinen Experimenten bombardierte Alexander Neumeier eine Szintillationszelle mit 12-keV-Elektronen aus einer Kathodenstrahlröhre und detektierte das emittierte Licht mit Photomultipliern und Dioden. Die Auswahl an Detektoren mit unterschiedlicher Wellenlängen-Empfindlichkeit führte zur ersten kompletten Abbildung des Spektrums vom ultravioletten bis hin zum infraroten Bereich (120 bis 3.500 Nanometer). Durch vorsichtige Beimischung von winzigen Mengen Xenon konnte er nachweisen, dass die Transparenz von flüssigem Argon bislang um einen Faktor zwei unterschätzt wurde. Es zeigte sich, dass die Variationen der Linienstruktur im ultravioletten Bereich des Spektrums empfindlich von der Xenon-Konzentration abhängt. Das gleiche gilt für die Intensität der neuen Infrarot-Linie. Alexander Neumeier interpretiert diese Phänomene überzeugend als effiziente Energietransfers von Argon zu Xenon.

Die reiche Ernte dieser herausragenden experimentellen Arbeit spiegelt sich in insgesamt vier Publikation mit Alexander Neumeier als Erstautor wieder. Drei Veröffentlichungen wurden von der Fachzeitschrift Europhysics Letters als „Editor’s Choice“ ausgewählt, eines zudem als „Highlight Paper 2014“. Die Arbeit von Alexander Neumeier wurde im Rahmen der „Seed Money Projekte“ des Exzellenzclusters Universe im Jahr 2014 außerdem mit 53.000 Euro unterstützt.

Zur Arbeit von Simone Biondini:
Die Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums ist eine der größten Herausforderungen und gleichzeitig eines der aufregendsten Probleme in unserem gegenwärtigen Verständnis der Entwicklung unseres Kosmos. Im Rahmen des Standardmodells ist im Prinzip ein Mechanismus bekannt, der eine derartige Asymmetrie erklären könnte. Der Effekt ist allerdings viel zu klein, wie die Ergebnisse moderner Experimente zeigen.

Offensichtlich bedarf es eines neuen Mechanismus jenseits des Standardmodells. Tatsächlich finden sich in der Literatur dazu verschiedene Vorschläge. Simone Biondini hat für seine Arbeit den faszinierenden Prozess der Baryogenese durch Leptogenese ausgewählt, wobei sehr schwere, sterile, rechts-händige Neutrinos eine Quelle für die Symmetrieverletzung bilden. Aufgrund ihrer großen Masse frieren sie in einer sehr viel früheren Stufe des Abkühlungsprozesses im frühen Universum aus und erhöhen dadurch deutlich die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie.

In diesem Zusammenhang muss die Dynamik von schweren Majorana-Neutrinos in einem thermischen Bad und die resultierende Symmetrieverletzung beschrieben werden. Im konventionellen Rahmen der thermischen Feldtheorie sind dazu extrem komplexe Berechnungen nötig, die bislang nicht durchgeführt wurden. Simone Biondini schlägt hierzu eine neue und sehr elegante Methode vor: eine effektive Feldtheorie für schwere Neutrinos, die auf einer Skalentrennung basiert. In seiner Arbeit zeigt er, dass damit eine hervorragende Annäherung in Fällen gelingt, in denen eine konventionelle Berechnung möglich ist, und er liefert gute Gründe für die Annahme, dass die Methode auch in komplizierteren Fällen funktioniert. Auf diese Weise ist es ihm zum ersten Mal gelungen, die CP-Asymmetrie bei endlichen Temperaturen zu berechnen.

„Die Arbeit von Simone Biondini ist ein origineller, wichtiger und gut geschriebener Beitrag zu einer sehr aktuellen und aufregenden Fragestellung“, schreibt das Preiskomitee in seiner Würdigung. Zudem hat sie zu einigen häufig zitierten Publikationen geführt und wurde auf verschiedenen Konferenzen vorgestellt.