Theoretischer Physiker der Universität Bern erhält 2.4 Millionen Franken EU-Gelder

Die fundamentalen Naturgesetze, die das Verhalten der elementaren Bestandteile der Materie bestimmen, werden in Experimenten am «Large Hadron Collider» (LHC) am CERN bei Genf untersucht, an denen auch Physikerinnen und Physiker des «Albert Einstein Center for Fundamental Physics» (AEC) der Universität Bern beteiligt sind.

Die am LHC zur Kollision gebrachten Protonen zersplittern dabei in ihre kleinsten Bestandteile, Quarks und Gluonen, die sich dann in andere Teilchen, wie das vor Kurzem entdeckte Higgsteilchen, umwandeln können.

Naturgesetzen mit Simulationen auf der Spur

Die theoretische Physik formuliert die Naturgesetze mathematisch, um berechnete Grössen mit experimentell erzielten Messergebnissen zu vergleichen. Quarks und Gluonen sowie andere Elementarteilchen werden mathematisch durch sogenannte Eichtheorien beschrieben, die von theoretischen Physikerinnen und Physikern am Albert Einstein Center im Detail studiert werden.

Obwohl Quarks und Gluonen einfache mathematische Strukturen verkörpern, bilden sich durch deren starke Wechselwirkung komplexe Bindungszustände – unter anderem eben Protonen – die theoretisch nur schwer zu berechnen sind. Dabei spielen Computersimulationen, die schon manche Eigenschaften der Protonen erklären konnten, eine zentrale Rolle.

Wenn allerdings sehr viele Quarks auf engstem Raum zusammengedrängt werden, wie dies im Inneren von Neutronensternen der Fall ist, «dann sind klassische Computer hoffnungslos überfordert», sagt Uwe-Jens Wiese vom AEC. Ein hypothetischer universeller Quantencomputer, an dessen Realisierung zur Zeit intensiv geforscht wird, könnte hier gemäss Wiese langfristig Abhilfe schaffen.

Im Rahmen des nun bewilligten «ERC Advanced Grant» will er ein Team zusammenstellen, das in den kommenden fünf Jahren in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe des Atomphysikers und Quantenoptikers Peter Zoller aus Innsbruck sogenannte Quantensimulatoren für Eichtheorien konstruiert.

Dabei sollen extrem kalte Atome in einem Feld sich kreuzender Laserstrahlen experimentell so manipuliert werden, dass sie sich ähnlich wie Quarks und Gluonen verhalten. Eine Situation, die mit einem klassischen Computer nicht berechnet werden kann, lässt sich dann im Quantensimulator nachstellen.

Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Elementarteilchenphysik und Quantenoptik, die in dieser Form bisher einzigartig ist, soll laut Uwe-Jens Wiese dazu beitragen, eine Reihe äusserst komplexer Probleme zu lösen, an denen sich theoretische Physiker bisher die Zähne ausgebissen haben.

Uwe-Jens Wiese (54) war an der Gründung des «Albert Einstein Center for Fundamental Physics» (AEC) der Universität Bern beteiligt. Er studierte und promovierte an der Universität Hannover, ging als Postdoktorand unter anderem an die Universität Bern und habilitierte sich 1993 an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Nachdem er am «Massachusetts Institute of Technology» (MIT) Associate Professor war, wurde er an die Universität Bern berufen, wo er seit 2001 Professor für Theoretische Physik ist. 2004 bis 2010 leitete er das Institut für Theoretische Physik. Im Moment befindet sich Uwe-Jens Wiese in einem Sabbatical am «Massachusetts Institute of Technology» (MIT) in Cambridge bei Boston, USA.

Die ERC Grants aus Brüssel

Der von der Europäischen Union 2007 gegründete «European Research Council» (ERC) ist die erste gesamteuropäische Förderagentur für Spitzen-Grundlagenforschung. Die Aufgabe und der Anspruch des ERC ist die Unterstützung der freien Forschung der besten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Europas. Berner Forschende wurden bisher elfmal mit einem Förderpreis ausgezeichnet.