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Bild: ESO

Die Symmetrien des ganz Grossen und ganz Kleinen

EPFL-Doktorand Pietrzyk gewinnt CHIPP-Doktorandenpreis

Guillaume Pietrzyk, CHIPP prizewinner 2022
Bild: Gaëlle Khreich IJCLab

Jeder kennt Geschichten von Menschen, deren Leben sich durch die Pandemie verändert hat - abgesehen natürlich von denen, die geliebte Menschen verloren haben. Einige haben endlich gelernt, Gitarre zu spielen, andere haben ihren Job gekündigt, wieder andere haben einfach nur aufgehört, sich die Haare schneiden zu lassen. Und einige haben knifflige Physik-Probleme gelöst, weil sie durch den Lockdown die Möglichkeit hatten, die aus einer anderen Perspektive zu betrachten. Das ist dem EPFL-Doktoranden Guillaume Pietrzyk passiert – und er hat für seine Lösung den diesjährigen CHIPP-Preis gewonnen. Er ist übrigens auch einer der drei Preistragenden des LHCb-Dissertationspreises, der jedes Jahr an Studierende mit exzellenten Dissertationen vergeben wird, die auch über ihr Thema hinaus aussergewöhnliche Beiträge zur LHCb-Kollaboration geleistet haben.

Guillaume Pietrzyk, der französisch-polnische Wurzeln hat, hatte fast zwei Jahre lang mit seinem Doktorvater Fred Blanc an diesem Problem gearbeitet. Seine Aufgabe bestand darin, zu prüfen, ob der LHCb-Detektor einen bestimmten Parameter messen kann, der mit Charm-Quarks und der Oszillation eines Teilchens in sein Antiteilchen zu tun hat und yCP genannt wird. Das ist ein äusserst kniffliges experimentelles Problem, und der mathematische Ansatz auf Matrixbasis, den er und seine Kollegen seit Monaten verfolgt hatten, wollte einfach nicht funktionieren. "Es war ganz schön hart ", erinnert sich Pietrzyk. "Ich stand kurz vor dem Ende meiner Doktorarbeit, und es sah so aus, als könnte ich kein cooles neues Ergebnis vorweisen."

Und dann kam COVID und plötzlich mussten alle zu Hause bleiben. "Ich konnte einfach allein sein und über das Problem nachdenken", sagt er. "Wir hatten gerade einen neuen Ansatz entwickelt - ich nenne ihn Matching - und ich wollte unbedingt, dass er funktioniert. Und plötzlich hatte ich die Lösung. Es war, als ich eine Tür geöffnet hätte und plötzlich die Autobahn vor mir lag.“ Endlich fügte sich alles zusammen und Guillaume konnte zeigen, dass der yCP-Parameter tatsächlich gemessen werden kann.

Und was bewirkt dieser Parameter? Wozu ist er gut? Er erweitert unser Wissen darüber, wie sich Teilchen verhalten und warum das Universum so ist, wie es ist – also im Grunde die fundamentale Aufgabe der Teilchenphysik – durch ein besseres Verständnis der D-Mesonen, die auch als Charm-Teilchen bezeichnet werden. Wir wissen, dass alles, was wir sehen, aus Materie besteht, und wir wissen auch, dass Materie und Antimaterie beim Urknall in gleichen Mengen entstanden sein müssen. Der LHCb-Detektor und LHCb-Kollaboration haben sich auf die Suche nach winzigen Unterschieden zwischen Materie- und Antimaterieteilchen spezialisiert, die das Geheimnis der fehlenden Antimaterie erklären könnten.

Ein Forschungsgebiet sind die Teilchenoszillationen, "ein lustiges Phänomen der Quantenmechanik", wie Guillaume Pietrzyk es nennt. Einige Teilchen können zwischen ihrer Eigenschaft als Materie- und Antimaterieteilchen hin- und herschwingen, und sie tun dies mit sehr unterschiedlichem Verhalten. Die Bs-Mesonen (bestehend aus einem Strange-Quark und einem Beauty-Antiquark) oszillieren extrem schnell, etwa 3 Millionen Millionen Mal pro Sekunde. Auf der anderen Seite des Spektrums ist das D0-Meson (bestehend aus einem Charm-Quark und einem Up-Antiquark), dessen Oszillation ein äusserst selten zu beobachtender Vorgang ist. Die meisten dieser Charm-Teilchen verschwinden, bevor sie sich in ihr antimaterielles Gegenstück verwandeln können. Daher müssen viele dieser Teilchen im LHCb-Detektor beobachtet werden, um ihre Oszillationseigenschaften genau zu beschreiben. Hier kommt die Messung des yCP-Parameters ins Spiel. Eine präzise Messung von yCP für D0-Mesonen ermöglicht es, die wissenschaftlichen Erkenntnisse über Charm-Oszillationen erheblich zu verbessern. Mit Hilfe der in Guillaumes Dissertation beschriebenen Methoden werden sie in vergangenen und zukünftigen Kollisionen viel leichter zu erkennen sein.

Als der 28-Jährige sein Studium begann, ahnte er noch nicht, dass er in der Teilchenphysik landen würde. Auf dem Gymnasium begann er, Bücher und YouTube-Videos über Astrophysik zu lesen und wollte später das Universum studieren, um mehr über seine Regeln und seine Zukunft herauszufinden. In seinem dritten Studienjahr an der EPFL, etwas einttäuscht von dem eingeschlagenen Astrophysik-Weg, belegte er eine Vorlesung über Hochenergiephysik bei Olivier Schneider von LHCb und war begeistert. "Es war total faszinierend", erzählt er. Von einem Tag auf den anderen wechselte er die Richtung und ging von den ganz grossen zu den ganz kleinen Dingen. Er machte seinen Master auf der Grundlage von LHCb-Daten, und eine Promotion war der natürlich nächste Schritt.

Er wollte sich auf die Datenanalyse spezialisieren, was er dann auch tat, aber der traditionelle Promotionsprozess verlangt von den Studierenden, dass sie auch an der Detektor-Hardware arbeiten. So baute Pietrzyk Fasermatten für den neuen LHCb-SciFi-Tracker. "Es war ganz anders als das, was ich gewohnt war, aber es war wirklich toll - ich habe viel gelernt!" Er fand sein preiswürdiges Analysethema, indem er durch das Labor der EPFL streifte, mit allen sprach und dann das Thema auswählte, das ihm die grösste Herausforderung zu sein schien. Die Idee kam von einem italienischen Forscher an der EPFL. Die Messung des yCP-Parameters für D0-Mesonen war eine "ausgefallene Idee", an die noch niemand gedacht hatte. Guillaume war sofort angefixt: "Ich mag es, das Unbekannte zu erforschen.“

Er ist in der Nähe des CERN aufgewachsen und bildet die zweite Generation von LHCb-Physikern in seiner Familie - sein Vater ist ein bekannter Physiker in der Kollaboration und sehr aktiv in der Öffentlichkeitsarbeit. Er hat die Leidenschaft für die Kommunikation faszinierender Forschungsergebnisse offensichtlich an seinen Sohn weitergegeben, denn Guillaume hat 2017 den LHCb Instagram-Account ins Leben rief und zusammen mit zwei Kollegen die sozialen Medien des LHCb verwaltet. Er ist sehr aktiv auf auf Twitter - folgen Sie ihm, um die neuesten wissenschaftlichen Nachrichten und HEP-Geschwätz zu erhalten.

Und vielleicht sieht man ihn sogar auf der Bühne: Während seiner Promotion schloss er sich der sehr aktiven Improvisationsszene in Lausanne an. "Das hat nicht nur unglaublich viel Spass gemacht, sondern mich auch viel gelehrt", erklärt er. "Präsentationen zu halten, erscheint mir viel weniger beängstigend, wenn man die Erfahrung gemacht hat, völlig unvorbereitet auf der Bühne zu stehen und zu versuchen, das Publikum zum Lachen und zum Lachen zu bringen. Er möchte dieses Hobby dort wieder aufnehmen, wo er jetzt ist - als Postdoc im Labor Irène Curie Joliot (IJCLab) in Orsay bei Paris, wo er auf der Suche nach neuer Physik seltene Zerfälle von B-Mesonen untersucht.

Author: Barbara Warmbein

Guillaume Pietrzyk, CHIPP prizewinner 2022 at CERN
Guillaume Pietrzyk, CHIPP prizewinner 2022 at CERNBild: B. Warmbein

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  • Elementarteilchenphysik

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