07.02.2025
Seit Oktober 2024 ist Tyler Kutz Tenure-Track-Professor für Experimentelle Hadronen- und Kernphysik am Institut für Kernphysik, wo er PI im Exzellenzcluster PRISMA+ ist. Nach einem Postdoc-Aufenthalt am Massachusetts Institute of Technology (MIT) wechselte er für seine Professur nach Mainz, wo er mit seiner Expertise in der Elektronenstreuung das Team des MESA (Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator) entscheidend bereichert. „Mit Elektronenstreuung untersuche ich die Kernstruktur und fundamentale Wechselwirkungen“, erklärt Tyler.
Als aktives Mitglied internationaler Kollaborationen ist Tyler seit Beginn seiner Karriere in Mainz tätig. „Mein erstes Promotionsprojekt befasste sich mit der Entwicklung von Detektoren für die paritätsverletzende Streuung von Elektronen. Während dieser Zeit bin ich mehrmals nach Mainz gereist, um Strahltests am MAMI durchzuführen, so dass ich mit Mainz und seinen Experimenten bereits vertraut bin. Jetzt freue ich mich sehr auf die Arbeit an MESA.“
Die Zukunft von MESA
MESA ist eine einzigartige Einrichtung, die eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für die physikalische Grundlagenforschung bietet und über zwei Hauptexperimente verfügt: MAGIX und P2. Im so genannten „Energy Recovery Linac“-Modus wird das MAGIX-Experiment mit sehr hohen Strahlströmen betrieben. Das P2-Experiment wird im „extracted beam“-Modus laufen, bei dem der Strahl ein drittes Mal rezirkuliert werden kann, wodurch zusätzliche 50 MeV an Energie gewonnen werden. Der Beschleuniger wird Ende 2025 in einer Startphase in Betrieb genommen und in mehreren Stufen schrittweise hochgefahren. MESA wird etwa 2029 vollständig einsatzbereit sein. „Ich freue mich darauf, an den Messungen des schwachen Mischungswinkels und der Hautdicke des Leitneutrons bei P2 sowie an den Messungen des Protonenformfaktors mit MAGIX mitzuwirken.“
Tylers Beiträge zu P2 werden auf seinen Erfahrungen als Doktorand und Postdoc aufbauen. Seit 2012 war Tyler an den Experimenten PREX und MOLLER an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) beteiligt. Wie das MREX-Experiment an P2 nutzte PREX die paritätsverletzende Elektronenstreuung (PVES), um die Neutronenverteilung in 208Pb zu untersuchen. Die so genannte Neutronenhautdicke von schweren, neutronenreichen Kernen hat wichtige Auswirkungen auf die Kerntheorie und kann verwendet werden, um die Eigenschaften von Kernmaterie und Neutronensternen zu bestimmen. MOLLER wird, wie das Flagship P2, PVES verwenden, um den schwachen Mischungswinkel, ein Maß für die relative Stärke der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung, mit hoher Präzision zu bestimmen. Er kann theoretisch sehr genau berechnet werden und ist daher eine wichtige Größe bei der Suche nach physikalischen Phänomenen, die nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik erklärt werden können (sogenannte „neue Physik“). Diskrepanzen zwischen experimentellen Daten und theoretischen Vorhersagen können auf die Existenz solcher Effekte hinweisen.
Direkt neben P2 befindet sich die MAGIX-Experimentierhalle. Das MAGIX-Spektrometer mit seinem innovativen Gasstrahltarget wird die Struktur von Protonen und leichten Kernen untersuchen. "Bei Fixed-Target-Experimenten ist das Target in der Regel fest oder flüssig, so dass die gestreuten Elektronen viel Material durchqueren müssen, was die Messungen beeinträchtigt. Ein solches Gastarget, das am lokalen MAMI-Beschleuniger bereits ausgiebig getestet wurde, reduziert die Mehrfachstreuung und die Erzeugung von Untergrund erheblich, da die bei vielen herkömmlichen Targets erforderlichen Wände entfallen. Diese Effekte werden durch die „fensterlose Verbindung“ zwischen den Spektrometern und der Streukammer weiter reduziert. Dies wird unser Verständnis der Nukleonenformfaktoren verbessern, wichtige Informationen für präzise elektroschwache Studien liefern und die Suche nach dunklen Photonen ermöglichen.
Neben der Teilnahme am bestehenden Experimentalprogramm bei MAGIX hofft Tyler auch, einige neue Beiträge leisten zu können. „Ich bin daran interessiert, mit MAGIX eine Messkampagne zum Thema Zwei-Photonen-Austausch (TPE) zu starten. Konkret geht es dabei um strahlnormale Single-Spin-Asymmetrien (SSA), bei denen der Elektronenstrahl quer zu seinem Impuls polarisiert ist“, erklärt Tyler. SSAs entstehen durch die Wechselwirkung zwischen dem Dipolmoment der Elektronen und dem Magnetfeld des Targets während der Elektronenstreuung. Da dieser Effekt beim Austausch eines einzelnen Photons nicht auftreten kann, reagieren SSAs direkt auf den Austausch mehrerer Photonen. Die Rolle der TPE bei der Elektronenstreuung hat sowohl in der theoretischen als auch in der experimentellen Kernphysik große Aufmerksamkeit erregt, da man versucht, ihren Zusammenhang mit der Hadronenstruktur zu verstehen. „Eines meiner ersten Projekte hier in Mainz ist es, herauszufinden, wie man die einzigartigen Möglichkeiten von MESA am besten nutzen kann, um SSAs zu messen.“
Starke internationale Kooperation
Darüber hinaus ebnet Tyler den Weg für eine enge internationale Zusammenarbeit zwischen der JGU und dem Electron-Ion Collider (EIC), einer neuen Anlage, die am Brookhaven National Laboratory gebaut werden soll. „Mit hochenergetischen Elektron-Ion-Kollisionen können wir die Eigenschaften der Quarks und Gluonen in den Hadronen untersuchen. Ich war sehr aktiv an diesem Projekt beteiligt und freue mich, auch in Zukunft dabei zu sein. Der EIC ist der Nachfolger des Hadron-Elektron-Ring-Beschleunigers (HERA), eines Lepton-Proton-Colliders, der bis 2007 bei DESY in Hamburg in Betrieb war und dessen Daten immer noch zu neuen Entdeckungen führen. Das EIC wird eine niedrigere maximale Schwerpunktsenergie als HERA haben, aber höhere Luminositäten erreichen, Elektron-Kern-Kollisionen ermöglichen und einen größeren Phasenraum für polarisierte Kollisionen abdecken. Das EIC wird voraussichtlich Mitte der 2030er Jahre betriebsbereit sein und vollständig polarisierte Kollisionen mit Energien bis zu 18 GeV für Elektronen und bis zu 275 GeV für Protonen ermöglichen. Der Hadronenstrahl kann auch aus komplexen Kernen bestehen, von leichten Elementen wie Deuterium und Helium bis hin zu schweren Elementen wie Blei. „Ich freue mich auf die Erweiterung der Messungen auf schwere Kerne, bei denen die Verteilungsfunktionen der Kernpartonen im Vergleich zu leichteren Kernen oder freien Nukleonen stark verändert sind. Diese Erweiterung könnte wertvolle Einblicke in die Kerndynamik liefern.“
Ein weiterer Schwerpunkt von Tylers Forschung am EIC sind Messungen der Doppelspin-Asymmetrie, die empfindlich auf die Spinausrichtung der Quarks im Target reagieren. Solche Messungen haben das Potenzial, das Rätsel des Protonenspins zu lösen - eine seit langem gestellte Frage in der Kernphysik. Es wird erwartet, dass das EIC entscheidende Hinweise auf die Zusammensetzung des Protonenspins liefern wird, insbesondere bei niedrigen Impulsanteilen, bei denen der Beitrag der Gluonen groß sein sollte.
Tyler freut sich, als Professor nach Mainz zurückzukehren. „In den USA hatte ich unter anderem die Möglichkeit, mich auf eine Stelle in einem nationalen Labor wie dem JLab zu bewerben, das den Vorteil bietet, direkt am Beschleuniger zu arbeiten. Aber ich habe immer das universitäre Umfeld bevorzugt, und es macht mir Spaß zu lehren“, sagt Tyler. „MESA bietet die einzigartige Möglichkeit, auf einem Universitätscampus Zugang zu einem hochmodernen Elektronenbeschleuniger für kernphysikalische Experimente zu haben. Es gibt nur sehr wenige andere Orte, die dies mit einer Infrastruktur und Forschung dieses Kalibers bieten können.“