Preise für zwei Promotionen: Top-Quarks und Wirbel im Kaffee

Physikalisches Problem: Die zeitliche Unumkehrbarkeit turbulenter Strömungen und deren Einfluss auf Transportprozesse wie zum Beispiel beim Vermischen von Kaffee mit Milch. Archivfoto: dpa

Göttingen. Mit dem „Dies Physikus“ hat die Fakultät für Physik der Uni Göttingen 108 Absolventinnen und Absolventen des Abschlussjahrgangs 2014 verabschiedet. Die zwei besten Dissertationen des Wintersemesters wurden von der Dr. Berliner-Dr. Ungewitter-Stiftung ausgezeichnet. Die mit 1000 Euro dotierten Promotionspreise gingen an Dr. Jennifer Jucha und Dr. Boris Lemmer.

Jennifer Jucha hat für ihre Dissertation die zeitliche Unumkehrbarkeit turbulenter Strömungen und deren Einfluss auf Transportprozesse untersucht: Fügt man einer Flüssigkeit Energie zu – wie zum Beispiel durch die Bewegung eines Löffels in einer Tasse Kaffee – werden zunächst große Wirbel erzeugt. Diese Wirbel zerfallen in kleinere Wirbel und übergeben dabei ihre Energie fast vollständig.

Nur ein kleiner Teil geht in Hitze verloren. Dieser Prozess wiederholt sich viele Male und je kleiner die Wirbel werden, desto höher ist der Anteil, der in Hitze umgewandelt wird. Durch den Verlust der Wärmeenergie ist der Prozess unumkehrbar.

Turbulente Strömungen

Diese Unumkehrbarkeit spiegelt sich auch in Transportprozessen wider, die in der turbulenten Strömung stattfinden – wie beispielsweise beim Vermischen von Milch und Kaffee. Bisher war jedoch unklar, wie dies mit der beschriebenen Energiekaskade zusammenhängt. In ihrer Arbeit nutzte Jucha theoretische und experimentelle Methoden, um den Zusammenhang zwischen der Energiekaskade und dem Teilchentransport auf makroskopischer Ebene aufzuzeigen und analytisch zu beschreiben.

Die Ergebnisse helfen, turbulente Strömungen und ihre Wechselwirkungen besser zu verstehen. Die Arbeit wurde unter Leitung von Prof. Dr. Eberhard Bodenschatz am Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation durchgeführt.

Die Eigenschaften und Wechselwirkungen des so genannten „Top-Quarks“ untersuchte Boris Lemmer in seiner Dissertation. Das Top-Quark ist nicht nur das schwerste Elementarteilchen, sondern auch mit lediglich etwa 10 bis 25 Sekunden das kurzlebigste. Die Tatsache, dass es so schnell zerfällt, wird vom Problem zum Vorteil.

Schwer und kurzlebig

Quarks existieren nicht als freie Teilchen, sondern sind nur im Verbund beobachtbar. Das erschwert die Vermessung ihrer individuellen Eigenschaften. Das Top-Quark zerfällt jedoch, bevor es mit seiner Umgebung wechselwirken kann. Dabei überträgt es seine Eigenschaften auf seine Zerfallsprodukte.

Dieser Umstand hat es Boris Lemmer erlaubt, die Zerfallsprodukte von Top/Antitop-Quark-Paaren, die am Forschungszentrum CERN im Jahr 2011 produziert und mit dem ATLAS Detektor vermessen wurden, zu analysieren. Für seine Präzisionsmessungen setzte er eigens entwickelte Rekonstruktionsmethoden zur Quark-Identifikation ein. Die Arbeit wurde in der Forschungsgruppe „Hadron-Collider-Physik am ATLAS Experiment“ von Prof. Dr. Arnulf Quadt durchgeführt. (shx)

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