Professor Dr. RANDOLF POHL

PRISMA Professor für Experimentelle Atomphysik

Randolf Pohl wurde im Mai 2016 zum Professor für experimentelle Atomphysik am Exzellenzcluster PRISMA, Fachbereich 08 Physik, Mathematik und Informatik der Johannes Gutenberg-Universität berufen. Seine Forschungsfelder sind die Laserspektroskopie “exotischer” myonischer Atome und die Präzisionsspektroskopie von Wasserstoff.

In myonischen Atomen ist ein negativ geladenes Myon an einen Atomkern gebunden. Myonen sind die “schweren Geschwister” der Elektronen, mit einer 200mal größeren Masse. Deswegen ist der Bohrradius myonischer Atome 200mal kleiner als derjenige “normaler” Atome, und das Myon “sieht” den Atomkern und seine Struktur besonders gut. Diese beeinflußt die Energieniveaus myonischer Atome, die wir mittels Laserspektroskopie vermessen. Die Experimente finden am weltweit stärksten Myonenstrahl am schweizerischen Paul-Scherrer-Institut in Villigen (zwischen Zürich und Basel) statt. Hier haben wir seit 2009 das Proton und andere leichte Kerne vermessen, mit durchgängig überraschenden Ergebnissen. So haben wir das Proton um 4% “geschrumpft”! Laufende und zukünftige Projekte beinhalten die Vermessung des magnetischen Radius von Proton und Helium-3, der Ladungsradien von Lithium, Beryllium und Bor mittels Laserspektroskopie, und von schweren Kernen wie Radium durch Röngentspektroskopie der myonischen Atome.

Die Präzisionsspektroskopie von “normalem” Wasserstoff dient zum Test der Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Zustände, zur Suche nach „neuer Physik“ jenseits des Standardmodells und zur Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten wie der Rydbergkonstante. Hierbei wird eine erstaunliche Präzision erreicht: Den 1S-2S-Übergang in atomarem Wasserstoff und Deuterium haben wir in der Arbeitsgruppe von Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch am MPI für Quantenoptik in Garching bei München mit einer relativen Genauigkeit von einigen 10-15 bestimmt. In der neu zu bildenden Arbeitsgruppe an der JGU planen wir eine Wasserstoff-Atomuhr, und die erstmalige präzise Laserspektroskopie von atomarem Tritium zur Bestimmung des Ladungsradius des Tritons.

Randolf Pohl wurde 1970 in München geboren. Er studierte Physik an der Technischen Universität München wo er sein Diplom mit einer Arbeit zur Laserspektroskopie antiprotonischer Heliumatome am CERN erwarb. Danach promovierte an der ETH Zürich über die erstmalige Beobachtung langlebiger myonischer Atome im metastabilen 2S-Zustand. Die Laserspektroskopie dieses 2S-Zustandes in myonischem Wasserstoff, Deuterium, und Heliumkernen stand im Zentrum seines Forschens einer 32köpfigen internationalen Kollaboration unter seiner Leitung im Jahre 2009  erstmals die Vermessung des Protons in myonischem Wasserstoff gelang. Der Wert ist zehnmal genauer, jedoch 4% oder 7 Standardabweichungen kleiner als der bis dahin akzeptierte Mittelwert aus Wasserstoff und Elektron-Proton-Streuung. Dieses „Proton Radius Puzzle“ ist eine der größten Diskrepanzen zum Standardmodells. 2016 zeigte sich im myonischen Deuterium, daß auch das Deuteron signifikant kleiner ist als der bisher akzeptierte Wert.

Wissenschaftlicher Werdegang

2016

Berufung Professor (auf Zeit) für experimentelle Atomphysik, Exzellenzcluster PRISMA, Fachbereich für Physik, Mathematik und Informatik, Johannes Gutenberg-Universiät Mainz.

2011-2016

Independent ERC Research Group Leader “Muonic Atoms”, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching. Laserspektroskopie von myonischen Heliumionen. Bestimmung der Rydbergkonstante in Wasserstoff.

Fellow der American Physical Society (APS), 2014.

Francis M. Pipkin Award 2013 der American Physical Society, Topical Group on Precision Measurement and Fundamental Constants.

Gustav-Hertz-Preis 2012 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, mit A. Antognini (ETH).

ERC Starting Grant (2011).

2010/11

Ludwig-Maximilians-Universität, München. Lehrstuhlvertretung Prof. T.W. Hänsch.

2005-2010

Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching. Laserspektroskopie von Wasserstoff und myonischem Wasserstoff.

2001-2005

Postdoktorand am Paul-Scherrer-Institut, Villigen (Schweiz). Aufbau des Experiments zu Laserspektroskopie von myonischem Wasserstoff.

1997-2001

Promotion an der ETH Zürich und Paul-Scherrer-Institut. Entdeckung langlebiger myonischer Wasserstoffatome im metastabilen 2S Zustand.

Lehr- und Forschungsschwerpunkte

  • Experimentelle Atomphysik
  • Laserspektroskopie
  • Präzisionsphysik, fundamentale Naturkonstanten

Publikationen

Laser spectroscopy of muonic deuterium
R. Pohl et al. (CREMA Collaboration)
Science 353, 669 (2016).

Proton structure from the measurement of 2S-2P transition frequencies of muonic hydrogen
A. Antognini et al. (CREMA Collaboration)
Science 339, 417 (2013).

The proton radius problem
J.C. Bernauer and R. Pohl
Scientific American, Feb. 2014 (Spektrum der Wissenschaft April 2014)

Muonic hydrogen and the proton radius puzzle
R. Pohl, R. Gilman, G.A. Miller, K. Pachucki
Annu. Rev. Nucl. Part. Sci 63, 175 (2013).

Improved measurement of the Hydrogen 1S–2S transition frequency
C.G. Parthey et al.
Phys. Rev. Lett. 107, 203001 (2011).

The size of the proton
R. Pohl et al.  (CREMA Collaboration)
Nature 466, 213 (2010).

Precision measurement of the Hydrogen-Deuterium 1S – 2S isotope shift
C.G. Parthey et al.
Phys. Rev. Lett. 104, 233001 (2010).

Observation of long-lived muonic hydrogen in the 2S state
R. Pohl et al.
Phys. Rev. Lett. 97, 193402 (2006).