Johan Messchendorp möchte Studierende motivieren, die Riesendetektoren in Darmstadt kennenzulernen.
Physik
Johan Messchendorp spürt Geheimnissen der starken Wechselwirkung nach
Die gemeinsame Berufung der Ruhr-Universität mit dem Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ermöglicht es dem Physiker, die Grundbausteine der Materie zu entschlüsseln.
Prof. Dr. Johan Messchendorp freut sich darauf, ins Universitätsleben zurückzukehren: „Die Hadronenphysik ist an der Ruhr-Universität herausragend positioniert, also war schnell klar: Hier will ich hin“, sagt er. Das Fachgebiet ist in Bochum stark etabliert, unter anderem durch das NRW-Fair-Netzwerk, und bietet für den Physiker eine gute Mischung aus experimenteller und theoretischer Forschung. Seine Reise führte ihn von Forschungsinstituten in Deutschland und den Niederlanden nach Bochum, immer auf der Suche nach Antworten auf die großen Fragen der Hadronenphysik. Seit Mai 2026 ist er Professor an der Fakultät für Physik und Astronomie und leitet die Arbeitsgruppe „Experimental Physics in the Field of ‘Experimental Exploration of Hadrons‘”. Die Berufung erfolgte im Jülicher Modell gemeinsam mit dem GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.
Die verborgene Welt der kleinsten Teilchen
Alles um uns herum besteht aus Materie und die kleinsten Bausteine der Materie sind Hadronen wie Protonen und Neutronen. Diese bestehen aus noch kleineren Teilchen, den Quarks, die wiederum durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden. Die Hadronenphysik befasst sich mit der Frage, wie sich die Eigenschaften von Hadronen aus den Wechselwirkungen der Quarks und Gluonen, den Trägern der starken Wechselwirkung, erklären lassen.
Aus grundlegenden Symmetrieprinzipien entsteht eine elegante Theorie: die Quantenchromodynamik (QCD). Aus dieser Theorie ergibt sich eine überraschende Konsequenz: „Quarks und Gluonen können nicht als freie Einzelteilchen existieren, sondern sind permanent zusammen in Hadronen gebunden. Dieses Phänomen des Confinements zählt zu den markantesten Eigenschaften der starken Wechselwirkung“, erklärt Messchendorp. Doch wie kann man solche theoretischen Prinzipien experimentell begreifbar machen? Genau hier setzt seine Arbeit an. Er möchte die Struktur von Hadronen nicht nur theoretisch, sondern auch experimentell untersuchen.
Experimente am FAIR
Um diese verborgene Welt zu erforschen, arbeitet Messchendorp am FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt, einem der größten und modernsten Beschleunigerzentren Europas. „Am FAIR beschleunigen wir Teilchen wie Protonen und Pionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und lassen sie mit Wasserstoff oder anderen Targets kollidieren“, erklärt er. „Dabei werden die Protonen im Target in kurzlebige angeregte Zustände – sogenannte Resonanzen – versetzt. Diese zerfallen bereits nach einem winzigen Bruchteil einer Sekunde in andere Teilchen. Die entstehenden Zerfallsprodukte tragen gewissermaßen den Fingerabdruck dieser Resonanzen. Indem wir ihre Energien, Impulse und Flugrichtungen mit höchster Präzision vermessen, können wir die Eigenschaften der ursprünglichen Resonanzen rekonstruieren.“
So entschlüsseln Messchendorp und sein Team die Spektren, Eigenschaften und den inneren Aufbau der Hadronen und überprüfen die Vorhersagen der Quantenchromodynamik experimentell. Sie untersuchen die Konsequenzen des Confinements und liefern neue Erkenntnisse über die Dynamik der starken Wechselwirkung.
Enorme Datenmengen mit KI bändigen
Die Experimente am FAIR erzeugen enorme Datenmengen, die nahezu in Echtzeit verarbeitet werden müssen – in der Größenordnung von Hunderten Gigabyte bis zu einem Terabyte pro Sekunde. „Das ist eine riesige Herausforderung“, sagt Messchendorp. „Aus Milliarden von Teilchenkollisionen müssen wir innerhalb von Sekundenbruchteilen die wenigen Ereignisse herausfiltern, die für unsere Forschung wirklich interessant sind.“ Dabei spielt Künstliche Intelligenz (KI) eine immer wichtigere Rolle.
Messchendorp entwickelt KI-Methoden, die sowohl bei der Analyse der Messdaten als auch beim Betrieb der Detektoren zum Einsatz kommen: „KI hilft uns beispielsweise dabei, Teilchen zuverlässiger zu identifizieren, die Detektoren automatisch zu kalibrieren und mögliche Fehlfunktionen frühzeitig zu erkennen. Dadurch können wir die Qualität unserer Messungen weiter verbessern und die riesigen Datenmengen effizient auswerten.“
Von Groningen nach Bochum
In den kommenden Jahren will Messchendorp seine Arbeitsgruppe an der Ruhr-Universität weiter ausbauen und die Zusammenarbeit mit FAIR stärken. „Ich möchte Studierende motivieren, an diesen spannenden Experimenten mitzuwirken und die Riesendetektoren am FAIR kennenzulernen“, so Messchendorp. „Ich freue mich darauf, gemeinsam neue Wege zu finden, um die Geheimnisse der starken Wechselwirkung zu entschlüsseln.“
