Quelle: HU, Hannsjörg Weber 29. Juni 2022.

Am 4. Juli 2022 feiern Teilchenphysiker*innen weltweit das zehnjährige Jubiläum der Entdeckung des Higgs-Teilchens. Wissenschaftler*innen der HU waren und sind Teil eines der beiden Experimente, ATLAS und CMS, welche das Higgs-Teilchen am weltgrößten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf, entdeckt hatten.

Aus Anlass des zehnjährigen Jubiläums der Higgs-Entdeckung wird Prof. Çiğdem İşsever unter dem Titel „Zehnjähriges Jubiläum der Higgs-Entdeckung – Die Erfolgsgeschichte des Large Hadron Colliders“ am 4. Juli 2022 um 18 Uhr im Erwin Schrödinger-Zentrum auf dem Campus Adlershof, Hörsaal 0‘115, Rudower Chaussee 26, 12489 Berlin, einen öffentlichen Vortrag zur Erfolgsgeschichte des LHCs halten.

Das Higgs-Teilchen ist eine Erregung des Higgs-Feldes, welches dafür verantwortlich ist, dass Elementarteilchen eine Masse haben. Man kann sich das wie folgt vorstellen: Wenn man am Strand joggen geht, ist das recht einfach. Doch im Wasser ist dies viel schwieriger, weil das Wasser einen träge macht. Ähnlich wirkt das Higgs-Feld auf Elementarteilchen und erzeugt so deren Masse. Bereits ein Jahr nach der Higgs-Entdeckung erhielten Peter Higgs und François Englert den Physik-Nobelpreis: Sie hatten das Higgs-Feld in den 1960er Jahren postuliert. Das Higgs-Teilchen ist so schwer, dass es im Universum nur direkt nach dem Urknall natürlich auftauchte. Es dauerte fast ein halbes Jahrhundert, bis ein Beschleuniger gebaut werden konnte, der die nötige Rate und Energie in Teilchenkollisionen erzeugen konnte, um Higgs-Teilchen in ausreichender Anzahl für deren Nachweis zu produzieren.

Von der Arbeit der einzelnen Gruppen können alle profitieren
Um ein Experiment am LHC durchzuführen, braucht es eine globale Anstrengung. Am ATLAS Experiment, an dem auch HU-Wissenschaftler:innen forschen, arbeiten über 5000 Physiker*innen. „Unsere Forschung erfordert wahres kollaboratives Arbeiten. Keine Forschungsgruppe kann ein solches Experiment alleine durchführen”, sagt Prof. Heiko Lacker. „Es macht unser Forschungsfeld gewissermaßen einzigartig: hunderte Forschungsgruppen kommen zusammen, arbeiten an einem bestimmten Aspekt, von dem dann alle profitieren.” So auch bei der Higgs-Entdeckung: „Unsere Gruppe an der HU hat damals am Trigger gearbeitet. Dies sind Algorithmen, die entscheiden, welche Teilchenkollisionen wir dauerhaft speichern und analysieren”, erinnert sich Prof. Thomas Lohse, der mittlerweile pensioniert ist. „Am LHC erzeugen wir alle 25 Nanosekunden Kollisionen. Wir können davon nur ungefähr ein Tausendstel von einem Prozent abspeichern. Der Trigger muss also innerhalb kürzester Zeit entscheiden, ob eine Kollision interessant war. Da Higgs-Teilchen sehr selten in Kollisionen auftauchen, war unsere Arbeit wichtig, um die richtigen Ereignisse zu finden.”

Higgs-Nachweis: „Ein fantastisches Gefühl“
Nach zwei Jahren von Datennahme und -analyse verkündeten die ATLAS- und die CMS-Kollaborationen am 4. Juli 2012 die Entdeckung des Higgs-Teilchen. „Ich war an diesem Tag euphorisch, weil wir mit beiden Experimenten unabhängig voneinander das Higgs-Boson nachweisen konnten”, erinnert sich Prof. Çiğdem Işsever, HU-Professorin und leitende Wissenschaftlerin am DESY Zeuthen. „Es war ein fantastisches Gefühl und eine Bestätigung, dass wir nicht durch Fluktuationen in den Daten getäuscht wurden.”

Prof. Lacker berichtet: „Ich hatte vor dem Start des LHCs insgeheim darauf gewettet, dass wir anstatt des Higgs-Teilchens etwas völlig Unerwartetes finden werden. Über die Higgs-Entdeckung war ich trotzdem glücklich, weil damit das Standardmodell der Elementarteilchenphysik komplett ist. Daraus ergaben sich aber Erkenntnisse, die meine eigene Forschung stark veränderten. Ich und meine Gruppe hatten im ATLAS-Experiment nach einer weiteren Familie von Quarks gesucht. Zusammen mit Theoretikern konnten wir zeigen, dass diese aber durch die Vermessung des Higgs-Teilchens nahezu ausgeschlossen werden konnte. In der Folge haben wir unsere Forschungsrichtung im ATLAS-Experiment umgelenkt und nach exotischen Quarks gesucht, die in Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden.“ Prof. Thomas Lohse fügt hinzu, dass die Entdeckung des Higgs-Teilchens auch Auswirkungen jenseits der Teilchenphysik hat: „Aufgrund des Erfolgs durch die Higgs-Entdeckung verwenden nun Festkörperphysiker ähnliche Theorien in ihren Forschungen zu ‚Quasiteilchen‘ in exotischen Materialien.”

Aktuelle Forschung am LHC: Gibt es Kollisionen mit zwei Higgs-Teilchen?
Auch die Forschung von Prof. Çiğdem İşsever ist von der Higgs-Entdeckung geprägt. „Meine Gruppe und ich suchen im Augenblick nach Teilchenkollisionen, in denen zwei Higgs-Teilchen auftauchen. Wir wollen die Selbstkopplung des Higgs-Felds finden, ein Teil der Theorie, den wir noch nicht experimentell nachweisen konnten. Je nachdem, was wir für die Selbstkopplung messen, können wir neue Aussagen zu unserem Universum machen. Es ist daher wichtig, die Forschungen am LHC fortzuführen.” Der LHC beginnt gerade seine dritte Periode der Datennahme. Die Wissenschaftler*innen wollen bis Ende der 2030er Jahre noch etwa zehnmal mehr Daten nehmen, um unser Wissen zur Natur zu erweitern.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

17. Januar 2022 – Die kritische Begutachtung bestätigt, dass das komplette Raumfahrtsegment, das sowohl die Satellitenplattform als auch die wissenschaftliche Nutzlast umfasst, auf einem ausgereiften Niveau ist. „Die Schnittstellen zwischen Satellit und Nutzlast funktionieren und der Zeitplan zur Herstellung der Nutzlast, das heißt die Serienproduktion der 26 einzelnen Kameras, ist solide“, erklärt Prof. Heike Rauer vom DLR.

Damit kann die Einsatzfähigkeit des Satelliten gewährleistet werden. PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of Stars) wird 2026 ins All starten und insbesondere erdähnliche Planeten suchen, entdecken und charakterisieren, vor allem Planeten, die sonnenähnliche Sterne umkreisen. Die Leitung des wissenschaftlichen Konsortiums, das gemeinsam mit der ESA die Nutzlast des Satelliten entwickelt, liegt in den Händen von Prof. Heike Rauer, Direktorin des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. Gemeinsam mit dem benachbarten DLR-Institut für Optische Sensorsysteme ist das Institut für die Ausleseelektronik der schnellen Teleskope sowie die Nutzlast-Computer und Datenverarbeitung an Bord des Weltraumteleskops verantwortlich.

„Der ‚Critical Milestone‘ ist ein entscheidender Schritt zur Fertigstellung des Satelliten. Noch nie musste für eine Wissenschaftsmission eine vergleichbare Anzahl von identischen Kameras für den Einsatz im Weltraum gebaut werden“, betont Heike Rauer. „Um die damit verbundenen Hindernisse überwinden zu können, war diese spezielle Begutachtung erforderlich, die wir nun erfolgreich gemeistert haben. Wir sind über das positive Ergebnis froh und schauen nun gemeinsam mit ESA und unseren Partnern nach vorn, hin zur Fertigstellung der Mission.“

Gesucht! Erdähnliche Planeten in der ‚habitablen Zone‘
Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen leitet die Entwicklung des PLATO-Datenzentrums, das die Beobachtungen und Messungen am Boden verarbeiten wird. „Eine wichtige Besonderheit von PLATO ist, dass die Mission auch die Parameter von Sternen mit Hilfe der Asteroseismologie bestimmen wird, um auf Radien, Massen und Alter ihrer Exoplaneten mit noch nie erreichter Genauigkeit zu schließen“, erklärt Prof. Laurent Gizon, Geschäftsführender Direktor des MPS und Koordinator des PLATO-Datenzentrums. „Die Erforschung von Exoplaneten und Sternen zu kombinieren wird entscheidend sein, um die ersten erdähnlichen Planeten in den habitablen Zonen sonnenähnlicher Sterne zu entdecken“, sagt Gizon.

Das Critical Milestone Review wurde von der ESA speziell für PLATO einberufen, um das hohe Risiko, das mit der Serienproduktion der Kameras verbunden ist, einschätzen zu können. Diese außergewöhnlich umfangreiche Begutachtung fand zwischen Juli und Dezember 2021 statt. Mehr als einhundert ESA-Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter waren in zwei Teams damit befasst: eines zur Prüfung des Satelliten, und eines für die Untersuchung der Nutzlast. Ihre Ergebnisse haben sie am Ende ihrer Überprüfung an das für die Beurteilung zuständige Gremium berichtet.

Umfangreiche Tests in ganz Europa
Das abschließende Treffen der Überprüfungskommission fand am 11. Januar statt. Nahezu alle Aspekte wurden unter die Lupe genommen: die Kameraproduktion, die Integration der Nutzlast auf dem Satelliten sowie die Tests der Funktionsfähigkeit. Die Tests mit verschiedenen Qualifikationsmodellen fanden dabei in Kooperation mit dem PLATO Missionskonsortium und der für den Bau des Satelliten beauftragen Industrieunternehmen an verschiedenen europäischen Einrichtungen statt. Dabei wurden Modelle der Kameras auf verschiedenen Niveaus überprüft: Struktur-, Funktions- und Qualifikationsmodelle. Bei der Firma OHB, dem Hauptauftragnehmer für die Satellitenplattform, wurde nach einem neuen Testverfahren die erforderlichen thermo-elastischen Eigenschaften der sogenannten optischen Bank überprüft.

Mit dem Erreichen dieses „Meilensteins“ beginnt die zweite Phase der Entwicklung des PLATO-Weltraumteleskops. Der Satellit selbst wird in einem Industriekonsortium gebaut, zu dem neben der deutschen Firma OHB auch die französische Thales Alenia Space, und die RUAG Space System in der Schweiz gehören. Der nächste „Meilenstein“ für PLATO wird 2023 das Critical Design Review für den Satelliten sein, bei dem alle Details des gesamten Raumfahrzeugs überprüft werden bevor das Flugmodell gefertigt und zusammengebaut wird.

In Nachbarschaft zum James-Webb-Teleskop
Nach dem Start, derzeit für Ende 2026 geplant, wird sich PLATO zum Lagrange-Punkt 2 im Weltraum begeben, 1,5 Millionen km von der Erde entfernt: Dort wird auch schon bald das an Weihnachten 2021 gestartete James Webb Space Telescope (JWST) von NASA und ESA positioniert sein. PLATO wird dann seine 26 Kameras in Blickrichtung zum äußeren Rand des Sonnensystems orientieren und während seiner vierjährigen nominellen Betriebszeit mehr als 200.000 Sterne beobachten. Dabei werden die Kameras nach regelmäßigen Intensitätsschwankungen in ihrem Licht suchen, die durch den Transit, dem Vorbeiziehen eines Planeten vor der Sternscheibe, verursacht werden. Die Analyse dieser Transite und der stellaren Lichtveränderungen wird eine genaue Bestimmung der Eigenschaften von neu entdeckten Exoplaneten und ihren Zentralsternen ermöglichen. „PLATO wird unser Wissen über Exoplaneten von großen Gasplaneten bis hinunter zu Planeten von Erdgröße revolutionieren,“ freut sich Heike Rauer auf die Missionsphase von PLATO.

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• PLATO auf Sojus 2 / Soyuz-ST vom ELS Kourou

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