Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2. August 2024.

2. August 2024 – BASE hat eine Falle entwickelt, mit der einzelne Antiprotonen wesentlich schneller abgekühlt werden als bisher, was die Forschenden nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erläutern.

Nach dem Urknall vor über 13 Milliarden Jahren war das Universum voll hochenergetischer Strahlung. Aus ihr entstanden ständig Paare von Materie- und Antimaterieteilchen – beispielsweise Protonen und Antiprotonen. Trifft ein solches Paar wieder zusammen, zerstrahlen die Teile erneut zu reiner Energie. In der Summe sollten also exakt gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstehen und wieder zerstrahlen, in der Summe sollte das Universum weitgehend materielos sein.

Offensichtlich gibt es aber ein Ungleichgewicht – eine Asymmetrie –, denn es gibt materielle Objekte. Es ist eine winzige Menge mehr Materie als Antimaterie entstanden, im Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik. Physiker suchen deshalb seit Jahrzehnten, das Standardmodell zu erweitern. Dafür benötigen sie auch präziseste Messung fundamentaler physikalischer Größen.

Hier setzt die BASE-Kollaboration („Baryon Antibaryon Symmetry Experiment“) an, an der die Universitäten in Düsseldorf, Hannover, Heidelberg, Mainz, Tokio und der ETH Zürich beteiligt sind sowie die Forschungslabore CERN in Genf, GSI in Darmstadt, das MPI für Kernphysik in Heidelberg, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und RIKEN in Wako / Japan.

„Die zentrale Frage, der wir nachgehen wollen: Sind Materie- und ihre zugehörigen Antimaterieteilchen exakt gleich schwer und haben sie die exakt gleichen magnetischen Momente, oder gibt es winzige Abweichungen?“, erläutert Prof. Dr. Stefan Ulmer, Sprecher von BASE. Er ist Professor am Institut für Experimentalphysik der HHU und forscht zusätzlich am CERN und am RIKEN.

Die Physiker wollen mit extrem hoher Auflösung den sogenannten Spin-Flip – Quantenübergänge des Protonenspins – bei einzelnen, ultrakalten und damit extrem energiearmen Antiprotonen messen; also das Umklappen des Eigendrehimpulses. „Aus den gemessenen Übergangsfrequenzen können wir unter anderem das magnetische Moment der Antiprotonen – also sozusagen deren winzige innere Stabmagnete – vermessen“, erläutert Ulmer, und: „Wir wollen so mit bisher unerreichter Genauigkeit schauen, ob diese Stabmagnete in Protonen und Antiprotonen dieselbe Stärke aufweisen.“

Einzelne Antiprotonen für die Messungen so zu präparieren, dass entsprechende Messgenauigkeiten erreicht werden, ist eine äußert aufwändige experimentelle Aufgabe. Hierbei hat die BASE-Kollaboration nun einen entscheidenden Fortschritt erzielt.

Dr. Barbara Maria Latacz vom CERN und Erstautorin der jetzt in Physical Review Letters als „editors suggestion“ erschienenen Studie: „Wir benötigen Antiprotonen mit einer maximalen Temperatur von 200 mK, also extrem kalte Teilchen. Nur so sind verschiedene Spin-Quantenzustände unterscheidbar. Mit bisherigen Techniken dauerte es 15 Stunden, um Antiprotonen, die wir aus dem Beschleunigerkomplex des CERN beziehen, so weit abzukühlen. Mit unserer neuen Kühlmethode verkürzen wir diese Zeit auf acht Minuten.“

Erreicht haben die Forschenden dies, indem sie quasi zwei sogenannte Penningfallen zu einem Gerät zusammenschlossen, zu einer „Maxwell-Daemon-Kühldoppelfalle“. Mit ihr ist es möglich, nur die kältesten Antiprotonen gezielt zu präparieren und für die nachfolgende Spin-Flip-Messung zu nutzen; wärmere Teilchen werden aussortiert. So entfällt die Zeit, um wärmere Antiprotonen abzukühlen.

Die erhebliche kürzere Kühlzeit ist notwendig, um die nötige Messstatistik in wesentlich kürzerer Zeit zu erhalten, so dass die Messunsicherheiten weiter gesenkt werden können. Latacz: „Wir brauchen mindestens 1.000 einzelne Messzyklen. Mit unserer neuen Falle heißt dies, dass wir rund einen Monat Messzeit benötigen – im Vergleich zu knapp zehn Jahren mit der alten Technik, was experimentell nicht realisierbar wäre.“

Ulmer: „Mit der BASE-Falle konnten wir bereits messen, dass sich die magnetischen Momente von Proton und Antiproton um maximal ein Milliardstel – wir sprechen von 10^-9 – unterscheiden. Wir konnten die Fehlerrate der Spin-Identifikation um mehr als einen Faktor 1.000 verbessern. In der nächsten Messkampagne hoffen wir, die Genauigkeit im magnetischen Moment auf 10^-10 verbessern zu können.“

Prof. Ulmer zu den zukünftigen Plänen: „Wir wollen eine mobile Teilchenfalle bauen, mit der wir am CERN in Genf erzeugte Antiprotonen in ein neues Labor an der HHU transportieren können. Dieses ist so eingerichtet, dass wir hoffen dürfen, die Messgenauigkeit um mindestens einen weiteren Faktor 10 zu verbessern.“

Hintergrund: Fallen für Elementarteilchen
Mithilfe von magnetischen und elektrischen Feldern können in Fallen einzelne elektrisch geladene Elementarteilchen, deren Antiteilchen oder auch Atomkerne für längere Zeit gespeichert werden. Speicherdauern von über zehn Jahren sind möglich. Innerhalb der Fallen können dann gezielte Messungen an ihnen vorgenommen werden.

Es gibt zwei grundlegende Bauweisen: Bei den sogenannten Paul-Fallen (die vom deutschen Physiker Wolfgang Paul in den 1950er-Jahren entwickelt wurden) erfolgt die Speicherung mithilfe von elektrischen Wechselfeldern. Die von Hans G. Dehmelt entwickelten „Penning-Fallen“ nutzen ein konstantes Magnetfeld und ein elektrostatisches Quadrupolfeld. Beide Physiker erhielten für ihre Entwicklungen 1989 den Nobelpreis.

Originalveröffentlichung
B. M. Latacz, M. Fleck, J. I. Jäger, G. Umbrazunas, B. P. Arndt, S. R. Erlewein, E. J. Wursten, J. A. Devlin, P. Micke, F. Abbass, D. Schweitzer, M. Wiesinger, C. Will, H. Yildiz, K. Blaum, Y. Matsuda, A. Mooser, C. Ospelkaus, C. Smorra, A. Soter, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, and S. Ulmer. Orders of Magnitude Improved Cyclotron-Mode Cooling for Non-Destructive Spin Quantum Transition Spectroscopy with Single Trapped Antiprotons, Physical Review Letters 133, 053201 (2024).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053201
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.053201
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.053201

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• Antimaterie

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Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn 3. August 2023.

3. August 2023 – Forschende aus der ganzen Welt suchen mit dem Kooperationsprojekt Belle II am japanischen Forschungszentrum KEK nach neuen Phänomenen in der Teilchenphysik. Nun wurde ein bedeutender Meilenstein für das internationale Belle II-Experiment erreicht: Ein Team installierte den neuen Pixel-Detektor erfolgreich an seinem endgültigen Standort in Japan. Der Detektor von der Größe einer Getränkedose wurde entwickelt, um die Signale bestimmter Teilchenzerfälle zu erkennen. Sie sollen Aufschluss über die Herkunft des beobachteten Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie im Universum geben. Die reibungslose Installation markiert einen wichtigen Schritt in der Weiterentwicklung des Experiments und der Forschungszusammenarbeit zwischen Deutschland und Japan.

Belle II ist ein internationales Kollaborationsprojekt von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, das am SuperKEKB-Beschleuniger des KEK-Forschungszentrums in Japan durchgeführt wird. Das Ziel dieses Experiments ist es, Antworten auf die vielen offenen Fragen hinsichtlich des Universums zu finden. Hierfür suchen die rund 1200 Mitglieder der internationalen Belle II-Kollaboration nach Hinweisen für neue Physikphänomene und unbekannte Teilchen jenseits des etablierten Standardmodells der Teilchenphysik.

Mit der Installation endete für den Detektor auch eine lange Reise: quer durch Deutschland von München, via mehrere deutsche Institute, darunter die Universität Bonn, nach Hamburg ans Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) und von dort aus schließlich tausende Kilometer ostwärts nach Japan zum Standort von Belle II, dem SuperKEKB-Elektron-Positron-Kollider. Die Luftreise brachte neue Herausforderungen mit sich: unerwartete Turbulenzen und unsachgemäße Handhabung während des Transports hätten leicht einen der empfindlichen Sensoren zerbrechen können. Ein eigens dafür angefertigter Koffer schützte deshalb den Detektor, um Vibrationen zu minimieren.

Beitrag der Universität Bonn
Mitglieder der Universität Bonn waren am Einbau des Detektors in Japan maßgeblich beteiligt. “Die Installation des Pixel-Detektors verlief äußerst zufriedenstellend und ohne größere Schwierigkeiten”, sagt Botho Paschen, technischer Koordinator des Pixel-Detektor-Projekts und Wissenschaftler der Universität Bonn. Der Erfolg sei das Ergebnis der harten Arbeit und des Engagements eines hervorragenden Teams, das über Jahre hinweg daran gearbeitet hat, den Detektor zu entwickeln und für die Installation vorzubereiten. Insbesondere der sehr begrenzte Platz machte den Einbau zu einer äußerst herausfordernden Aufgabe. Paschen: “Der nächste wichtige Schritt ist nun die Inbetriebnahme des Detektors, damit wir Anfang 2024 neue Kollisionsdaten aufzeichnen können.”

Prof. Dr. Florian Bernlochner, Belle II-Gruppenleiter an der Universität Bonn, betonte die Bedeutung des neuen Detektors für die physikalischen Ziele des Experiments: “Der Pixel-Detektor ist das entscheidende Instrument, um präzise Messungen von Lebensdauern von schweren Quarks zu ermöglichen. Mit diesen Messungen können wir die Verletzung einer der grundlegendsten Symmetrien der Natur, die Ladung-Parität-Symmetrie, genauer untersuchen.” Die Verletzung dieser Symmetrie ist eine von drei Bedingungen, die erfüllt sein müssen, um zu erklären, warum das heutige Universum fast ausschließlich aus Materie besteht. “Durch Belle II werden wir ein noch präziseres Verständnis entwickeln, warum sich Materie und Antimaterie unterschiedlich verhalten und ob es in den Zerfällen von schweren Quarks Beiträge von bisher noch nicht entdeckten Teilchen oder Kräften gibt”, ergänzt Bernlochner.

Die Zerfallsprodukte der schweren Quarks weisen eine relativ geringe Energie auf und werden leicht gestört, wenn sie das Detektormaterial durchqueren. Deshalb war es für Belle II notwendig, dass die dem Kollisionspunkt der Teilchenstrahlen am nächsten gelegenen Detektorelemente so leicht wie möglich sein müssen, was den Pixel-Detektor sehr fragil und seine Installation sehr anspruchsvoll machte. Der Detektor besteht aus 20 Silizium-Streifen, die 75 Mikrometer dick sind – das entspricht der Breite eines menschlichen Haares.

Die extrem dünnen DEPFET (DEPleted Field Effect Transistor)-Sensoren wurden am Halbleiter-Labor der Max-Planck-Gesellschaft entwickelt. Die Streifen sind in zwei konzentrischen zylindrischen Schichten angeordnet, wobei die innere Schicht nur 1,4 cm von der Strahllinie entfernt ist. Nach dem erfolgreichen Einbau ist Belle II nun mit dem weltweit dünnsten Pixel-Detektor instrumentiert, so das Team.

Der neuartige Detektor ist darauf ausgelegt, bis zu 50.000 hochauflösende Bilder pro Sekunde von den Zerfällen der reichlich produzierten schweren Quarks am SuperKEKB zu liefern. Die DEPFET Sensortechnologie des Pixel-Detektors lässt sich auch für weitere Zwecke vielfältig einsetzen: zum Beispiel für Röntgen-Satelliten-Missionen, für die Suche nach sterilen Neutrinos oder Dunkler Materie oder in der medizinischen Bildgebung.

Forschung, die die Struktur der Materie auf kleinsten Längenskalen vermisst, erfordert die Entwicklung immer leistungsfähigerer Detektoren. Das Forschungs- und Technologiezentrum für Detektorphysik (FTD) der Universität Bonn bietet den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hierfür ein ideales Umfeld mit moderner Infrastruktur. Im FTD befindet sich auch das Siliziumlabor (SILAB) der Universität Bonn, wo die Module für den Pixel-Detektor über mehrere Jahre hinweg charakterisiert und untersucht wurden. “Die erfolgreiche Installation des Detektors ist das Ergebnis einer langjährigen, fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Institutionen und Forschungszentren”, sagt FTD-Co-Sprecher und Leiter des SILAB Prof. Dr. Jochen Dingfelder, der gemeinsam mit Prof. Dr. Norbert Wermes an der Entwicklung des Pixel-Detektors über viele Jahre hinweg maßgeblich beteiligt war. “Es freut mich zu sehen, wie unsere gemeinsamen Anstrengungen zu einem solchen bahnbrechenden Erfolg geführt haben.” Die Bonner Gruppe dankt allen Beteiligten in Japan, Europa und Deutschland herzlich für ihre harte Arbeit und ihr Engagement.

Förderung
Der Pixel-Detektor wurde in enger Zusammenarbeit von führenden deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen im Rahmen der internationalen PXD-Kollaboration entwickelt. Die Universitäten Bonn, Mainz, Gießen, Göttingen, KIT, LMU und TUM sowie das Max-Planck-Institut für Physik (MPP), das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (MPG-HLL) und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) haben gemeinsam an der Entwicklung des Detektors gearbeitet. Die Entwicklungen wurden maßgeblich vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Technische Universität München 12. Dezember 2022.

12. Dezember 2022 – Einem Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, die Überlebensrate von Antihelium-Kernen aus den Tiefen der Galaxis zu bestimmen – eine notwendige Voraussetzung für die indirekte Suche nach Dunkler Materie.

Hinweise auf Dunkle Materie gibt es viele. Daraus, wie sich Galaxien in Galaxienhaufen bewegen, oder wie schnell Sterne um das Zentrum einer Galaxie kreisen, lässt sich errechnen, dass sehr viel mehr Masse vorhanden sein muss als jene, die sichtbar ist. Unser Milchstraßensystem beispielsweise besteht zu rund 85 Prozent aus einer Substanz, die nicht sichtbar ist und sich nur durch ihre Gravitationswirkung bemerkbar macht. Ein direkter Nachweis dieser Materie ist bis heute noch nicht gelungen.

Mehrere theoretische Modelle für Dunkle Materie gehen davon aus, dass sie aus Teilchen bestehen könnte, die schwach untereinander wechselwirken. Dabei entstehen Antihelium-3-Kerne, die aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron bestehen. Auch bei hochenergetischen Kollisionen zwischen kosmischer Strahlung und gewöhnlicher Materie wie Wasserstoff und Helium entstehen diese Kerne – allerdings mit anderen Energien, als es bei der Wechselwirkung Dunkler-Materie-Teilchen der Fall sein müsste.

Bei beiden Prozessen haben die Antiteilchen ihren Ursprung in den Tiefen der Galaxis, mehrere 10.000 Lichtjahre entfernt von uns. Nach ihrer Entstehung macht sich ein Teil von ihnen auf den Weg zu uns. Wie viele der Teilchen diese Reise unbeschadet überstehen und als Boten ihres Entstehungsprozesses in die Nähe der Erde gelangen, wird über die Durchlässigkeit oder Transparenz der Milchstraße für Antihelium-Kerne bestimmt. Bislang konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Wert nur grob abschätzen. Eine bessere Eingrenzung der Transparenz, ein Maß für die Anzahl und Energien von Antikernen, ist allerdings wichtig für die Interpretation zukünftiger Antihelium-Messungen.

Teilchenbeschleuniger LHC als Antimateriefabrik
Forschende der ALICE-Kollaboration führten nun Messungen durch, mit denen sie die Transparenz erstmals genauer festlegen konnten. ALICE steht für A Large Ion Collider Experiment und ist eines der größten Experimente der Welt, um die Physik auf den kleinsten Längenskalen zu erforschen. ALICE ist Teil des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN.

Am LHC lassen sich große Mengen an leichten Antikernen wie Antihelium erzeugen. Zu diesem Zweck werden jeweils Protonen und Blei-Atome auf Kollisionskurs gebracht. Bei den Zusammenstößen entstehen Teilchenschauer, die der Detektor des ALICE-Experiments aufzeichnet. Dank mehrerer Teilsysteme des Detektors können die Forschenden dann die entstandenen Antihelium-3-Kerne nachweisen und ihre Spur im Detektormaterial verfolgen. So lässt sich quantifizieren, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Antihelium-3-Kern mit dem Detektormaterial wechselwirkt und verschwindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der TUM und des Exzellenzclusters ORIGINS haben maßgeblich zur Analyse der experimentellen Daten beigetragen.

Galaxis durchlässig für Antikerne
Mithilfe von Simulationen konnten die Forschenden die Ergebnisse aus dem ALICE-Experiment auf die gesamte Galaxis übertragen. Das Resultat: Etwa die Hälfte der Antihelium-3-Kerne, die bei der Wechselwirkung von Teilchen der Dunklen Materie entstehen soll, würde die erdnahe Umgebung erreichen. Unsere Milchstraße ist somit zu 50 Prozent durchlässig für diese Antikerne. Für Antikerne, die durch Kollisionen von kosmischer Strahlung mit dem interstellaren Medium entstehen, variiert die erhaltene Transparenz von 25 bis 90 Prozent mit zunehmendem Antihelium-3-Impuls. Diese Antikerne lassen sich jedoch von jenen, die aus Dunkler Materie entstehen, aufgrund ihrer höheren Energie unterscheiden.

„Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine interdisziplinäre Analyse, die zeigt, wie Messungen an Beschleunigern direkt mit der Untersuchung der kosmischen Strahlung im Weltraum verbunden werden können“, sagt ORIGINS Wissenschaftlerin Prof. Laura Fabbietti von der TUM School of Natural Sciences. Die Ergebnisse vom ALICE Experiment am LHC sind von großer Bedeutung für die Suche nach Antimaterie im Weltraum mit dem AMS-02 Modul (Alpha Magnetic Spectrometer) auf der internationalen Raumstation ISS. Ab 2025 wird dann das GAPS-Ballonexperiment über der Arktis die ankommende kosmische Strahlung auf Antihelium-3 untersuchen.

Weitere Informationen:
An den Arbeiten zur Antihelium-3-Wechselwirkung unter der Leitung von Prof. Dr. Laura Fabbietti waren Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Alejandro Ibarra an der TUM sowie Dr. Andrew Strong am Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik beteiligt. Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster ORIGINS, EXC 2094 – 390783311 und den Sonderforschungsbereich SFB1258 gefördert sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Originalpublikation:
ALICE Collaboration: Measurement of anti-3He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy, Nature Physics.
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01804-8

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• Dunkle Materie

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 24. August 2022.

24. August 2022 – Mit dem Ludwig-Biermann-Förderpreis ehrt die Astronomische Gesellschaft jedes Jahr herausragende Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler. Der Preis ist mit 3.000 Euro dotiert und geht für 2022 an Dr. Thomas Siegert vom Lehrstuhl für Astronomie der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.

Der junge Wissenschaftler bekommt die Auszeichnung im September auf der Tagung der Astronomischen Gesellschaft in Bremen verliehen. Er wurde auch eingeladen, dort einen Vortrag über seine Arbeit zu halten.

„Thomas Siegert ist in der nuklearen Astrophysik international anerkannt“, heißt es in der Laudatio. Er habe an zahlreichen Publikationen mitgewirkt und sei als Experte für die Datenauswertung des INTEGRAL/SPI-Instruments der Europäischen Weltraumagentur ESA bekannt. Mit diesem Instrument wird die Gammastrahlung gemessen, die in der Milchstraße bei der Vernichtung von Materie durch Antimaterie entsteht.

Dem Ursprung der Antimaterie auf der Spur
Auf der Erde sind Antimaterieteilchen sehr selten aufzufinden. Sie lassen sich hier nur durch Teilchenbeschleuniger oder radioaktive Zerfälle und nur für sehr kurze Zeit erzeugen. Sie zeichnen sich primär dadurch aus, dass sie, im Vergleich zu ihren Materie-Partnern, eine entgegengesetzte Ladung besitzen. Sobald sie ihren Partnern zu nahekommen, verwandeln sie ihre gesamte Masse in Strahlung. Dabei entsteht Gammastrahlung, die noch einmal eine wesentlich höhere Energie hat als Röntgenstrahlung.

„Die Frage bei meiner Arbeit ist, woher in der Milchstraße die enormen Antimaterie-Mengen in Form von Positronen kommen. Das sind die Antimaterie-Partner der Elektronen“, sagt der JMU-Forscher.

Thomas Siegert konnte zeigen, dass es darauf mehr als nur eine Antwort geben muss: Neue radioaktive Elemente, die bei der Entwicklung massereicher Sterne oder bei Sternexplosionen entstehen, reichen als Erklärung allein nicht aus.

Er hat nachgewiesen, dass Mikroquasare hier eine Rolle spielen – das sind kleine Schwarze Löcher, die von einem Begleitstern Masse ansammeln und in sogenannten Jets Elementarteilchen ins Universum schießen. Auf diese Weise kann eine beträchtliche Menge Antimaterie entstehen. Millionen Jahre später zerstrahlen diese Positronen dann mit Elektronen und erzeugen die gemessenen Gammastrahlen.

Werdegang des Preisträgers
Thomas Siegert, Jahrgang 1988, geboren in Berlin und aufgewachsen im Bayerischen Wald, studierte Physik an der Technischen Universität München. Dort promovierte er 2017 in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching und ging 2019 in die USA. In San Diego arbeitete er mit einem Forschungsstipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) am COSI-Instrument der NASA.

2021 kehrte er mit einem DFG-Stipendium zurück nach Deutschland. Nach einem Zwischenaufenthalt in Würzburg war er als Wissenschaftler für Missionsunterstützung für den INTEGRAL-Satelliten am MPE tätig. Seit August 2022 leitet er am Lehrstuhl für Astronomie der JMU seine eigene Arbeitsgruppe.

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• Ehrungen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik.

16. März 2022 – Wenn sie einen Blick in die Schattenwelt der Antimaterie werfen wollen, müssen die Forscher auf ausgeklügelte technische Tricks zurückgreifen. Sie sollen verhindern, dass die Antimaterieproben mit der uns umgebenden normalen Materie in Kontakt kommen. Diese Isolierung ist von entscheidender Bedeutung, da sich Antimaterie und Materie bei einem Kontakt miteinander sofort gegenseitig zerstören. Trotzdem schafften es Wissenschaftler*innen in einem internationalen Team unter Federführung des Garchinger Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ), Materie und Antimaterie zu exotischen, hybriden Atomen aus Helium zu kombinieren, die für kurze Zeit stabil bleiben. Nun haben die Forscher*innen aus Italien, Ungarn und Deutschland überdies eine Möglichkeit entdeckt, die so gebundenen Antiteilchen sehr genau spektroskopisch zu untersuchen.

Bei ihren Experimenten am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf tauchten sie die bizarren atomaren Gebilde in flüssiges Helium und kühlten dieses bis auf Temperaturen nahe beim absoluten Nullpunkt ab – wo das Helium in einen sogenannten superfluiden Zustand übergeht. Die Ergebnisse des Experiments waren für die Wissenschaftler*innen besonders überraschend, weil die hybriden Antimaterie-Materie-Atome trotz ihrer dichten, flüssigen Umgebung sehr empfindlich und genau auf das Laserlicht reagiert haben.

„Spannend sind Experimente an Antimaterie vor allem im Hinblick auf fundamentale Gesetzmäßigkeiten der Physik“, sagt Prof. Masaki Hori, der Leiter des Teams. So verlangt das Standardmodell der Teilchenphysik – die Grundlage des heutigen Verständnisses der Wissenschaftler vom Aufbau des Universums und den darin wirkenden Kräften, dass sich Teilchen und ihre Antiteilchen lediglich im Vorzeichen ihrer elektrischen Ladung unterscheiden. So trägt ein Antiproton – das Gegenstück zum positiv geladenen Proton, einem Baustein von Atomkernen, – eine negative Ladung. Nach dem Standardmodell der Physik sind die anderen Eigenschaften identisch. „In unseren bisherigen Experimenten haben wir keinen Hinweis darauf gefunden, dass sich die Massen von Protonen und Antiprotonen auch nur im Geringsten unterscheiden“, berichtet Hori. „Wenn ein solcher Unterschied, wie gering er auch sein mag, nachgewiesen werden könnte, würde das die Grundlagen unseres derzeitigen Weltbildes erschüttern.“

Doch vielleicht sind die verfügbaren experimentellen Verfahren nur nicht empfindlich genug, um möglicherweise vorhandene feine Unterschiede aufzuspüren? „Wir können das nicht ausschließen, bevor wir es nicht tatsächlich gemessen haben“, meint Hori. Daher feilen Wissenschaftler*innen weltweit an Techniken, um die Merkmale von Antiteilchen immer noch ein bisschen genauer zu untersuchen. „Dazu lässt man Atome oder Moleküle für spektroskopische Messungen beispielsweise in Vakuumkammern magnetisch schweben oder sperrt sie in Ionenfallen ein“, erklärt Hori. „Das hybride Heliumatom haben wir im Team bisher dazu verwendet, die Massen von Antiprotonen und Elektronen präzise miteinander zu vergleichen.“

Mit den neuesten Erkenntnissen seines Teams hat der Garchinger Physiker nun den Weg zu einer weiteren, sehr sensiblen Messmethode geebnet: die hochaufgelöste optische Spektroskopie an Antiprotonen-Helium-Atomen in einer supraflüssigen Umgebung.

Elektron raus, Antiproton rein
Um die exotischen Heliumatome mit darin enthaltenen Antiprotonen zu erzeugen, nutzten die Forscher den Antiprotonen-Entschleuniger am CERN – eine weltweit einzigartige Anlage, die es ermöglicht, die Antimaterieteilchen, die bei Zusammenstößen von energiereichen Protonen entstehen, abzubremsen. Die langsame Geschwindigkeit der Antiprotonen macht sie ideal nutzbar für Experimente wie die des Teams um Masaki Hori. Die Forscher*innen mischten die langsamen Antiprotonen mit flüssigem Helium, das sie auf Temperaturen von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius abkühlten. Dabei fingen Atome des Heliums einen kleinen Teil der Antiprotonen ein. Jedes eingefangene Antiproton ersetzte eines der beiden Elektronen, die normalerweise einen Helium-Atomkern umgeben – und formten so ein Gebilde, das lange genug stabil blieb, um es spektroskopisch zu untersuchen.

„Bisher dachte man, dass sich Antimaterie-Atome, die in Flüssigkeiten eingebettet sind, nicht durch hochauflösende Spektroskopie mit Laserstrahlen untersuchen lassen“, berichtet Hori. Denn die im Vergleich etwa zu einem Gas intensiven Wechselwirkungen zwischen den dicht gepackten Atomen oder Molekülen der Flüssigkeit führen zu einer starken Verbreiterung der Spektrallinien. Diese Linien sind Abbilder von Resonanzen, bei denen Energie aus dem Laserstrahl zur Anregung bestimmter atomarer Zustände aufgenommen wird. Sie sind damit eine Art Fingerabdruck jedes atomaren Teilchens. Ihre genaue Lage auf der Frequenzskala sowie ihre Form verraten den Forscher*innen aufschlussreiche Details über die Eigenschaften der untersuchten Atome – und die Kräfte, die auf die Antiteilchen wirken. Doch durch die Verbreiterung der Linien werden diese Informationen überdeckt, weil quasi verschmiert. Hori und seinem Team gelang es nun erstmals, das „Verschmieren“ der Spektrallinien in einer Flüssigkeit zu unterbinden.

Überraschend schlanke Linien bei 2,2 Kelvin
In einer Reihe von zahlreichen Experimenten nahmen die Wissenschaftler*innen die antiprotonischen Helium-Atome bei unterschiedlichen Temperaturen unter die spektroskopische Lupe. Dazu bestrahlten sie die Helium-Flüssigkeit mit dem Licht eines Titan-Saphir-Lasers, das zwei markante Resonanzen der Antiprotonen-Atome bei zwei verschiedenen Frequenzen anregte. Die überraschende Entdeckung: „Sank die Temperatur unter die kritische Temperatur von 2,2 Kelvin – also 2 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt –, bei der das Helium in einen superfluiden Zustand übergeht, verwandelte sich schlagartig die Gestalt der Spektrallinien“, berichtet Anna Sótér, die erste Doktorandin im Team des MPQ und inzwischen Assistenzprofessorin an der ETH Zürich. „Aus den bei höherer Temperatur sehr breiten und unregelmäßig geformten wurden schmale und gleichförmige Linien.“ Die superfluide Phase ist ein besonderer flüssiger Zustand, der unter anderem durch das Fehlen einer inneren Reibung gekennzeichnet ist. Das quantenphysikalische Phänomen ist typisch für Helium bei extrem tiefen Temperaturen. „Wie die markante Veränderung der Spektrallinien des Antiprotons in einer solchen Umgebung zustande kommt und was dabei physikalisch geschieht, wissen wir bislang nicht“, sagt der MPQ-Physiker. „Wir waren davon selbst überrascht.“

Doch die Möglichkeiten, die der Effekt bietet, sind weitreichend. Denn die Verschmälerung der Resonanzlinien ist so drastisch, dass sich bei einer Anregung mit Licht die sogenannte Hyperfeinstruktur auflösen lässt, berichten die Wissenschaftler in einer Veröffentlichung im Fachjournal „Nature“. Die Hyperfeinstruktur ist eine Folge der gegenseitigen Beeinflussung des Elektrons und des Antiprotons in dem Atom. Das deutet darauf hin, dass sich in supraflüssigem Helium andere hybride Heliumatome mit verschiedenen Arten von Antimaterie oder mit exotischen Teilchen erzeugen lassen könnten, um ihre Reaktion auf Laserlicht im Detail zu untersuchen und ihre Masse zu bestimmen. Ein Beispiel dafür sind pionische Heliumatome, die vor Kurzem im 590-Megaelektronenvolt-Zyklotron des Paul-Scherrer-Instituts in Villingen (Schweiz) mittels Laserspektroskopie untersucht wurden.

Hinweise auf die Dunkle Materie?
Zudem könnten die scharfen Spektrallinien hilfreich sein beim Nachweis von Antiprotonen und Antideuteronen in der kosmischen Strahlung. Ihnen sind Forscher*innen bereits seit Jahren auf der Spur, etwa mit Experimenten an Bord der Internationalen Raumstation ISS. Demnächst werden Wissenschaftler auch einen Testballon über der Antarktis starten – mit einem Instrument an Bord, das Antiprotonen und Antideuteronen aufspüren kann, die möglicherweise in sehr großen Höhen in der Atmosphäre existieren. Masaki Hori spekuliert: „Detektoren mit superfluidem Helium könnten solche Versuche unterstützen und wären geeignet, Antiteilchen aus dem All einzufangen und zu analysieren.“ Das würde womöglich zur Lösung eines anderen großen Rätsels beitragen: der Frage nach dem Wesen der Dunklen Materie – einer ominösen und bislang unbekannten Materieform, die nicht sichtbar ist, aber offenbar einen Großteil der Masse im Universum ausmacht. In einigen Theorien wird angenommen, dass bei der Wechselwirkung Dunkler Materie im Halo unserer Galaxie Antiteilchen entstehen, die dann zur Erde gelangen können. Ausgerechnet Antimaterie könnte so Licht in dieses Dunkel bringen.

Originalveröffentlichung
Sótér, A., Aghai-Khozani, H., Barna, D. et al.
High-resolution laser resonances of antiprotonic helium in superfluid 4He
Nature (2022)

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• Antimaterie

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Quelle: FH Aachen.

19. Januar 2022 – Beispielsweise werden Weltraumteleskope, wie „Hubble“ im Jahr 1990, mit einer Rakete in den Kosmos geschickt, um noch weiter entfernte Galaxien zu entdecken und so mehr über das frühe Universum zu lernen. Hubble sucht seitdem in der Dunkelheit des Universums nach Lichtquellen, vorrangig im sichtbaren und UV- Strahlungsbereich, aber auch im nahen Infrarotbereich. Es lieferte dadurch in den letzten dreißig Jahren Millionen Fotos von Planeten in unserem Sonnensystem, Sternen, Galaxien sowie noch exotischeren Objekten. Bis zu 13 Milliarden Lichtjahre tief kann Hubble dabei in den Weltraum schauen und bietet einzigartige Einblicke in die Vergangenheit des Kosmos.

Jetzt wird Hubble von seinem Nachfolger, dem James-Webb-Weltraumteleskop, abgelöst. Das neue Teleskop ist im Gegensatz zu Hubble auf Infrarotstrahlung spezialisiert und kann damit noch weiter entfernte Objekte erkennen, weil das Licht dieser Objekte aufgrund ihrer großen Entfernung und der Ausdehnung des Universums nur noch als infrarote Wärmestrahlung bei uns ankommt.

Kooperation der RWTH und FH Aachen
An den Aachener Hochschulen RWTH und FH Aachen werden Pläne für ein noch größeres Weltraum-Forschungsinstrument entwickelt: Im Gegensatz zu Hubble oder James-Webb geht es bei diesem Modell aber nicht um die Suche nach Licht, sondern um die Untersuchung von kosmischen Teilchen. Unter der Projektleitung von Prof. Dr. Stefan Schael der RWTH Aachen arbeiten unter anderem zwei Forscher der FH Aachen, Prof. Dr. Markus Czupalla und Prof. Dr. Bernd Dachwald, an einem neuen Modell eines Alpha-Magnet-Spektrometers.

Blick in die Vergangenheit
Teleskope wie Hubble oder das James-Webb suchen im Weltraum nach der Lichtstrahlung von Planeten, Sternen und Galaxien. Deren Licht benötigt die Zeit ihrer Entfernung in Lichtjahren, bis es von Teleskopen in unserem Sonnensystem wahrgenommen werden kann, also bis zu 13 Milliarden Jahre. Daher bieten diese Forschungsinstrumente einen Blick in die Vergangenheit, und je größer die Auflösung und der Spektralbereich der jeweiligen Teleskope ist, desto tiefer können sie in unser Universum blicken. Das James-Webb-Teleskop ist dabei das bisher ambitionierteste astronomische Projekt der Raumfahrt. Der Hauptspiegel des Forschungsinstruments hat einen Durchmesser von 6,5 Metern und eine Fläche von knapp 25 Quadratmetern. Der Spiegel bietet durch seine einzigartige Größe eine bisher noch nie da gewesene Qualität der Bilder und gleichzeitig eine hohe Sensitivität für Infrarotlicht. Mit dieser Ausstattung ist das James-Webb-Teleskop das größte aller Zeiten. Knapp drei Jahrzehnte lang haben die Forscherinnen und Forscher das Teleskop entwickelt und es allen erdenklichen Tests unterzogen.

Das James-Webb-Teleskop – nicht nur die Größe ist einzigartig
Prof. Dr. Markus Czupalla vom Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik der FH Aachen kennt die Herausforderungen bei der Entwicklung solcher Weltraumteleskope: „Ein großes Risiko für eine solche Mission ist der Raketenstart und die Inbetriebnahme im Orbit. Selbst wenn der Start erfolgreich ist, sind die beweglichen Komponenten beim James-Webb-Teleskop eine Herausforderung.“ Insgesamt 178 Auslösemechanismen mussten im Weltraum funktionieren, damit das James-Webb-Teleskop seine Arbeit aufnehmen kann, denn die Ingenieurinnen und Ingenieure mussten das Teleskop faltbar konstruieren, weil es durch die ungewöhnliche Größe in keine Rakete passt.

„Alles, was sich bewegt, birgt ein Risiko“, erklärt Prof. Czupalla, „anders als beim Hubble kann niemand dem Teleskop helfen, wenn die Technik versagt“. Hubble war in einem Orbit, der für die Astronauten mit dem Space Shuttle gerade noch erreichbar war, und konnte somit gewartet werden. Das James-Webb-Teleskop dagegen ist viel weiter entfernt von der Erde platziert, um von der thermischen Strahlung der Erde und dem reflektierten Sonnenlicht möglichst geschützt zu sein. Dieser Punkt liegt auf der Verbindungslinie von Erde und Sonne und befindet sich 1,5 Millionen Kilometer entfernt von unserem Planeten, auf der sonnenabgewandten Seite – dem sogenannten Lagrange-Punkt L2. Auch das unter der Leitung von Prof. Schael geplante Alpha-Magnet-Spektrometer soll wie das James-Webb-Teleskop in einen Orbit am Punkt-L2 platziert werden. Der Analyse der komplexen Orbits um den Punkt-L2 für das Forschungsprojekt widmet sich Prof. Dr. Bernd Dachwald in seiner raumflugdynamischen Forschung der FH Aachen.

Vorbild für FH-Forschung
Während das James-Webb-Teleskop die Infrarotstrahlung im Kosmos misst, sind Magnet-Spektrometer Teilchendetektoren. Das bedeutet: Sie untersuchen die Zusammensetzung von kosmischer Strahlung, wie sie in kosmologischen Modellen vorkommt und unter anderem als Relikt aus den Anfängen des Universums erwartet wird. Das neue Alpha-Magnet-Spektrometer „AMS-100“ soll der Nachfolger von AMS-02 werden, das derzeit auf der Internationalen Raumstation betrieben wird. AMS-100 wird in Kooperation der RWTH Aachen mit der FH Aachen sowie weiteren Partnern entwickelt.

Die Aufgabe von AMS-100
Kurz nach dem Urknall bestand das Universum nur aus Energie, die sich nach Einsteins berühmter Formel E = mc² in Materie umwandelte. Energie hat aber keine Ladung, daher wurde in diesen Prozessen genau so viel Materie wie Anti- Materie produziert. Das uns umgebende Universum besteht aber nur aus Materie. Was ist also mit der Anti-Materie nach dem Urknall passiert? Sind eventuell noch leichte Anti-Materie-Kerne, wie Anti-Helium in der kosmischen Strahlung vorhanden? Diese Fragen möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit dem Forschungsprojekt AMS-100 beantworten.

Bis jetzt wurde Antimaterie nur in Experimenten in Teilchenbeschleunigern, wie CERN, erzeugt. Prof. Schael und sein Team möchten jedoch einen Nachweis für Anti-Helium in der Natur – in unserem Kosmos – aufspüren. Momentan ist kein Spektrometer empfindlich genug, um den Nachweis zu erbringen. AMS-100 soll das nun ändern. Sollte das Teleskop einen Nachweis für Anti-Helium finden, würde es den Blick der Wissenschaft auf unser Universum verändern und maßgeblich zum Verständnis des Anfangs von unserem Universum beitragen.

Theorie und Praxis – ein Zusammenspiel
Prof. Czupalla befasst sich derzeit mit einer Möglichkeit zur raumfahrttechnischen Umsetzung des Forschungsprojekts: „Wir arbeiten an ähnlichen Problemen wie die Ingenieurinnen und Ingenieure vom James-Webb- Teleskop. Die Forschung zu James-Webb bietet daher für uns eine wissenschaftliche und technische Grundlage.“

Einer der vielen Herausforderungen für Prof. Czupalla liegt darin, den supraleitenden Magneten im Inneren von AMS-100 auf unter -220° C zu kühlen. Auch die Temperatur der Teilchendetektoren im inneren des Magneten ist entscheidend für eine erfolgreiche Forschungsmission. Diese muss konstant – 100° C betragen, um nicht zu viel Wärme an den supraleitenden Magneten abzugeben.

„Aus diesem Grund müssen wir, ähnlich wie bei James-Webb, einen Sonnenschild vor den Detektor von AMS-100 bauen. Außerdem benötigen wir einen großen entfaltbaren Radiator, der dafür sorgt, dass die überflüssige Wärme des Instruments in den Weltraum abgegeben wird. Denn anders als man vielleicht denken mag, ist es nicht so einfach, ein Gerät im All kontinuierlich so kalt zu halten“, erklärt Prof. Czupalla.

Theoretische Vorarbeit für langfristigen Erfolg
Bisher arbeiten Prof. Czupalla und Prof. Dachwald nur mit ihren Studierenden an dem Forschungsprojekt AMS-100: „Alle derzeit notwenigen Berechnungen und theoretischen Vorarbeiten finden in Zusammenarbeit mit Studierenden statt, um die prinzipielle technologische Machbarkeit zu demonstrieren und dann unser Projekt den Raumfahrtbehörden vorstellen zu können. Wenn wir eine Projektförderung erhalten, können wir ein Forschungsteam aufbauen“, so Prof. Czupalla. Die FH-Forscher sind dabei optimistisch, denn die Berechnungen zeigen, dass die Umsetzung des Weltraumteleskops AMS-100 wohl möglich ist, auch wenn viele einzigartige Lösungsansätze erforderlich sein werden. „Aber es ist genau diese Art von Herausforderungen, die mich an der Raumfahrt begeistern“, sagt Prof. Czupalla.

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• Alpha-Magnet-Spektrometer AMS-02

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Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg.

Das Baryon-Antibaryon-Symmetrie-Experiment (BASE) am Antiprotonen-Entschleuniger des CERN hat neue Grenzen für die Masse von Axion-ähnlichen Teilchen – hypothetischen Teilchen, die Kandidaten für dunkle Materie sind – festgelegt und eingeschränkt, wie leicht sie sich in Photonen, die Teilchen des Lichts, verwandeln können. Dies ist besonders bemerkenswert, da BASE nicht für solche Untersuchungen konzipiert wurde. Das neue Ergebnis des Experiments, veröffentlicht in Physical Review Letters, beschreibt diese bahnbrechende Methode und eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten für die Suche nach kalter dunkler Materie.

„BASE verfügt über extrem empfindliche Detektionssysteme mit abgestimmten supraleitenden Schwingkreisen, um die Eigenschaften einzelner gefangener Antiprotonen zu untersuchen. Wir haben erkannt, dass diese Detektoren auch für die Suche nach Signalen von anderen Teilchen geeignet sind. In dieser kürzlich veröffentlichten Arbeit haben wir einen unserer Detektoren als Antenne benutzt, um nach einer neuen Art von Axion-ähnlichen Teilchen zu suchen“, erläutert Jack Devlin, ein CERN-Forschungsstipendiat, der am BASE-Experiment arbeitet.

Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen sind Kandidaten für kalte dunkle Materie. Aufgrund astrophysikalischer Beobachtungen geht man davon aus, dass etwa 26,8 Prozent des Materie-Energie-Gehalts des Universums aus dunkler Materie und nur etwa 5 Prozent aus normaler − sichtbarer − Materie bestehen; der Rest ist die mysteriöse dunkle Energie. Diese unbekannten Teilchen spüren die Schwerkraft, reagieren aber kaum auf die anderen fundamentalen Kräfte, wenn sie diese überhaupt erfahren. Die etablierte Theorie der fundamentalen Kräfte und Teilchen, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, enthält keine Teilchen mit den passenden Eigenschaften für kalte dunkle Materie. Da das Standardmodell jedoch viele Fragen unbeantwortet lässt, haben Physiker darüber hinaus gehende Theorien vorgeschlagen, von denen einige die Natur der dunklen Materie erklären. Manche dieser Theorien schlagen die Existenz von Axionen oder Axion-ähnlichen Teilchen vor. Diese Theorien müssen getestet werden, und auf der ganzen Welt gibt es viele Experimente, die nach diesen Teilchen suchen. Das BASE-Experiment am CERN hat nun zum ersten Mal die Detektoren, die zum Nachweis einzelner Antiprotonen entwickelt wurden, für die Suche nach dunkler Materie eingesetzt.

Im Vergleich zu den großen Detektoren am LHC ist BASE ein wesentlich kleineres Experiment. Der Antiprotonen-Entschleuniger des CERN versorgt es mit Antiprotonen. BASE fängt diese Teilchen ein und speichert sie in einer Penningfalle, einer Kombination aus elektrischen und starken magnetischen Feldern. Um Kollisionen mit gewöhnlicher Materie zu vermeiden, wird die Falle bei etwa 5 Kelvin (~−268 °C) betrieben, wo äußerst niedrige Drücke, ähnlich denen im Weltraum, erreicht werden (10−18 mbar). In dieser extrem gut isolierten Umgebung können Wolken von gefangenen Antiprotonen über Jahre hinweg existieren. Durch sorgfältiges Einstellen der elektrischen Felder können die Physiker bei BASE einzelne Antiprotonen isolieren und in einen separaten Teil der Falle bringen. In diesem Bereich können sehr empfindliche resonante supraleitende Detektoren die winzigen elektrischen Ströme nachweisen, die von einzelnen Antiprotonen erzeugt werden, während sie sich in der Falle bewegen.

In der nun veröffentlichten Arbeit suchte das BASE-Team nach unerwarteten elektrischen Signalen in ihren empfindlichen Antiprotonendetektoren. Das Herzstück jedes Detektors ist eine kleine, etwa 4 cm durchmessende, Torus-förmige Spule, die ähnlich aussieht wie die Transformatorspulen, die man in vielen gewöhnlichen elektronischen Geräten findet. Die BASE-Detektoren sind jedoch supraleitend − haben also fast keinen elektrischen Widerstand, und alle umgebenden Komponenten sind sorgfältig so gewählt, dass sie keine elektrischen Verluste verursachen. Das macht die BASE-Detektoren extrem empfindlich gegenüber elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern. In der vorliegenden Arbeit nutzten die Physiker erstmals das in der Penningfalle gespeicherte Antiproton als Quantensensor, um das Hintergrundrauschen ihres Detektors genau zu kalibrieren. Dann begannen sie, nach ungewöhnlichen aber schwachen Signalen zu suchen, die möglicherweise von Axion-ähnlichen Teilchen und ihren möglichen Wechselwirkungen mit Photonen verursacht werden. Im untersuchten Frequenzbereich konnten sie bisher kein derartiges Signal nachweisen, was im Umkehrschluss bedeutet, dass es BASE gelungen ist, neue Grenzen für die Masse Axion-artiger Teilchen zu setzen und ihre möglichen Wechselwirkungen mit Photonen zu untersuchen.

Mit dieser Studie eröffnet BASE anderen Penningfallen-Experimenten die Möglichkeit, sich an der Suche nach dunkler Materie zu beteiligen. Verschiedene Änderungen können die Detektionsempfindlichkeit weiter verbessern, um in Zukunft empfindlichere Schranken an die Konversion der hypothetischen Axion-ähnlichen Teilchen in Photonen zu setzen. „Mit dieser neuen Technik haben wir zwei bisher nicht miteinander verbundene Zweige der Experimentalphysik kombiniert: die Axion-Physik und die Hochpräzisions-Penningfallen-Physik. Unser Laborexperiment ist komplementär zu astrophysikalischen Experimenten und besonders empfindlich im niedrigen Axion-Massenbereich. Mit einem eigens dafür gebauten Messinstrument könnten wir die Bandbreite und Empfindlichkeit erhöhen, um die Landschaft der Axion-Suche mit Penningfallen-Techniken zu erweitern“, hofft Stefan Ulmer, Sprecher der BASE-Kollaboration.

Die BASE-Kollaboration besteht aus Wissenschaftlern des RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory, des European Center for Nuclear Research (CERN), dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM), der University of Tokyo, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, der Leibniz Universität Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Diese Forschung ist Teil des Arbeitsprogramms des Max Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries, einer internationalen Gruppe, die hochpräzise Messmethoden für ein besseres Verständnis der Physik unseres Universums entwickelt.

Originalpublikation:
Constraints on the coupling between axion-like dark matter and photons using an antiproton superconducting tuned detection circuit in a cryogenic Penning trap, J. A. Devlin, M. J. Borchert, S. Erlewein, M. Fleck, J. A. Harrington, B. Latacz, J. Warncke, E. Wursten, M. A. Bohman, A. H. Mooser, C. Smorra, M. Wiesinger, C. Will, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, S. Ulmer, Phys. Rev. Lett. 126, 041301, DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.041301

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• Dunkle Materie

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Einen völlig neuen Ansatz bei der Suche nach Dunkler Materie haben Wissenschaftler der BASE-Kollaboration am europäischen Forschungszentrum CERN zusammen mit einer Arbeitsgruppe am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) verfolgt: Erstmals haben sie den Einfluss von Dunkler Materie auf Antimaterie statt auf gewöhnliche Materie untersucht. Die Ergebnisse ihrer Arbeit sind in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Beteiligt sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des japanischen Forschungszentrums RIKEN, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg (MPIK) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig, die wiederum im Max Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries zusammenarbeiten, sowie des CERN, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM), der Universität Tokyo, der GSI Darmstadt und der Leibniz Universität Hannover.

„Bisher haben Wissenschaftler in Präzisionsexperimenten bei niedrigen Energien stets materie-basierte Proben benutzt, um an ihnen eine Kopplung von Dunkler Materie nachzuweisen“, erläutert der Erstautor der aktuellen Studie, Dr. Christian Smorra, der zurzeit am japanischen Forschungsinstitut RIKEN tätig ist und in den nächsten Jahren im Rahmen eines ERC Starting Grants am Institut für Physik der JGU eine Arbeitsgruppe aufbauen wird. „Wir suchen zum ersten Mal explizit nach einer Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Antimaterie. Die meisten Studien gehen von einer symmetrischen Wechselwirkung der Dunklen Materie mit Teilchen und Antiteilchen aus. Wir überprüfen in unserer Studie, ob das wirklich der Fall ist.“

Dieser Ansatz hat doppelten Charme: Über die mikroskopischen Eigenschaften der Dunklen Materie ist bisher nur sehr wenig bekannt – einer der viel diskutierten Kandidaten sind sogenannte ALPs (Axion Like Particles). Darüber hinaus liefert das Standardmodell der Teilchenphysik keine Erklärung, warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt. „Wir hoffen, durch unsere Experimente einen Hinweis zu finden, der die beiden Fragestellungen verbinden könnte“, so Dr. Yevgeny Stadnik, der im Rahmen eines Humboldt Fellowships am HIM an der Studie mitgewirkt hat. „Denn sowohl theoretisch als auch experimentell ist eine asymmetrische Wechselwirkung dieser Art zuvor noch nicht untersucht worden. In unserer aktuellen Forschungsarbeit gehen wir einen ersten Schritt in diese Richtung.“

Gefangene Antiprotonen sollen Hinweise auf Dunkle Materie liefern
Das Untersuchungsobjekt der Wissenschaftler ist ein einzelnes Antiproton, gefangen in einer speziellen Teilchenfalle, einer sogenannten Penningfalle. Diese Teilchen erzeugten die Wissenschaftler am Antiproton Decelerator (AD) am CERN, der weltweit einzigen Forschungsanlage, in der Antiprotonen bei niedriger Energie zur Verfügung gestellt werden. Anschließend speicherten und untersuchten die Wissenschaftler die dort erzeugten Antiprotonen im Fallensystem der BASE Kollaboration.

Das Antiproton besitzt nicht nur eine Ladung, sondern auch einen Eigendrehimpuls – im Fachjargon Spin. In einem Magnetfeld präzediert dieser Spin mit einer ganz bestimmten, konstanten Frequenz – der Spinpräzessionsfrequenz. „Die Anwesenheit von Dunkler Materie könnten wir dadurch detektieren, dass sich diese Frequenz verändert“, so Christian Smorra. „Dabei betrachten wir die potentiellen Teilchen der Dunklen Materie als klassisches Feld mit einer bestimmten Wellenlänge. Die Dunkle Materie Wellen laufen kontinuierlich durch unser Experiment und verändern dort periodisch die eigentlich konstante Präzessionsfrequenz des Antiproton-Spins im Magnetfeld.“

Mit ihrem experimentellen Aufbau haben die Forscher einen bestimmten Frequenzbereich abgesucht – und bisher keine Hinweise auf Dunkle Materie gefunden. „Mit unserem aktuellen Messaufbau haben wir zwar keine signifikante und periodische Änderung der Spinpräzessionsfrequenz des Antiprotons gefunden“, erläutert Stefan Ulmer, Sprecher der BASE Kollaboration am CERN. „Gleichwohl haben wir die Empfindlichkeit im Vergleich zu astrophysikalischen Beobachtungen um bis zu fünf Größenordnungen übertroffen. Das bedeutet, wir haben basierend auf der jetzigen Empfindlichkeit unseres Experiments eine neue obere Grenze für die Stärke einer potentiellen Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Antimaterie definiert.“

Zwei Forschungsgruppen zusammengeführt
Im Grunde genommen haben die Wissenschaftler in ihrem aktuellen Projekt zwei Forschungsgruppen zusammengeführt. Die BASE Kollaboration am CERN beschäftigt sich schon sehr lange und erfolgreich mit den fundamentalen Eigenschaften des Antiprotons, während die Gruppe um Prof. Dr. Dmitry Budker, Wissenschaftler am Exzellenzcluster PRISMA+ der JGU und am HIM, sehr aktiv bei der Suche nach Dunkler Materie ist und entscheidend zur Interpretation der Studie beigetragen hat. „Wir haben festgestellt, dass unsere Forschung sehr viele Schnittmengen aufweist und daraus die Idee für diesen neuen Ansatz bei der Suche nach Dunkler Materie geboren“, so Dmitry Budker.

Künftig wollen die Wissenschaftler die Genauigkeit bei der Messung der Spinpräzessionsfrequenz des Antiprotons weiter verbessern – dies wäre dann auch die Voraussetzung dafür, die Antimaterie-basierte Suche nach Dunkler Materie noch empfindlicher zu machen. Hierzu werden in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jochen Walz am Institut für Physik der JGU, in Zusammenarbeit mit MPIK und RIKEN, neue Kühlmethoden für Protonen und Antiprotonen entwickelt, während eine Gruppe von Wissenschaftlern an der PTB Braunschweig, der Leibniz Universität Hannover und RIKEN derzeit Methoden zur Quantenlogik-Spektroskopie des Antiproton-Spins entwickelt. Es wäre darüber hinaus interessant, ähnliche Studien mit anderen Antiteilchen durchzuführen, zum Beispiel mit Positronen oder Antimyonen.

Veröffentlichung
C. Smorra, Y. V. Stadnik, P. E. Blessing, M. Bohman, M. J. Borchert, J. A. Devlin, S. Erlewein, J. A. Harrington, T. Higuchi, A. Mooser, G. Schneider, M. Wiesinger, E. Wursten, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, D. Budker& S. Ulmer: Direct limits on the interaction of antiprotons with axion-like dark matter.

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Quelle: Jülich Aachen Research Alliance (JARA).

23. Oktober 2019 – Die RWTH Aachen vergibt jedes Jahr den Friedrich-Wilhelm-Preis an Studierende und Doktoranden verschiedener Ausbildungsstufen, die herausragende wissenschaftliche Leistungen erbracht haben. Einer der diesjährigen Preisträger ist Dr. Jamal Slim, Institut für Kernphysik, Experimentelle Hadronendynamik am Forschungszentrum Jülich und Lehrstuhl für Experimentalphysik III B der RWTH Aachen. Dr. Slim erhält die Auszeichnung für seine Doktorarbeit. Betreuer seiner Arbeit war Prof. Dirk Heberling, Mitglied in JARA-FAME und Institutsleiter des Lehrstuhls für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen.

Mehrere junge Masteranden, Doktoranden und Habilitanden dürfen sich am 29. November über die Verleihung des Friedrich-Wilhelm-Preises freuen. Jedes Jahr werden herausragende Absolventinnen und Absolventen der RWTH mit diesem Preis geehrt. In diesem Jahr darf sich Dr. Jamal Slim über den mit 1.000 Euro dotierten Preis freuen. Der studierte Elektroingenieur erhält die Auszeichnung für seine exzellente Doktorarbeit, in der er sich mit der in unserem Universum vorherrschenden Materie-Antimaterie-Asymmetrie auseinandersetzt.

Die gängige wissenschaftliche Überzeugung ist, dass direkt nach dem Urknall gleich viel Materie wie Antimaterie vorhanden war. Bei dieser Zusammensetzung hätte sich jedoch beides anschließend vollständig zu Strahlung vernichten müssen. Die Existenz unseres durch Materie dominierten Universums zeigt, dass das Standardmodell der Teilchenphysik den Grund unserer Existenz nicht erklären kann. Es bedarf einer Physik jenseits des Standardmodells und neuer Ansätze, um die Frage um unsere Existenz zu klären. Elektrische Dipolmomente sind Phänomene, die das Ungleichgewicht von Materie zu Antimaterie erklären könnten. Das elektrische Dipolmoment (EDM) entsteht, wenn die positiven und negativen Ladungsträger in einem Objekt unterschiedliche Schwerpunkte besitzen.

In seinen Untersuchungen hat sich Dr. Jamal Slim mit Hilfe des Hadronenbeschleunigers COoler SYnchroton COSY auf die Suche nach nicht-verschwindenden elektrischen Dipolmomenten fundamentaler Teilchen gemacht. Für den Nachweis eines EDMs geladener Teilchen wäre ein dedizierter elektrischer Speicherring nötig, den es bis dato jedoch noch nicht gibt. Slim setzte gemeinsam mit dem Team der JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) Kollaboration einen RF Wien Filter an COSY ein, um Messungen an Deuteronen und Protonen durchzuführen und auf diese Weise ein elektrisches Dipolmoment nachzuweisen. Vorläufige positive Ergebnisse wurden erzielt und werden in Kürze veröffentlicht. In seiner Dissertation untermauerte Dr. Slim den Ansatz durch Ausführungen zu Design, Simulation, Analyse sowie Realisierung und Inbetriebnahme des neuartigen Gerätes.

Dr. Jamal Slim ist Postdoktorand am Lehrstuhl für Experimentalphysik III B, Lehr- und Forschungsgebiet Experimentalphysik der RWTH Aachen unter der Leitung von JARA-FAME Direktor Prof. Jörg Pretz, sowie am Institut für Kernphysik, Experimentelle Hadronendynamik am Forschungszentrum Jülich, das durch Prof. Hans Ströher, ebenfalls JARA-FAME geleitet wird. Seine Dissertation betreute Prof. Dirk Heberling, Mitglied in JARA-FAME und Institutsleiter des Lehrstuhls für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen.
Neben dem Friedrich-Wilhelm-Preis, der am 29. November in einer Feierstunde vergeben wird, erhielt Dr. Slim auch die Borchers-Plakette. Mit der Borchers-Plakette ehrt der Rektor der RWTH Aachen Promovenden, die ihre Promotion mit „summa cum laude“ abgeschlossen haben. Der Preis wurde im Rahmen des Graduiertenfestes Mitte September 2019 vergeben.

Friedrich-Wilhelm-Preis der RWTH Aachen
Der Friedrich-Wilhelm-Preis wird von der gleichnamigen Stiftung verliehen, die 1865 gegründet wurde. Der Name der Stiftung geht auf den preußischen Kronprinzen und späteren Kaiser Friedrich Wilhelm III. zurück. Ziel ist die Förderung von Forschung und Lehre, die Unterstützung von Studierenden sowie von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der RWTH. Ausgezeichnet werden dabei herausragende Masterarbeiten, Dissertationen und Habilitationen. Die Preise sind mit 500, 1.000 und 2.000 Euro dotiert.

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Rund um die Welt suchen Physiker nach einer Erklärung für das Phänomen, dass es in unserem Universum Materie überhaupt gibt. Eigentlich hätten sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall gegenseitig auslöschen müssen. Durch Symmetrie-Experimente mit tragbaren Antiprotonen möchte Dr. Christian Smorra, zurzeit am japanischen Forschungsinstitut RIKEN tätig, diesem Phänomen nachgehen und neue Erkenntnisse zu einem der größten Rätsel der Physik beisteuern. Der Europäische Forschungsrat (European Research Council – ERC) unterstützt das Projekt mit der Bezeichnung STEP „Symmetry Tests in Experiments with Portable Antiprotons“ mit einem ERC Starting Grant in Höhe von 1,8 Millionen Euro. Das Projekt wird in den kommenden fünf Jahren an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) realisiert.
Durch das Standardmodell der Teilchenphysik und die Allgemeine Relativitätstheorie haben wir ein recht gutes Verständnis von den fundamentalen Vorgängen in unserer Welt. „Allerdings liefern uns die experimentellen Beobachtungen bis heute keine zufriedenstellenden Antworten auf eine Unmenge offener Fragen, zum Beispiel der Frage, warum wir in unserem Universum nicht die kleinste Spur von Antimaterie finden“, erklärt Christian Smorra. Zum Zeitpunkt des Urknalls muss Materie und Antimaterie in gleichem Maße vorhanden gewesen sein. „Aber wir wissen nicht, was mit der Antimaterie dann passiert ist. Um ein besseres Verständnis zu erhalten, müssen wir die Bausteine der Antimaterie mit größtmöglicher Genauigkeit vermessen.“

Transportfalle für die Untersuchung von Antiprotonen im Mainzer Präzisionslabor
Ziel der geplanten Antiteilchenexperimente sind Präzisionsmessungen an Antiprotonen, also sozusagen an den Gegenspielern der Protonen. Die Antiprotonen sollen am europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf in Zusammenarbeit mit der BASE-Kollaboration am Antiproton Decelerator (AD) erzeugt werden. Es ist die einzige Anlage weltweit, die Antiprotonen mit niedriger Energie zur Verfügung stellt. Im Rahmen des ERC-Projekts wird Smorra eine Transportfalle entwickeln und die am CERN produzierten Teilchen in dieser Falle nach Mainz transportieren. Langfristig sollen die Partikel hier im Präzisionslabor vermessen werden – ohne die Störfaktoren wie Magnetfeldfluktuationen und Radiofrequenzrauschen, die in der AD-Halle auftreten.

Bereits jetzt wird im Rahmen der BASE-Kollaboration am Institut für Physik der JGU ein Präzisionsexperiment an Protonen durchgeführt. Als Teil des neuen Forschungsprogramms soll hier zudem eine neue Art von Penningfallensystem entwickelt werden, um die gefangenen Antiprotonen bei ultrakalten Temperaturen zu vermessen. Damit soll die Genauigkeit für den Vergleich von Antiprotonen und Protonen weiter gesteigert werden.

Fokus liegt auf der Suche nach Unterschieden zwischen Proton und Antiproton
Anhand der Messergebnisse können Smorra und sein Team dann nach Symmetriebrechungen suchen, das heißt nach Unterschieden in den Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen, wie zum Beispiel in den Ladung-zu-Masse-Verhältnissen. Außerdem werden die Physiker nach weiteren Wechselwirkungen, die bislang noch nicht beobachtet wurden, Ausschau halten. „Eine mögliche neue Wechselwirkung wäre eine modifizierte Gravitation oder aber, wenn etwa Dunkle Materie an Antiprotonen koppelt“, so Smorra. Kosmologische Beobachtungen deuten darauf hin, dass es im Weltall außer der uns bekannten Materie auch unsichtbare Dunkle Materie geben muss – deren Zusammensetzung und Eigenschaften aber noch vollkommen unbekannt sind.

Penningfallen zur Speicherung und Untersuchung geladener Teilchen
Zentrales Instrument von Smorras Arbeiten sind die Penningfallen, die zur Aufbewahrung, für den Transport und die Vermessung von Antiprotonen, wie übrigens auch für Protonen und andere geladene Teilchen, verwendet werden. Sie stellen ein ideales Werkzeug dar, um fundamentale Eigenschaften von geladenen Teilchen zu vermessen. „Wir versuchen ständig, diese Fallen zu verbessern, um die Genauigkeit zu erhöhen“, sagt Smorra.

Christian Smorra, geboren 1982, hat in Mainz Physik studiert und an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg in Experimentalphysik promoviert. Als Postdoc war er anschließend am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg tätig. Gefördert durch ein CERN-Fellowship und als Mitarbeiter des japanischen Forschungsinstituts RIKEN arbeitet Smorra seit 2012 für die BASE-Kollaboration am Forschungszentrum CERN und an der Universität Mainz. Im Rahmen der ERC-Förderung wird er eine Arbeitsgruppe am Institut für Physik der JGU aufbauen.

Der ERC Starting Grant ist eine der höchstdotierten Fördermaßnahmen der EU, die an junge Wissenschaftler vergeben wird. ERC Starting Grants unterstützen herausragende Wissenschaftler am Anfang ihrer Karriere, wenn sie ihr eigenes Forschungsteam oder Forschungsprogramm aufbauen. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Exzellenz müssen die Antragsteller den bahnbrechenden Ansatz ihres Projekts und seine Machbarkeit nachweisen, um die Förderung zu erhalten.

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Quelle: DESY.

Zwei Teams aus Oberstufenschülern, eins vom Praedinius Gymnasium im niederländischen Groningen und eins von der West High School in Salt Lake City, USA, haben den diesjährigen Wettbewerb „Beamline for Schools“ (BL4S) gewonnen. Die beiden Gruppen werden im Oktober DESY in Hamburg besuchen, wo sie die von ihnen vorgeschlagenen Experimente in Zusammenarbeit mit Forschern von CERN und DESY durchführen werden.
Beamline for Schools ist ein internationaler Wettbewerb, an dem Oberstufenschülerinnen und -schüler aus der ganzen Welt teilnehmen können. Die Jugendlichen müssen einen Vorschlag für ein Experiment unterbreiten, welches an einer Experimentierstation (Beamline) mit Teilchenstrahlen durchgeführt werden kann. Eine solche Beamline lenkt einen Strahl aus subatomaren Teilchen durch einen beliebigen Versuchsaufbau und ermöglicht dadurch die Untersuchung von vielfältigen Eigenschaften und Prozessen in den verschiedensten wissenschaftlichen Disziplinen. Solche Beamlines werden von Forschungszentren wie CERN und DESY betrieben. Der erste BL4S-Wettbewerb fand 2014 statt und war mit seinen fast 300 Bewerberteams aus 50 Ländern ein so überwältigender Erfolg, dass eine jährliche Veranstaltung daraus wurde, die in diesem Jahr zum sechsten Mal stattfindet.

„Wir freuen uns alle sehr darauf, die diesjährigen Gewinner bei DESY begrüßen zu dürfen. Dies ist ein neues Kapitel in der Geschichte dieses Wettbewerbs, denn wir halten das Finale des Wettbewerbs erstmals an einem anderen Forschungszentrum ab“, sagt BL4S-Projektleiterin Sarah Aretz vom CERN. „Wegen des zweiten langen Shutdowns von CERNs Beschleunigern zu Wartungs- und Aufrüstungszwecken steht derzeit kein Teilchenstrahl am CERN zur Verfügung. Aber gerade dadurch hat sich die Gelegenheit ergeben, Partnerschaften mit anderen Laboren zu sondieren.“

„Für uns ist es eine große Ehre, die Endrunde des diesjährigen Beamline-for-Schools-Wettbewerbs bei DESY ausrichten zu dürfen“, sagt Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums. „Wir freuen uns sehr darauf, die bemerkenswerten Schüler kennenzulernen, die es mit ihren Vorschlägen bis hierher geschafft haben, und wir wünschen ihnen eine erfolgreiche und bereichernde Zeit im Labor. Nachwuchsförderung wird bei DESY groß geschrieben, und CERNs Beamline-for-Schools-Projekt leistet auf diesem Gebiet Hervorragendes.“

An dem Auswertungs- und Auswahlverfahren nahmen mehr als 60 freiwillige Experten von CERN und DESY teil. Sie bewerteten die schriftlichen Forschungsanträge und einminütigen Videos, die jedes Bewerberteam einreichen musste, unter Berücksichtigung der Kreativität, Motivation, Machbarkeit und wissenschaftlichen Methodik.

Die beiden Siegerteams 2019 werden sich mit den grundlegenden Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie befassen. Wenn Elektronen mit hoher Energie auf ein Target treffen, etwa ein Stück Graphit, wird ein Teil ihrer Energie in Photonen verwandelt. Aus diesen Photonen können wiederum weitere Teilchen entstehen. Am Ende bildet sich ein Teilchenschauer niedriger Energie. Das Team „Particle Peers“ vom Praedinius Gymnasium hat vorgeschlagen, Teilchenschauer, die aus Elektronen entstehen, mit solchen zu vergleichen, die durch Positronen hervorgerufen werden. Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen.

„Als ich die Nachricht hörte, dass wir gewonnen hatten, hab ich das Grinsen nicht mehr aus dem Gesicht bekommen. Es ist unglaublich, dass wir die Gelegenheit bekommen werden, unser Experiment mit tollen Wissenschaftlern durchzuführen und neue Schüler kennenzulernen, die sich genauso für die Physik begeistern“, sagt Frederiek de Bruine vom Team „Particle Peers“.

Das Team „DESY Chain“ von der West High School in Salt Lake City konzentriert sich mit seinem Vorschlag auf die Eigenschaften von Szintillatoren. Sie werden zum Nachweis von Teilchen eingesetzt. Die Schüler wollen die Leistungsfähigkeit solcher Szintillatoren untersuchen und deren Empfindlichkeit für Elektronen und Positronen vergleichen. Das könnte leistungsfähigere Teilchendetektoren für vielfältige Anwendungsbereiche zur Folge haben.

„Ich bin so aufgeregt, dass wir diesen Herbst bei DESY arbeiten werden. Das ist eine einmalige Gelegenheit. Ich bin stolz darauf, dem ersten Team aus der USA anzugehören, das den BL4S-Wettbewerb gewonnen hat, besonders weil wir dadurch Zugang zu Apparaten und Systemen bekommen werden, von denen ich nie geträumt hätte, dass ich sie jemals zu sehen bekomme“, sagt August Muller vom Team DESY Chain.

Beide Teams sind mit ihren Vorschlägen weit über den Lehrstoff hinausgegangen, der normalerweise an Oberschulen unterrichtet wird, und haben ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt, verschiedene Zusammenhänge der modernen Teilchenphysik zu begreifen. Diesen Sommer über werden die Schüler ihre Versuche in enger Zusammenarbeit mit Forschern von CERN und DESY vorbereiten. Im Oktober begrüßt DESY dann die beiden Siegerteams, die ihre Experimente ausführen und Einblicke in das Leben eines Wissenschaftlers gewinnen wollen.

In die engere Auswahl waren 20 Teams gekommen, zehn weitere erhielten eine lobende Erwähnung. Alle diese Teams erhalten BL4S-T-Shirts und Teilnahmeurkunden, während die Teams, die in die engere Wahl gekommen sind, einen Detektor für kosmische Strahlung, den sogenannten Cosmic Pi, erhalten.

Dies ist das zweite Mal, dass ein holländisches Team den Wettbewerb gewonnen hat. Bisher wurden Schüler aus den Niederlanden, Griechenland Italien (zweimal), Südafrika, Polen, Großbritannien, Kanada, Indien und den Philippinen ausgewählt, um die von ihnen vorgeschlagenen Versuche an der Forschungseinrichtung CERN durchzuführen.

In diesem Jahr haben 178 Teams aus 49 Ländern aus der ganzen Welt Vorschläge unterbreitet. Seitdem der Wettbewerb 2014 ins Leben gerufen wurde, haben insgesamt fast 10.000 Schüler aus 84 Ländern teilgenommen. In diesem Jahr wurde zudem der 1000. Vorschlag eingereicht, wofür das Team „Zoya’s Mystic“ aus Frankreich einen Sonderpreis erhalten hat.

Beamline for Schools ist ein Projekt aus dem Bereich Ausbildung und Öffentlichkeitsarbeit, das von der Stiftung CERN & Society Foundation finanziert und von einzelnen Spendern, Stiftungen und Unternehmen unterstützt wird. Im Jahr 2019 wird das Projekt teilweise von der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung finanziert; weitere Zuwendungen kommen von der Motorola Solutions Foundation, der Amgen Switzerland AG und der Ernest-Solvay-Stiftung, die von der King Baudouin Foundation verwaltet wird.

Auch im Jahr 2020, bleiben die CERN-Beschleuniger wegen Wartungs- und Aufrüstungsarbeiten abgeschaltet. Gleichzeitig ist das Interesse am Beamline-for-Schools-Projekt ungemindert. Mehrere internationale Forschungslabore haben ihr Interesse daran bekundet, den Wettbewerb auszurichten, sodass nun erstmals eine Lösung erwogen wird, bei der gleich zwei Standorte teilnehmen sollen: zusätzlich zu DESY auch das Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) in Italien.

Auswahlliste der CERN- und DESY-Experten:

• A Light in the Darkness aus den USA
• Centaurus Warriors aus den USA
• Cosmic Conquerors aus Thailand
• DESY Chain aus den USA
• DESYners aus den USA
• JT/High Pawns aus Pakistan
• Jubarte Team aus Brasilien
• Leftover Leptons aus Indien
• Magic Doubly Magic Nuclei aus Polen
• My Little Positron aus Australien
• Particle peers aus den Niederlanden
• Raiders of the Lost Quark aus den Vereinigten Arabischen Emiraten
• RAM FAM aus Australien
• Salvo Krevas aus Malaysia
• Team John Monash Science School aus Australien
• The Baryonic Six aus Schweden
• THE LUMINEERS aus Pakistan
• The Weak Force aus Südafrika
• Unstoppable SPAS aus China
• Young Researchers aus der Ukraine

Die folgenden 10 Teams wurden lobend erwähnt:

• Antimatter Tracker aus Argentinien
• Cherenkoviously Brilliant aus Großbritannien
• EthioCosmos aus Äthiopien
• KICS TEAM aus dem Sudan
• Kleine Wissenschaftler aus Iran
• OBSERVERS OF THE MICROCOSM aus der Ukraine
• Quantum Minds aus Mexiko
• SolarBeam aus Thailand
• Team Pentaquark aus Bangladesch
• YKS_Young Kurdish Scientists aus dem Iran

Über CERN
CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eines der weltweit führenden Labore für Teilchenphysik. Die Organisation hat seinen Sitz an der französisch-schweizerischen Grenze in Genf. Seine Mitgliedstaaten sind: Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Israel, Italien, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Portugal, Rumänien, Serbien, Slowakei, Spanien, Schweden, Schweiz, Tschechien, Ungarn und das Vereinigte Königreich. Zypern und Slowenien sind assoziierte Mitgliedstaaten in der Vorphase der Mitgliedschaft. Indien, Litauen, Pakistan, die Türkei und die Ukraine sind assoziierte Mitgliedstaaten. Die Europäische Union, Japan, JINR, die Russische Föderation, die UNESCO und die Vereinigten Staaten von Amerika haben derzeit Beobachterstatus.

Über DESY
DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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Quelle: Universität Bern.

Gemäss den Gesetzen der Quantenphysik weisen Materie-Teilchen nicht nur die Eigenschaften von Teilchen, sondern auch diejenigen von Wellen auf. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus wurde bereits 1924 vom französischen Physiker Louis de Broglie postuliert. Die Existenz des Wellenverhaltens von Materie (Materiewellen) wurde seither erfolgreich in verschiedenen Experimenten mit Elektronen und Neutronen sowie auch mit komplexerer Materie bis hin zu grossen Molekülen nachgewiesen. Auch bei Antimaterie-Teilchen kann der Welle-Teilchen-Dualismus nachgewiesen werden – dies gelang bereits mit sogenannten Beugungsexperimenten. Nun schafften es Forschende der internationalen QUPLAS-Kollaboration jedoch erstmals, Antimateriewellen auch anhand von einzelnen Positronen (Antiteilchen des Elektrons) mit einem sogenannten Interferenz-Experiment nachzuweisen. Die Ergebnisse wurden im renommierten Journal Science Advances publiziert.

Ein Experiment, das bereits Einstein umtrieb
Zur QUPLAS-Kollaboration gehören Forschende der Universität Bern und des Politecnico di Milano. Um den Welle-Teilchen-Dualismus von einzelnen Positronen nachzuweisen, führten sie ein Experiment durch, das dem sogenannten Doppelspalt-Experiment ähnlich ist. Dieses hatten bereits berühmte Physiker wie Albert Einstein und Richard Feynman als Gedankenexperiment ins Spiel gebracht; es wird in der Quantenphysik oft verwendet, um das Wellenverhalten von Teilchen zu demonstrieren. Bei diesem Experiment werden Teilchen (in diesem Fall Positronen) von einer Quelle aus auf einen Detektor-Schirm geschossen. Dazwischen befindet sich eine Platte mit zwei oder mehreren Spalten, durch die die Teilchen hindurchfliegen können. Wenn sich die Teilchen wie Teilchen verhalten, zeigt sich auf dem Schirm ein Muster aus Streifen, das der Anzahl Spalten entspricht. Wenn sich die Teilchen jedoch wie Wellen verhalten, zeigt sich auf dem Schirm ein sogenanntes Interferenzmuster, bestehend aus mehreren Streifen (mehr Streifen als Spalten). Dies kommt daher, weil sich die von der Quelle ausgehenden Wellen gegenseitig überlagern.

Auftreffpunkt auf dem Mikrometer genau
Den QUPLAS-Forschenden gelang es nun erstmals in einem solchen Experiment, ein Interferenzmuster von Antimateriewellen nachzuweisen. Sie nutzen dazu einen innovatives sogenanntes Talbot-Lau-Interferometer mit einer Kernemulsionsplatte als ortsempfindlichen Detektor für die auftreffenden Teilchen. «Mit der Kernemulsion konnten wir den Auftreffpunkt der einzelnen Positronen sehr exakt bestimmen und so das Interferenzmuster auf den Mikrometer – also den millionstel eines Meters – genau rekonstruieren», erklärt Dr. Ciro Pistillo vom Laboratory for High Energy Physics (LHEP) und Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern. Damit konnten die Forschenden zwei grosse Hindernisse von Antimaterieexperimenten überwinden: den geringen Antiteilchenfluss und die komplexe Manipulation der Antiteilchen-Strahlung.

Die Forschenden des LHEP und AEC spielten eine Schlüsselrolle für den Erfolg des Projekts: Akitaka Ariga, Antonio Ereditato, Ciro Pistillo und Paola Scampoli waren insbesondere für das Design, den Aufbau und den Betrieb des Emulsionsdetektors sowie für die Analyse der Auftreffpunkte der Positronen verantwortlich.

Neues Feld in der Antimaterieforschung
«Unsere Beobachtung der Ennergieabhängngigkeit des Interferenzmusters beweist eindeutig dessen quantenmechanischen Ursprung und somit das Wellenverhalten der Positronen », sagt Professorin Paola Scampoli. Der Erfolg des Experiments ebnet den Weg zu einem neuen Untersuchungsfeld auf der Grundlage von Antimaterie-Interferometrie. Ein Ziel dabei sind beispielweise Gravitationsmessungen mit exotischen Atomen wie Positronium, das aus einem Elektron und einem Antiteilchen (Positron) besteht. Damit könnte die Gültigkeit des sogenannten schwachen Äquivalenzprinzips für die Antimaterie überprüft werden. Dieses Prinzip ist die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie und wurde noch nie mit Antimaterie geprüft. Künftige Forschungsfelder auf Basis der Antimaterie-Interferometrie könnten einst Aufschluss liefern über das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum.

Originalpublikation:
S. Sala, A. Ariga, A. Ereditato, R. Ferragut, M. Giammarchi, M. Leone, C. Pistillo, P. Scampoli, First demonstration of antimatter wave interferometry. Sci. Adv. 5, eaav7610 (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aav7610 Science Advances: First demonstration of antimatter wave interferometry

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NZZ, Wikipedia, AMS02.org, NASA, Raumcon, Zauber der Sterne.

Unter 25 Milliarden gemessenen Partikeln fanden sich während der 18 Monate des Betriebs des Teilchendetektors etwa 6,8 Millionen hochenergetische Leptonen, darunter etwa 400.000 Positronen, die Antiteilchen der Elektronen. Dies sind rund 14.000 mehr als ein Universum ohne Dunkle Materie und Pulsare erwarten ließe. Normalerweise entstehen Positronen nur, wenn schnelle Wasserstoffkerne auf Teilchen des Interstellaren Mediums treffen. Allerdings gibt es noch ein zweites Modell zu deren Entstehung ohne Dunkle Materie. Von Pulsaren ausgesandte energiereiche Photonen können Paare aus Elektronen und Positronen bilden. Dann kämen die Positronen aber nicht gleichmäßig aus allen Richtungen des Universums.

Das Alpha-Magnet-Spektrometer ist ein etwa 8,5 t schwerer Teilchendetektor, der im Inneren mit einem großen Dauermagneten ausgestattet ist, der aus vielen kleinen Magneten in besonderer Weise zusammengesetzt wurde. Gelangen geladene Teilchen in das Magnetfeld von etwa 125 mT (Millitesla), werden sie durch die Lorentzkraft abgelenkt. Im Inneren des Magnetfeldes befinden sich mehrere Schichten Siliziumstreifendetektoren, die beim Durchflug der Teilchen eine Reaktion feststellen. Aus der Bahn durch die Schichten lassen sich Einflugrichtung, Geschwindigkeit, Masse und Ladung der Teilchen berechnen.

Auf der Erde ruft die kosmische Strahlung beim Flug durch die Atmosphäre einen Schauer von Sekundärteilchen hervor. Daher macht die Suche nach Antimaterie und Dunkler Materie im All mehr Sinn. AMS 2 ist für einen Messzeitraum von etwa 18 Jahren konzipiert, die bisherigen 18 Monate machen demnach etwa ein Zwölftel der möglichen Zeit aus.

Dunkle Materie ist ein Modell, mit dem Astronomen und Kosmologen die Stabilität von Galaxien und Galaxienhaufen erklären wollen. Normalerweise müssten sich die Sterne in den Außenbereichen einer Galaxie deutlich langsamer bewegen als in der Nähe des Zentrums. Bei den Planeten in unserem Sonnensystem ist dies so. Während Merkur, der sonnennächste Planet, auf seiner Bahn um die Sonne eine Geschwindigkeit von etwa 48 km/s besitzt, bewegt sich die Erde mit nur etwa 30 km/s, Neptun, der äußerste Planet, mit nur reichlich 5 km/s. In Galaxien hingegen besitzen außen liegende Sterne beinahe dieselbe Winkelgeschwindigkeit wie innere Sterne. Dies erklärt man sich nun dadurch, dass es eine für uns bisher nicht wahrnehmbare Materie gibt, welche durch ihre Gravitation die äußeren Sterne mit zieht. Da wir diese Materie nicht sehen können, sie sendet weder Licht aus, noch absorbiert sie es, nennt man sie Dunkle Materie.

Theoretisch sollten bei Kollisionen bzw. Umwandlungen von Teilchen der Dunklen Materie aber auch Materieteilchen wie etwa Positronen entstehen. Deren Energien lägen in einem ganz bestimmten Bereich, der aber auch durch andere Prozesse im sichtbaren Universum besetzt wird.

Man erwartet nun im Verlauf weiterer Messungen, dass in der Häufigkeitskurve für die Energien solcher Teilchen irgendwo ein Knick auftritt. Dort würden zwei unterschiedliche Entstehungsprozesse aufeinander treffen, einerseits Positronen, die von Pulsaren ausgesandt werden, andererseits Positronen, die durch Dunkle Materie verursacht werden. Bisher hat man diesen Knick aber noch nicht gefunden. Lediglich die 14.000 überzähligen Positronen sind ein guter Hinweis auf die Existenz der Dunklen Materie.

Zweites wichtiges Forschungsziel ist die Suche nach Antimaterie im All. Beim Urknall, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, enstanden Materie und Antimaterie gleichermaßen aus Energie (E = mc²). Treffen ein Materieteilchen und sein Antiteilchen aufeinander, so wandeln sich beide wieder in Strahlungsenergie um. Heute beobachten wir aber ausschließlich Materie. Wo ist die Antimaterie hin?

Einer gängigen Theorie nach gibt es ein kleines Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie, weshalb wir heute keine Antimaterie mehr beobachten können. Um sicher zu gehen, wird bei der Auswertung der Daten von AMS 2 auch nach Antiatomen bzw. deren Kernen gesucht. Die kosmische Strahlung besteht aus Elementarteilchen wie Elektronen, Protonen oder Positronen, aber auch aus schwereren Kernen wie Helium (Alphateilchen), Kohlenstoff oder Stickstoff. Fände man einen einzigen Antikohlenstoffkern, so wäre damit der Nachweis erbracht, dass es Sterne aus Antimaterie im Universum gibt, da Kohlenstoff nicht beim Urknall entstanden sein kann, sondern in Sternen „erbrütet“ wird.

Hier gibt es vom AMS-Team allerdings eine Fehlmeldung. Bisher wurde kein einziger Antimateriekern ab Helium gefunden. Den größten Teil seiner Messkampagne hat der komplexe Detektorblock allerdings noch vor sich. In Zukunft möchte man sich auf Ereignisse mit höheren Energien, oberhalb von 250 GeV (Gigaelektronenvolt), konzentrieren. Der Messbereich der Apparatur reicht bis etwa 1.000 GeV.

Das AMS 2 ist ein Gemeinschaftsprojekt von Wissenschaftlern aus 56 Forschungsinstituten aus 16 Ländern, darunter die Bundesrepublik Deutschland, und gelangte im Mai 2011 beim letzten Flug der US-Raumfähre Endeavour (STS 134) zur Internationalen Raumstation. Hier wurde der Detektor an der großen Gitterstruktur installiert und mit Energie- sowie Datenleitungen verbunden. Seitdem liefert er täglich Daten von Millionen Teilchen, die in sein Inneres gelangen und hier ihre charakteristischen Spuren hinterlassen.

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• Alpha-Magnet-Spektrometer 2

Der Beitrag AMS-Ergebnisse vorgestellt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: Daniel Maurat

Das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) (Alpha-Magnet-Spektrometer) ist das größte Experiment der Internationalen Raumstation ISS. Es ist ein Teilchendetektor, mit dem kosmische Strahlung, Dunkle Materie und Antimaterie erforscht werden sollen.

Entwicklung und Bau

Die Geschichte des AMS begann im Jahr 1998, als die Shuttle-Mission STS 91 zum letzten Mal zur russischen Raumstation Mir flog. In der Ladebucht war neben einem Modul mit Nachschub auch der Teilchendetektor AMS 1. Man plante, ein größeres Modell, AMS 2 zur zu dem Zeitpunkt kurz vor dem Baubeginn stehenden Internationalen Raumsation ISS zu bringen. Die Entwicklung dafür wurde in Forschungsinstituten von 16 Nationen in enger Zusammenarbeit mit der NASA durchgeführt. Durch das Columbia-Unglück schien es jedoch so, dass alle Hoffnungen verloren waren, das Experiment jemals starten zu können. Die NASA strich es aus dem Flugmanifest.

Die Lage für das AMS verbesserte sich schlagartig 2009, als die NASA beschloss, eine weitere Shuttle-Mission nach der lange Zeit designierten letzten Shuttle-Mission STS 133 zu starten. Als Nutzlast war neben einer ELC-Palette mit Ersatzteilen auch das AMS geplant.

Gebaut wurde es schließlich im europäischen Teilchenlabor CERN in Genf, Schweiz. Doch es gab in der Entwicklung immer wieder Probleme und Änderungen der Konstruktion, weswegen man den Start nach hinten verschob. Im September 2010 war das AMS fertiggestellt, getestet und wurde zum Kennedy Space Center in Cape Canaveral, Florida, gebracht, wo es in der SSPF auf seinen Start weiter vorbereitet wurde.

Aufbau

Das AMS ist eigentlich ein großer Magnet mit verschiedenen Detektoren. Der Magnet ist dazu da, die zu untersuchenden elektrisch geladenen Teilchen zu den fünf Detektoren zu lenken. Zunächst hatte man einen supraleitenden Elektromagneten eingebaut, der mit flüssigem Helium auf 1,8 K (-271,4 °C) heruntergekühlt werden sollte. Dies hat zur Folge, dass der Magnet so gut wie keinen elektrischen Widerstand hat, die Funktionsdauer wäre aber vom Heliumvorrat abhängig, der nach wenigen Jahren aufgebraucht wäre. Da man aber die ISS bis über das Jahr 2020 hinaus benutzen wollte, nahm man schließlich einen „normalen“ Magneten, der die Lebensdauer des AMS auf 18 Jahre verlängern kann. Dieser generiert ein Magnetfeld von 0,86 Tesla. Zum Vergleich: das Erdmagnetfeld ist in Deutschland nur 0,000.048 Tesla stark.

Im Inneren des ringförmigen Magneten befinden sich Silizium-Streifendetektoren, die beidseitig den Durchgang einzelner Teilchen vermessen. Als Instrumente besitzt das AMS ein Massenspektrometer, das die Teilchen ablenkt und mittels der Stärke ihrer Ablenkung berechnen kann, um welches Teilchen es sich handelt. Weitere Instrumente, welche die Teilchen analysieren, sind (von oben nach unten im AMS angeordnet) ein Übergangsstrahlungsdetektor (TRD, Bestimmung des Teilchens), ein Ring-Image-Tscherenkow-Zähler (RICH, zur Messung des Tscherenkow-Lichts) und ein elektromagnetisches Kalorimeter (ECAL, Messung der Energie eines einzelnen Teilchens). Es verfügt darüber hinaus auch über je einen GPS- und Sternsensor, um seine Lage im Raum und damit auch den Ursprung der untersuchten Teilchen zu analysieren. Da das AMS im Betrieb sehr viel Wärme produziert, verfügt es auch über eigene Radiatoren. Es wurde am 19. Mai 2011 am Gitterelement S3 der Integrated Truss Structure am Kopplungspunkt Zenit montiert.

Das Ziel des AMS-Projektes ist es, mit diesen Instrumenten nach Antimaterie zu suchen, da nach einigen Modellen beim Urknall neben normaler auch Antimaterie entstand. Je nachdem, was man für Antiteilchen nachweist, kann man sogar Sterne aus Antimaterie beweisen. Eine weitere Aufgabe wird sein, die Energiespektren von schweren Kernen bis zum Eisen zu vermessen. Dies ist notwendig, um die Ausbreitungsmechanismen geladener Teilchen in der Milchstraße zu verstehen und damit auch nach Annihilationsprodukten der Dunklen Materie zu suchen. Ein drittes Forschungsfeld konzentriert sich auf Anomalien in den Energiespektren von Positronen (Antielektronen), Antiprotonen und Photonen, was die Kaluza-Klein-Theorie vorhersagt.

Im Orbit

AMS startete im Rahmen der Shuttle-Mission STS 134 des Space Shuttles Endeavour (dem letzen Start dieses Shuttles) am 16. Mai 2011. Am 19. Mai wurde AMS mithilfe des Stationsmanipulatorarms SSRMS/Canadarm 2 zum ITS transportiert und am Gitterelement S3 montiert. Danach hat man den Messkomplex an Energieversorgung und Datenleitungen angeschlossen, womit AMS Teil der ISS wurde. Bereits nach wenigen Stunden wurden erste Messdaten empfangen.

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Ein Beitrag von rogerspinner. Quelle: KEK/NASA.

Das Team unter der Leitung von Professor Akira Yamamoto von der japanischen High Energy Accelerator Research Organization (KEK) versucht den Ursprung der kosmischen Antimaterie zu verstehen und einen Beweis für die Existenz der so genannten Hawking-Strahlung zu erbringen.

Das dazu verwendete Instrument, BESS-Polar, wurde am 13. 12. 2004 erfolgreich von der McMurdo Station in der Antarktis aus mit Hilfe eines Höhenballons gestartet. Um die Chancen zu erhöhen die gesuchte Hawking-Strahlung zu finden, hoffte das Team auf einen mindestens zehntägigen Flug, oder wenigstens eine Südpolumkreisung in einer Höhe, die über 99% der Atmosphäre liegt. Das Instrument kreiste in einer Höhe von rund 39 Kilometern um den Südpol und landete gestern, nach einem erfolgreichen Flug von acht Tagen und zwölf Stunden, wohlbehalten auf dem Ross Ice-Shelf.

BESS-Polar ist ein Projekt, an dem Wissenschaftler des japanischen KEK, der Universität Tokyo und dem japanischen Institute of Space and Astronautical Science zusammen mit der NASA und der Universität von Maryland beteiligt sind. BESS steht dabei für Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer.

Aber was genau soll BESS-Polar eigentlich finden? Der Theorie von Professor Steven R. Hawking zufolge, können Schwarze Löcher durch die nach ihm benannte Hawking-Strahlung über einen sehr langen Zeitraum hinweg Masse verlieren. Dabei geht man von einem Vakuumzustand aus, in dem ständig virtuelle Teilchenpaare aus Materie und Antimaterie entstehen und wieder verschwinden. Nun passiert es, dass durch die starke Gravitationskraft des Schwarzen Loches diese Paare getrennt werden und ein Teilchen ins Schwarze Loch fällt, während das andere Teilchen ins All entkommt. Erstreckt sich dieser Prozess über viele Milliarden Jahre, so könnte dies bis hin zum Auflösen des Schwarzen Loches führen. Dieser Vorgang sähe dabei für einen Beobachter aus, als würde das Schwarze Loch zerstrahlen oder verdampfen.

Antimaterie besteht aus Partikeln, welche grundsätzlich gleich wie Materiepartikel sind, jedoch gegenteilige Charakteristiken aufweisen. Als Beispiel: Protonen besitzen eine positive Ladung, Antiprotonen eine negative. Antiprotonen die im Weltall entstanden sind, bombardieren die Erde in Form von kosmischen Strahlen, welche aus Elementarteilchen bestehen, die sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Wenn Materie und Antimaterie kollidieren, zerstören sie sich gegenseitig, dabei entsteht reine Energie.

Die Urknalltheorie besagt, dass zu Beginn des Universums, noch vor dem “Big Bang“, gleiche Mengen von Materie und Antimaterie existiert haben müssen. Irgendwie verschob sich dann kurz vor dem eigentlichen Knall das Gleichgewicht zu Gunsten der Materie, so entstand das Universum wie wir es heute kennen. Eines der Ziele von BESS-Polar ist es, festzustellen ob es Anzeichen für Antimaterievorkommen gibt, die den Big Bang überlebt haben. Das scheinbare Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie ist ein fundamentaler Teil der Elementarteilchenphysik sowie der Astronomie.

Das Finden von Antiprotonpartikel in einer Menge und einem Energiebereich, die durch die Theorie vorausgesagt wurde, ist somit ein primäres Ziel der Mission und würde bei einer erfolgreichen Entdeckung wohl als zwingenden Beweis für Hawkings Theorie dienen.

Die nördlichen und südlichen Polarregionen sind laut Professor Yamamoto die besten Plätze um niederenergetische Antiprotonen zu finden. Das Magnetfeld der Erde schützt uns vor Antiprotonen und anderer kosmischen Strahlung aus dem Weltall. Das Magnetfeld lenkt die geladenen Teilchen dabei in Richtung der Pole ab und so ist dort die Konzentration niederenergetischer kosmischer Strahlung, die in die Atmosphäre eindringt sehr hoch.

Dies war der erste Flug von BESS-Polar. Wissenschaftler führten in der Vergangenheit bereits mit einer Vorgängerversion, die BESS hiess, eintägige Flüge im Norden Kanadas durch. Die Versuche fanden zwischen 1993 und 2002 statt. Dabei fing das Instrument Millionen von kosmischen Strahlen und einige tausend niederenergetische Antiprotonen ein.

Um bessere Analysen zu erhalten, sind nun jedoch wesentlich mehr Teilchen nötig. Es bleibt also zu hoffen, dass das laufende Projekt die gewünschten Erkenntnisse liefert und damit unser Wissen über das frühe Universum um ein weiteres Puzzlestück bereichert.

Weiterführende Websites:

Homepage des BESS-Polar-Projektes (engl.)

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