Quelle: DESY 17. September 2024.

17. September 2024 – Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen genau wissen, wie viel Masse das W-Boson hat. Mit diesem Wissen können sie überprüfen, ob ihre theoretischen Vorhersagen zutreffen, und Abweichungen von diesen Vorhersagen schnell und zuverlässig erkennen. Das CMS-Experiment am CERN hat nun die bisher genaueste Messung der Masse des W-Bosons vorgelegt. An dieser anspruchsvollen Analyse haben experimentelle und theoretische Teilchenphysiker:innen bei DESY in enger Zusammenarbeit maßgeblich mitgewirkt.

Die CMS-Kollaboration, ein großer Zusammenschluss von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, hat heute die Ergebnisse über ihre erste Massen-Messung des W-Bosons aus Proton-Proton-Kollisionsdaten aus der zweiten Laufzeit des Large Hadron Collider, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf, vorgestellt. Das W-Boson ist ein Elementarteilchen, das zusammen mit dem Z-Boson die schwache Kraft überträgt. Die schwache Kraft ist für eine Form der Radioaktivität verantwortlich und löst die Kernfusionsreaktion aus, die die Sonne zum Leuchten bringt.

Das heute präsentierte Ergebnis ist die bisher präziseste Messung der W-Masse, die am LHC durchgeführt wurde, und stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik überein. Möglich wurde das Ergebnis durch eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Faktoren, darunter die bisher präziseste Rekonstruktion der Myonen im CMS-Detektor und ein neuer theoretischer Ansatz, der bei DESY entwickelt wurde.

Im Standardmodell der Teilchenphysik, der Theorie, die alle Teilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte mit höchstmöglicher Präzision beschreibt, steht die W-Masse in engem Zusammenhang mit der Stärke der Wechselwirkung, die die elektromagnetische und die schwache Kraft vereint. Außerdem sind die Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks eng damit verbunden. Die Messung der Masse des W-Bosons mit hoher Präzision macht es daher möglich zu prüfen, ob diese Eigenschaften mit dem Standardmodell übereinstimmen oder nicht. Ist dies nicht der Fall, könnte die Ursache in neuen physikalischen Phänomenen wie neuen Teilchen oder unbekannten Wechselwirkungen liegen.

Das W-Boson wurde im Jahr 1983 am CERN entdeckt, allerdings war es schon immer eine besondere Herausforderung, seine Masse zu messen. Seit seiner Entdeckung haben mehrere Collider-Experimente am CERN und anderswo immer präzisere Massenmessungen durchgeführt. Das CMS-Experiment hat nun mit seiner ersten solchen Messung einen wichtigen Beitrag zu diesen globalen Bemühungen geleistet. Das Ergebnis, 80360,2 MeV mit einer Unsicherheit von 9,9 MeV, hat eine Genauigkeit, die mit der einer Messung des CDF-Experiments am Fermilab in den USA vergleichbar ist, und stimmt mit allen früheren Messungen außer dem CDF-Ergebnis überein.

„Diese Analyse ist der erste Versuch, die W-Masse unter den anspruchsvollen Kollisionsbedingungen der zweiten LHC-Laufzeit zu messen. Die harte Arbeit des Teams hat zu einer äußerst präzisen Messung der W-Masse und der genauesten Messung am LHC geführt“, sagt CMS-Sprecherin Patricia McBride. „Dies ist eine der komplexesten Analysen, die ich bei CMS je gesehen habe“, fügt die DESY-Wissenschaftlerin Katerina Lipka, Leiterin der Helmholtz-W2/W3-Gruppe „Standard Model at Ultimate Precision“, hinzu. Simone Amoroso und Federico Vazzoler, Wissenschaftler in dieser Gruppe, waren für die Modellierung der Beziehung zwischen dem Impuls des W-Bosons und dem Myon, in das es zerfällt, verantwortlich. Dabei haben sie eng mit dem DESY-Theoretiker Frank Tackmann zusammengearbeitet.

Die am LHC erzeugten W-Bosonen zerfallen fast sofort in ein Myon und ein Neutrino. Myonen werden vom CMS-Detektor nachgewiesen, aber die Neutrinos sind für den Detektor unsichtbar. Das macht diese Messung so kompliziert. Könnten sowohl Myonen als auch Neutrinos nachgewiesen werden, ließe sich die Masse des W-Bosons direkt aus der Energie und der Flugrichtung der Teilchen bestimmen, wie es beispielsweise beim Higgs-Boson der Fall ist. Um diese Herausforderung zu meistern, untersuchen die Forschenden den Impuls des Myons und leiten daraus den Wert der Masse des W-Bosons mit sehr hoher Genauigkeit ab.

Die endgültige Genauigkeit der Messung hängt von zwei Faktoren ab: Erstens vom speziellen Hochleistungs-Algorithmus des CMS-Detektors zur Rekonstruktion der Kinematik des Myons. Wenn die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kinematik der Myonen kennen, die aus den Zerfällen von W-Bosonen hervorgehen, können sie Rückschlüsse auf die Kinematik des W-Bosons ziehen, was wiederum mehr über dessen Masse aussagt.

Zweitens nutzten die Forschungsteams die neuesten und besten Erkenntnisse aus Theorie und experimentellen Techniken. Die Standardmethode zur Messung der W-Masse bestand bisher darin, extrem präzise Messungen des Z-Bosons als eine Art Kontrollkanal zu verwenden, um die Kinematik des W-Bosons genau vorherzusagen. Der Theoretiker Frank Tackmann und sein im Rahmen des ERC-Konsolidierungsprogramms gefördertes Team haben eine Methode entwickelt, die die CMS-Messung (und möglicherweise auch alle künftigen Messungen) unabhängig vom Z-Boson macht. „Das Problem war immer, das Z mit dem W genau in Beziehung zu setzen“, sagt Tackmann. Die neue Methode beruht auf der gleichzeitigen Anwendung von zehn verschiedenen Theorieparametern und liefert robuste und parametrisierte theoretische Unsicherheiten, die für die korrekte Interpretation der Daten entscheidend sind. „Die Durchführung dieser hochmodernen theoretischen Berechnungen und die Zusammenstellung aller Teile war eine große Aufgabe“, fügt Simone Amoroso hinzu.

„Dieses neue CMS-Ergebnis, das mit den Vorhersagen des Standardmodells punktgenau übereinstimmt, ist nicht nur ein weiterer Beweis für die Robustheit des Standardmodells“, sagt Tackmann. „Es erhöht auch unsere Gesamtempfindlichkeit für Physik, die möglicherweise jenseits des Standardmodells liegt.“

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. 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.

Pressemeldung vom CERN (auf englisch)
https://home.cern/cms-experiment-cern-weighs-w-boson-mass/

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• Large Hadron Collider
• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 2. August 2024.

2. August 2024 – Der Startschuss für die Installation der FAIR-Beschleunigermaschine ist gefallen. Die hoch präzisen Montagearbeiten in den Gebäuden der internationalen Beschleunigeranlage FAIR in Darmstadt haben begonnen: Die ersten tonnenschweren Magnete wurden erfolgreich in dem ringförmigen Tunnel, 17 Meter unter der Erde, positioniert. Dies markiert einen entscheidenden Fortschritt in der Realisierung des hochmodernen Beschleunigers, der Ionen aller Elemente bis auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen wird. Die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) wird am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in internationaler Zusammenarbeit errichtet.

FAIR ist eines der größten Bauvorhaben und eine der innovativsten Hightech-Anlagen für die Forschung weltweit. Von der FAIR-Spitzenforschung sind bahnbrechende neue Erkenntnisse über die Materie und das Universum zu erwarten. Wissenschaftler*innen aus aller Welt werden an FAIR eine Vielzahl von neuartigen Experimenten durchführen, von der Astrophysik bis zur Krebsforschung.

Die Gebäude für die aktuelle Ausbaustufe von FAIR sind fertiggestellt und die Installation der technischen Gebäudeausrüstung ist weit fortgeschritten. In den kommenden Jahren werden mehrere Tausend Hightech-Komponenten der FAIR Beschleuniger- und Experimentieranlagen installiert. Die nun installierten ersten Komponenten sind supraleitende Magnete mit einem Gewicht von jeweils rund drei Tonnen. Davon werden insgesamt 108 Stück installiert. Sie werden Teil des 1,1 km langen Ringbeschleunigers SIS100, mit dem Ionen aller Elemente auf bis zu 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können. Die Aufgabe der Magnete ist es, die Teilchen im Ringbeschleuniger zu lenken und in der Kreisbahn auf Kurs zu halten.

„Mit dem Einbau der ersten supraleitenden Hightech-Magnete starten wir die Installation der FAIR-Beschleunigermaschine, auf die wir seit Jahren konsequent und mit größtem Engagement hingearbeitet haben“, so Jörg Blaurock, Technischer Geschäftsführer von GSI und FAIR. „Alle weltweit gefertigten High-Tech-Komponenten, die jetzt zum Einbau bereitstehen, wurden vorher in aufwändigen Verfahren entwickelt und getestet. Dieser Erfolg ist das Ergebnis akribischer Planung und des enormen Einsatzes aller Beteiligten. Ich bin stolz auf die hervorragende Zusammenarbeit unserer Mitarbeitenden, der Kooperationspartner aus Forschung und Industrie sowie der vielen Planer und Unterstützer und natürlich unserer Gesellschafter, die diesen Übergang in die nächste Realisierungs-Phase von FAIR ermöglicht haben.“ (GSI)

Über FAIR
Zurzeit wird in Darmstadt das neue internationale Beschleunigerzentrum FAIR, eines der größten und komplexesten Bauvorhaben für die internationale Spitzenforschung, errichtet. Auf rund 20 Hektar entstehen einzigartige Gebäudestrukturen, um neu entwickelte Hochtechnologie-Gerätschaften für die Forschung zu beherbergen und zu betreiben. Für das multinationale, hochkomplexe Mega-Bauprojekt wurde eine integrierte Bauablaufplanung entwickelt, in der Hoch-, Tief- und Ingenieurbau, Beschleunigerentwicklung und -bau, sowie die wissenschaftlichen Experimente eng aufeinander abgestimmt sind. Mit FAIR wird Materie im Labor erzeugt und erforscht werden, wie sie sonst nur im Universum vorkommt. Forschende aus aller Welt erwarten neue Einblicke in den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Universums, vom Urknall bis heute.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: TU Berlin 4. Juli 2024.

4. Juli 2024 – Bürgerwissenschaftler*innen können Mikrometeorite auf ihren Hausdächern sammeln und mit einiger Übung in einem Lichtmikroskop identifizieren. Die erfahrensten von ihnen haben nun zusammen mit einem Forscher*innen-Team von der TU Berlin und dem Museum für Naturkunde in Berlin sowie weiteren internationalen Wissenschaftler*innen die Entstehungsorte von zwei Mikrometeoriten im Sonnensystem mit hoher Wahrscheinlichkeit aufklären können. Beide befanden sich in Staub, der auf dem Dach des Eugene-Paul-Wigner-Physikgebäudes der TU Berlin eingesammelt wurde. Erstmalig zum Einsatz kam bei dieser Studie eine Computersimulation, die eine Vielzahl von möglichen Umlaufbahnen, Partikeleigenschaften und den Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Mikrometeorite berücksichtigt. Die Daten aus dieser Computersimulation wurden dann mit Messungen der Mikrometeorite im Teilchenbeschleuniger VERA der Universität Wien verglichen, um ihren Ursprungsort zu ermitteln.

Scott Peterson ist Veteran der US-Army, studiert Chemietechnik in Minneapolis und kümmert sich gleichzeitig als Hausmann um seinen Sohn. Außerdem ist er einer der versiertesten Sammler von Mikrometeoriten weltweit. Diese Community wächst ständig, seit der norwegische Jazzmusiker und Bürgerwissenschaftler Jon Larsen 2015 zusammen mit dem Imperial College in London erstmalig nachweisen konnte, dass Mikrometeorite nicht nur in entlegenen Gegenden wie dem Grund der Ozeane oder dem Eis der Antarktis vorkommen, sondern auch auf unseren Hausdächern.

Bürgerwissenschaftler identifiziert Mikrometeorite
„Wir hatten Scott gebeten, einen Blick auf unsere Proben zu werfen, denn er hat einfach das beste Auge bei der Identifizierung von Mikrometeoriten unter dem Mikroskop“, erzählt Dr. Jenny Feige, die mit einem ERC-Starting-Grant des Europäischen Forschungsrates kosmischen Staub erforscht. Zunächst am Zentrum für Astronomie und Astrophysik (ZAA) der TU Berlin, heute am Museum für Naturkunde Berlin, wo auch weitere Projekte zu Mikrometeoriten zusammen mit Bürgerwissenschaftler*innen durchgeführt werden. Vor der Konsultation von Scott Peterson waren Forscher*innen der TU Berlin auf das Dach des dortigen Physikgebäudes mit der Teleskopkuppel gestiegen, hatten die Ablagerungen aus den Ecken zusammengefegt und eingesammelt. „Das ganze wird aufgeschwemmt in Wasser, um kleinste Blätter und ähnliches loszuwerden. Danach heizen wir das Sediment auf 600 Grad auf, um Mikroben und anderes organisches Material restlos zu zerstören. Anschließend wird das Material noch gesiebt, dann geht die Suche nach den Mikrometeoriten los“, sagt Feige.

Von Nasen und Schildkrötenpanzern
In der Probe befanden sich unzählige 100 bis 500 Mikrometer große Kügelchen, von denen die allermeisten im Sprachgebrauch der Forscher*innen eine „anthropogene Kontamination“ darstellten – sprich aus menschengemachten Quellen stammen wie Schweißarbeiten, Feuerwerk oder einfach Metallabrieb vom Straßenverkehr. In der allerletzten Teilprobe fand Scott Peterson dann tatsächlich zwei Mikrometeorite, die durch charakteristische Strukturen jeweils einer bestimmten Klasse zugeordnet werden konnten. Diese Strukturen entstehen, wenn kosmische Staubpartikel in die Erdatmosphäre rasen und durch die Reibung an den Luftteilchen abgebremst und stark erhitzt werden, bis sie schmelzen. Nachdem sie dabei durchschnittlich 90 Prozent ihrer Masse verloren haben, kristallisiert der Rest beim Abkühlen je nach Eintrittswinkel und Geschwindigkeit in der Atmosphäre, Beschaffenheit und Umgebungsbedingungen unterschiedlich aus.

So besitzt der eine Mikrometeorit durch bestimmte Kristallisationsprozesse ein Muster, das einem Schildkrötenpanzer ähnlich ist. Beim anderen hatten sich in der Phase des Aufschmelzens die Elemente Nickel und Eisen vom Rest getrennt und sind dann beim Abkühlen zu einem extra Kügelchen am Mikrometeorit erstarrt. „Aus dieser ‚Nase‘ kann man sogar schließen, wie er in die Atmosphäre eingedrungen ist, nämlich mit dem Kügelchen voran“, erzählt Feige.

Mikrometeorite können über die Bedingungen im Sonnensystems erzählen
„Es ist immer noch eine große Herausforderung für die Wissenschaft, etwas über den Entstehungsort der auf der Erde gefundenen Mikrometeorite herauszubekommen“, sagt Dr. Beate Patzer, theoretische Astrophysikerin am ZAA der TU Berlin. „Dies wäre aber sehr wünschenswert, denn Mikrometeorite können aus sehr unterschiedlichen Bereichen unseres Sonnensystems mit sehr verschiedenen Bedingungen stammen. Ungefähr 100 Tonnen überwiegend interplanetaren Staubes fängt die Erde pro Tag ein. Mikrometeorite sind damit wesentlich häufiger als größere Meteorite, wir könnten also aus ihnen viel mehr Daten generieren und eine Menge über unser Sonnensystem lernen.“

Flugzeit bis zur Erde
Eine Methode zur Bestimmung der Herkunft eines Mikrometeoriten ist die Analyse von langlebigen, radioaktiven Isotopen, die sich auf seinem Weg im Weltall durch Bestrahlung mit der im Kosmos allgegenwärtigen kosmischen Strahlung gebildet haben. „Anhand des Verhältnisses von unterschiedlichen Isotopen mit verschiedenen Halbwertszeiten und einem physikalischen Modell, das die Bildung dieser Isotope beschreibt, kann man auf die Flugzeit der extraterrestrischen Staubteilchen bis zur Erde schließen – und damit auf ihren Herkunftsort im Sonnensystem“, so Patzer.

Erstmals Computersimulation zur Analyse
„Erstmalig haben wir für diese Analyse eine aufwendige Computersimulation erstellt, die mögliche Umlaufbahnen der interplanetaren Staubteilchen, die Größe der Staubkörner, ihre Zusammensetzung und Dichte, Strahlungsprofile der Sonne und der kosmischen Strahlung aus dem interstellaren Raum, Verdampfungsraten während des Eintritts in die Erdatmosphäre und noch eine Vielzahl anderer Parameter berücksichtigt“, sagt Jenny Feige. Fokussiert haben sich die Forscher*innen dabei auf die radioaktiven Isotope Aluminium-26 und Beryllium-10.

Um die sehr geringen Mengen der Isotope in den winzigen Mikrometeoriten messen zu können, hat das Forschungsteam mit der Teilchenbeschleuniger-Anlage VERA in Wien zusammengearbeitet. Bei der dort durchgeführten „Beschleunigermassenspektrometrie“ werden die chemischen Elemente nicht nur nach ihrer Masse, sondern auch nach der Anzahl der Protonen im Kern sortiert – was erst eine eindeutige Identifizierung der Isotope ermöglicht.

Schildkröte vom Rand des Sonnensystems
Die Konzentrationen von Aluminium-26 und Berylllium-10 in den Mikrometeoriten wurden dann mit den Ergebnissen der Computersimulation verglichen, die die Anreicherung dieser Radioisotope in den Mikrometeoriten je nach Flugzeit und damit Herkunftsort im All vorhersagt. Dabei blieb der Ursprung von sechs an anderen Orten gesammelten Mikrometeoriten uneindeutig; sechs weitere Mikrometeorite konnten aber mit großer Wahrscheinlichkeit einem Ursprungsort zugeordnet werden, darunter die beiden auf dem Dach der TU Berlin gefundenen: Der Mikrometeorit mit dem Schildkrötenmuster entstammt dem äußeren Sonnensystem und könnte sich aus Kometen, die am Jupiter vorbeiziehen, oder Gesteinsmaterial im Kuipergürtel abgetrennt haben – in einer Entfernung so groß wie etwa 40-mal der Abstand Erde zu Sonne. Der Mikrometeorit mit der „Nase“ stammt dagegen aus dem inneren Sonnensystem, von erdnahen Objekten oder solchen bis hin zum Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter.

„Mit diesem Ergebnis konnten wir die grundsätzliche Eignung unserer Methode zeigen“, sagt Jenny Feige. Sie werde es in Zukunft ermöglichen, noch mehr über den Kosmos mit Hilfe der Mikrometeoriten zu lernen. „Gerade die auf unseren Hausdächern sind dabei besonders wertvoll, denn hier kennen wir ihre Aufenthaltszeit auf der Erde sehr präzise: Sie kann nicht älter als das Dach selbst sein. Bei Funden aus der Tiefsee oder der Antarktis dagegen könnten die Mikrometeoriten auch schon Millionen Jahre dort liegen, was die Ergebnisse unsicherer macht.“

Publikation:
Transport of dust across the Solar System: Constraints on the spatial origin of individual micrometeorites from cosmic-ray exposure
doi.org/10.1098/rsta.2023.0197
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2023.0197
pdf: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.2023.0197?download=true

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall.

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Quelle: Universität Hamburg 10. Juni 2024.

10. Juni 2024 – Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Institut für Experimentalphysik (IEP) der Universität Hamburg beteiligen sich bereits seit 20 Jahren an dem sogenannten Compact-Muon-Solenoid-Experiment, kurz CMS – einem Detektor, der Teil des leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers der Welt ist, dem Large-Hadron-Collider am Europäischen Forschungszentrum CERN in der Schweiz. In dem internationalen Großprojekt geht es um die kleinsten Bausteine der Materie, die sogenannten Elementarteilchen, wie zum Beispiel das Higgs-Teilchen.

Aktuelle Forschungsvorhaben konzentrieren sich dabei auf eine mögliche Verbindung des Higgs-Teilchens mit den Prozessen des Urknalls sowie auf die Identifizierung von bisher unbekannten Teilchen der dunklen Materie, die einen Großteil der Materie im Universum ausmacht. Für diese Arbeit erhalten die Forschenden der UHH in den kommenden drei Jahren insgesamt 4,8 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Die Förderung ist Teil des Rahmenprogramms „Erforschung von Universum und Materie“. Beteiligt sind die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Erika Garutti, Prof. Dr. Peter Schleper, Prof. Dr. Johannes Haller, Prof. Dr. Konstantinos Nikolopoulos und Prof. Dr. Gregor Kasieczka, die alle Teil des Exzellenzclusters Quantum Universe sind.

Ein Teil der Mittel wird für den Betrieb des Detektors eingesetzt, zudem werden Stellen geschaffen und insbesondere der wissenschaftliche Nachwuchs soll gefördert werden. „So stellen wir sicher, dass wir die aufgezeichneten Daten in Hamburg auswerten können. Dafür sind neben Personal wegen der enormen Datenmengen auch große Rechner-Farmen notwendig“, sagt Dr. Matthias Schröder, Wissenschaftler im IEP und Experte im Bereich der Higgs-Physik. Mit den bewilligten Mitteln könne die dafür in Hamburg aufgebaute Infrastruktur auch in den kommenden drei Jahren effektiv betrieben werden, ergänzt Dr. Hartmut Stadie, verantwortlicher Wissenschaftler für den Bereich Computing im IEP.

Gleichzeitig geht der Blick der Hamburger Gruppen aber auch in die Zukunft: Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Karlsruher Instituts für Technologie, der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen und des Hamburger Helmholtz-Zentrums DESY werden sie den CMS-Detektor auf die Zeit ab 2029 vorbereiten.

In fünf Jahren soll die Leistungsfähigkeit des gesamten Beschleuniger-Komplexes noch einmal erheblich gesteigert werden, was die Anforderungen an den Detektor verändert. „In Hamburg haben wir uns seit Jahren auf diesen Umbau vorbereitet und neue Detektor-Konzepte entwickelt, die den neuen Bedingungen standhalten können. Die notwendigen Mittel zum Bau dieser Detektoren stehen uns nun zur Verfügung“, so Dr. Georg Steinbrück, leitender Wissenschaftler im Bereich Detektorentwicklung im IEP.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 16. April 2024.

16. April 2024 – Die Europäische Organisation für Kernforschung CERN in Genf hat bekannt gegeben, auf der Suche nach bislang unbekannten Elementarteilchen ein neues Experiment namens SHiP (Search for Hidden Particles) durchführen zu wollen. Die Generaldirektorin des CERN, Fabiola Gianotti, betonte bei der Verkündung der neuen Pläne die Bedeutung dieses Vorhabens für das Verständnis des Universums.

„Die Welt der Elementarteilchen und das Verständnis des Kosmos stehen in einem untrennbaren Zusammenhang“, unterstreicht Prof. Heiko Lacker von der Humboldt- Universität zu Berlin, der Gründungsmitglied des SHiP-Experiments und zugleich langjähriger Sprecher der sechs Forschungsgruppen in Deutschland ist, die zur SHiP-Collaboration gehören. Mit dem SHiP-Experiment streben die Forscherinnen und Forscher Antworten auf grundlegende Fragen sowohl im Mikro- als auch im Makrokosmos an.

„Unser Verständnis der Welt in ihren kleinsten Bestandteilen ist noch immer lückenhaft“, erklärt Prof. Caren Hagner von der Universität Hamburg. „Viele Modelle zur vollständigen Beschreibung des Universums sagen die Existenz neuer Teilchen voraus, die bislang unserer Entdeckung entgangen sind. Es ist an der Zeit, sie zu finden.“

Spezieller Teilchendetektor
Ein herausragendes Merkmal des SHiP-Experiments liegt darin, dass der gesamte Teilchenstrahl, der zuvor durch einen Teilchenbeschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht wurde, auf ein massives Zielobjekt gerichtet wird. Dadurch wird eine signifikante Anzahl neuer Teilchen erzeugt. Dieser alternative Ansatz ermöglicht eine höhere Anzahl von Teilchenreaktionen, was wiederum sehr seltene Prozesse zugänglich macht.

Ein Schlüsselelement ist der Surrounding Background Tagger, ein riesiger Teilchendetektor, der dazu dient, unerwünschte Untergrundereignisse im SHiP-Experiment zu identifizieren. Dieser Detektor, der die Außenfläche von SHiP abdeckt, wurde von deutschen Forschungsgruppen vorgeschlagen und entwickelt.

„Unser Ziel ist es, mit dem SHiP-Experiment das weltweit empfindlichste Instrument seiner Art zu schaffen“, erklärt Prof. Michael Wurm von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. (JGU). „Durch innovative Technologien und sorgfältige Planung sind wir zuversichtlich, dass SHiP ein enormes Entdeckungspotential birgt.“

Der ambitionierte Zeitplan sieht vor, dass das Experiment bis 2027 im Detail geplant wird, gefolgt von der Konstruktion und dem Aufbau. Im Jahr 2031 sollen dann erste Daten bei dem Experiment aufgezeichnet werden.

„Die deutschen Forscherinnen und Forscher sind stolz darauf, Teil dieses wegweisenden Experiments zu sein“, hebt Prof. Marc Schumann von der Universität Freiburg hervor. „Die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Universitäten und nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen zeigt das enorme Potenzial, das in der deutschen Wissenschaft steckt.“

Aufgrund ihrer umfangreichen Vorarbeiten für das Experiment befinden sich die deutschen Forscherinnen und Forscher an der Humboldt-Universität zu Berlin, der JGU, der Universitäten Freiburg, Hamburg und Siegen sowie am Forschungszentrum Jülich in einer idealen Ausgangsposition, um eine tragende Rolle bei der Realisierung dieses zukunftsweisenden Projekts zu übernehmen.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 1. November 2023 – mit freundlicher Genehmigung.

1. November 2023 – Die Anträge vereinen die Kompetenzen und zukunftsweisenden Ideen der Goethe-Universität mit denen der Kolleg:innen des Verbunds der Rhein-Main-Universitäten (RMU) und weiterer Partner der vier großen Organisationen der außeruniversitären Forschung. Der seit 2019 bestehende Exzellenzcluster Cardiopulmonary Institute (CPI) wird im kommenden Jahr direkt einen Vollantrag einreichen.

Wie Wissenschaftskommunikation über ein Mitmachobjekt funktionieren kann
Wer bei einer gemeinsamen Aufzugfahrt eine Wissenschaftlerin oder einen Wissenschaftler des Clusterprojekts ELEMENTS fragt, woran die 100 ELEMENTS-Forschenden denn so arbeiten, bekommt wahrscheinlich als Antwort: „Wir wollen wissen, wo Gold herkommt.“ Das ist womöglich beim ersten Hören etwas missverständlich, denn es geht – anders als bei einem der historischen Goldrausche – nicht darum, Gold zu finden, sondern vielmehr zu verstehen, wie es entsteht. Das passiert wahrscheinlich bei großen Sternen-Crashs, sogenannten Kilonovae. Solche Crashs im Weltraum kann man von der Erde aus berechnen, beobachten und vermessen, und bestimmte Aspekte lassen sich – im Miniaturformat – auf der Erde in Teilchenbeschleunigern nachstellen. Die Physik dahinter ist sehr komplex, es geht um das Innenleben von Atomkernen und um extrem verdichtete Sterne, die Neutronensterne. Und es geht nicht nur um Gold, sondern um alle schweren Elemente, also auch um Blei, Silber, Platin und Uran zum Beispiel.

Herausforderndes Spezialthema
Auf Laien mag dies gleichermaßen faszinierend wie auch abschreckend wirken, kennen doch viele Physik nur aus der Schule und vielleicht aus Fernsehdokumentationen im Spätprogramm, in die man zufällig hineingezappt hat. „Die meisten Menschen haben schon einmal etwas von Atomen und Elementen gehört, und der ein oder andere mag sich an den Merkspruch zu den Planeten in unserem Sonnensystem ‚Mein Vater erklärt mir jeden Samstag unseren Nachthimmel‘ erinnern“, sagt Phyllis Mania, die seit Anfang 2022 für die Wissenschaftskommunikation des Clusterprojekts verantwortlich ist. „Aber mit Neutronensternen oder Zerfallsketten können nur wenige etwas anfangen.“ Darin liege die Herausforderung in der Wissenschaftskommunikation von ELEMENTS, meint Mania, denn selbst studierte Physikerinnen und Physiker würden bei einigen Spezialthemen nicht mehr mitkommen. „Für die Kommunikation ist das eine Herausforderung, aber auch eine große Chance, denn der Spieß lässt sich auch umdrehen: Da die Leute nicht das Gefühl haben, schon etwas wissen zu müssen, gehen sie oft sehr offen und neugierig an unsere Themen heran.“

Um einen Weg zu finden, mit den Menschen ins Gespräch zu kommen, haben Mania und der ELEMENTS-Sprecher Luciano Rezzolla ein Ausstellungsstück zum Anfassen entwickelt, das Modell eines Neutronensterns. Der Stern hat einen halben Meter Durchmesser und ist angeschnitten, damit man die inneren Schichten erkennen kann, und die Schichten lassen sich auch einzeln abnehmen. Im Weltall ist ein solcher Neutronenstern ein ungeheuer dichtes Objekt, in dem die Massen einer bis zwei Sonnen in einer Kugel mit dem Durchmesser etwa von Frankfurt am Main zusammengepresst sind. Ein Würfelzucker dieser Materie wöge auf der Erde so viel wie der ganze Mount Everest, und wenn zwei dieser Neutronensterne zusammenprallen, wird so viel Energie frei, dass sich schwere Elemente wie eben Gold bilden können.

Begreifbare Physik
Erstmals wurde das Neutronenstern-Modell auf der Frankfurter „Night of Science“ 2023 einer breiten Öffentlichkeit gezeigt, und mit der Frage „Haben Sie schon einmal einen Neutronenstern berührt?“ ließen sich Passanten – zum Beispiel ein Vater mit seinem kleinen Sohn, zwei Oberstufenschüler, eine Gruppe Studentinnen oder ein Rentnerehepaar – anlocken und ermuntern, Fragen zu stellen. „Als Hands-on-Objekt schafft es unser Neutronenstern, die sehr abstrakte Physik, die dahintersteckt, im Wortsinne begreifbar zu machen“, weiß Rezzolla. „Unser Neutronenstern ist ‚Hingucker‘ und Gesprächsanlass, und immer wieder entwickeln sich sehr spannende Gespräche – in denen wir, besonders von Kindern, manchmal Fragen gestellt bekommen, die uns Fachfrau oder Fachmann richtig fordern.“

Inzwischen hat der Neutronenstern weitere „Auftritte“ absolviert und war beim Tag der offenen Tür am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt zu sehen, wurde in Hofheim in die Roadshow „Universe on Tour“ des Bundesforschungsministeriums integriert und bereicherte die Mitmachausstellung des Wissenschaftsfestivals „Highlights der Physik“ in Kiel. Begleitet wurde der Stern von Mania und – nach ­Möglichkeit – von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Clusters.

Mit dem Neutronenstern hat ELEMENTS noch viel vor: Eine erste Online-Version, bislang nur auf Deutsch und Englisch, ist schon auf der Cluster-Website zu sehen. „Live“ soll der Neutronenstern künftig auch in Schulen zu Besuch sein, vornehmlich an Orten, die keine Universität in der Nähe haben. „Wir haben dabei besonders die Nachwuchsförderung im Blick“, erklärt Rezzolla. „Unser Ziel: Wir möchten junge Menschen – besonders Mädchen – mit unserer Begeisterung für Physik anstecken und vielleicht den einen oder anderen später zu einem Studium der Physik oder der Naturwissenschaften motivieren.“

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 11. Oktober 2023.

11. Oktober 2023 – Die nukleare Astrophysik untersucht die Entstehung der Elemente im Universum seit Anbeginn der Zeit. Ihre Modelle verwenden Parameter, die die Forschenden aus Messdaten gewinnen. Eine wichtige Rolle spielen dabei Kernreaktionen, die im Inneren der Sterne ablaufen. Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun gemeinsam mit Forschenden aus Italien, Ungarn und Schottland am Dresdner Felsenkeller- Beschleuniger erneut eine der zentralen Reaktionen untersucht – mit einem überraschenden Ergebnis, wie sie im Fachmagazin Physical Review C (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801) berichten.

„Wir haben eine altbekannte Kernreaktion unter die Lupe genommen, die für die Elemententstehung in massereichen Sternen bedeutsam und darüber hinaus eine der frühesten ist, die im Labor mit Beschleunigern untersucht wurde: Die Kollision eines Wasserstoffkerns mit einem Kohlenstoffkern, in deren Folge das Isotop Stickstoff-13 entsteht und Gammastrahlung freigesetzt wird. Sie ist der erste Schritt des sogenannten CNO-Zyklus, auch als Bethe-Weizsäcker-Zyklus bekannt. Wir waren vor allem am Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion interessiert, der Auskunft über die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens gibt“, sagt Prof. Daniel Bemmerer vom HZDR-Institut für Strahlenphysik.

Diesen Parameter hat ein Team aus italienischen, ungarischen, schottischen und deutschen Wissenschaftler*innen im Untertagelabor Felsenkeller nun mit bisher beispielloser Präzision bestimmt. Das überraschende Ergebnis: der bisher akzeptierte Wert muss um rund 25 Prozent nach unten korrigiert werden. Das Ergebnis legt nahe, dass das Einbrennen des CNO-Zyklus länger gedauert hat als bisher gedacht und die Emission solarer 13N-Neutrinos im Mittel näher am Zentrum der Sonne stattfindet als vermutet. Die neuen Daten erlauben zudem genauere theoretische Vorhersagen für das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope 12C/13C in Sternen, die wiederum helfen, Modelle für die Vorgänge in deren Innerem zu überprüfen und zu verbessern.

Die Sonne ins Labor holen – en miniature
Sterne beziehen ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium. In Abhängigkeit der Masse des Himmelskörpers sind dafür unterschiedliche Prozesse bekannt. So läuft in massearmen Sternen wie unserer Sonne vor allem die sogenannte Proton-Proton-Kette ab. In massereichen Sternen pressen die starken Gravitationskräfte die Wasserstoffkerne jedoch so sehr zusammen, dass hier deutlich höhere Temperaturen herrschen. Dadurch können die Wasserstoffkerne zusätzlich mit Kohlenstoffkernen reagieren. Obwohl diese keine zwei Prozent der interstellaren Materie ausmachen, aus der Sterne entstehen, reicht diese Konzentration aus, um den CNO-Zyklus in Gang zu bringen und am Laufen zu halten. Sie wirken dabei als Katalysator: Sie beschleunigen die Reaktion, ohne jedoch selbst dabei verbraucht zu werden. Die Netto-Reaktion ist am Ende die gleiche wie beim Proton-Proton-Zyklus: die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Doch in Sternen mit CNO-Zyklus läuft diese Reaktion wesentlich schneller ab.

„Als Targets verwenden wir Scheiben aus Tantal, auf die Kohlenstoff aufgedampft ist. Darauf schießen wir Protonen, die aus unserem 5-MV-Pelletron-Beschleuniger stammen und einen relativ weiten Energiebereich überstreichen. Die bei der Reaktion entstehenden Gammaquanten können wir mit 20 empfindlichen Reinstgermanium-Detektoren nachweisen“, schildert Bemmerer das experimentelle Vorgehen.

Das gemeinsam vom HZDR und der TU Dresden betriebene Untertagelabor Felsenkeller im Plauenschen Grund ist für solche Messungen optimal. Eine 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei schützt die Detektoren vor kosmischer Strahlung, deren Hintergrundsignale die Ergebnisse verfälschen können. Die aktuelle Arbeit ist darüber hinaus ein gutes Beispiel für die innereuropäische Zusammenarbeit in der Astrophysik-Community: Ein Doktorand der Universität Padua forschte während des Experiments für sechs Monate am Felsenkeller. Die Teilnahme weiterer Messgäste aus Italien, Ungarn und Schottland wurde von der EU im Rahmen des Projekts „ChETEC-INFRA“ finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
J. Skowronski, E. Masha, D. Piatti, M. Aliotta, H. Babu, D. Bemmerer, A. Boeltzig, R. Depalo, A. Caciolli, F. Cavanna, L. Csedreki, Z. Fülöp, G. Imbriani, D. Rapagnani, S. Rümmler, K. Schmidt, R. S. Sidhu, T. Szücs, S. Turkat, A. Yadav: „Improved S factor of the 12C(p,γ)13N reaction at E=320–620 keV and the 422 keV resonance“, in Physical Review C 107, (2023) (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801)
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.107.L062801

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• Unsere Sonne

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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: Forschungszentrum Jülich 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie heute in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review X.

Etwa 80 Prozent der Materie im Universum besteht aus einem unbekannten und unsichtbaren Stoff. Postuliert wurde diese „dunkle Materie“ bereits vor etwa 90 Jahren. „Nur so ließ sich die Geschwindigkeitsverteilung der sichtbaren Materie innerhalb von Galaxien mit dem bisherigen Wissen in Einklang bringen“, erklärt Jörg Pretz, einer der Mitautoren der Studie, stellvertretender Direktor am Jülicher Institut für Kernphysik und Professor an der RWTH Aachen. „Eine ‚dunkle‘, bisher unbeobachtete Form von Materie muss die Galaxien zusätzlich stabilisieren.“

Seit den 1930er Jahren sind Physikerinnen und Physiker auf der Suche nach dieser Materie. An Theorien mangelt es der Wissenschaft nicht, doch bisher ist es noch niemandem gelungen, dunkle Materie tatsächlich nachzuweisen. „Denn ihre Natur ist noch völlig ungeklärt“, so Dr. Volker Hejny, ebenfalls vom Jülicher Institut für Kernphysik und wie sein Kollege Jörg Pretz Mitglied der internationalen JEDI-Kollaboration, die das Experiment durchgeführt hat. JEDI steht für Juelich Electric Dipole moment Investigations – die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Kollaboration arbeiten seit 2011 an der Messung elektrischer Dipolmomente geladener Teilchen. „Dunkle Materie ist nicht sichtbar, und verrät sich bisher nur indirekt durch ihre Schwerkraft. Deren Wirkung ist vergleichsweise winzig, so dass sie erst bei enorm großen Massen – wie eben ganzen Galaxien – wirklich in Erscheinung tritt.“

Theoretische Physikerinnen und Physiker haben bereits eine Reihe hypothetischer Elementarteilchen vorgeschlagen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte. Je nach den Eigenschaften dieser Teilchen ergeben sich unterschiedliche Verfahren, durch die sie möglicherweise nachgewiesen werden können – Verfahren, die ohne den sehr schwierigen Nachweis der Gravitationswirkung auskommen. Zu den Kandidaten gehören auch Axionen und axion-artige Teilchen. „Ursprünglich sollten Axionen ein Problem in der Theorie der starken Wechselwirkung der Quantenchromodynamik lösen“, erläutert Jörg Pretz. „Der Name Axion geht auf den Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek zurück und bezieht sich auf eine Waschmittelmarke: Die Existenz der Teilchen sollte sozusagen die Theorie der Physik ‚reinwaschen‘.“

Um die Axionen nachzuweisen, nutzten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der JEDI-Kollaboration die Spins von Teilchen. „Der Spin ist eine eigentümliche Eigenschaft der Quantenmechanik, durch die sich Teilchen wie kleine Stabmagnete verhalten“, erklärt Volker Hejny. „Dies wird beispielsweise in der medizinischen Bildgebung in der Kernspintomographie – auch Magnetresonanztomographie oder kurz MRT – ausgenutzt. Dabei werden die Spins von Atomkernen durch starke äußere Magnetfelder angeregt.“

Die MRT-Technik wird auch dazu verwendet, um nach Dunkler Materie zu suchen. Während sich in einem normalen MRT die Atome in Ruhe befinden, bewegen sich die Teilchen in einem Beschleuniger nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Das macht die Untersuchungen in einigen Bereichen viel empfindlicher und die Messungen genauer.

In ihrem Experiment nutzten die JEDI-Wissenschaftler eine besondere Eigenschaft des Jülicher Teilchenbeschleunigers COSY aus: die Verwendung von polarisierten Strahlen. „In einem gewöhnlichen Teilchenstrahl zeigen die Spins der Teilchen in beliebige Richtungen“, so Jörg Pretz. „Bei einem polarisierten Teilchenstrahl werden die Spins entlang einer Richtung ausgerichtet.“ Nur wenige Beschleuniger in der Welt verfügen über diese Möglichkeit.

Falls uns, wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, ein Hintergrundfeld von Axionen umgibt, dann würde dieses die Bewegung der Spins beeinflussen – und könnte letztendlich so im Experiment nachgewiesen werden. Jedoch: Der erwartete Effekt ist winzig. Noch sind die Messungen nicht genau genug. Doch auch wenn bei dem JEDI-Experiment noch keine Hinweise für dunkle Materieteilchen gefunden werden konnten, haben es die Forschenden geschafft, den möglichen Wechselwirkungs-Effekt weiter einzugrenzen. Noch bedeutender: Sie konnten eine neue und vielversprechende Methode für die Suche nach dunkler Materie etablieren.

Originalpublikation:
First Search for Axionlike Particles in a Storage Ring Using a Polarized Deuteron Beam, S. Karanth et al. (JEDI Collaboration), Phys. Rev. X 13, 031004 – Published 12 July 2023, DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031004, https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.031004, pdf: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.13.031004.

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• Dunkle Materie

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Quelle: DESY 13. Juni 2023.

13. Juni 2023 – Die Dunkle Materie ist eines der größten wissenschaftlichen Rätsel des Universums: Aus astronomischen Beobachtungen weiß man, dass sie rund 26 Prozent des gesamten Energieinhalts des Universums ausmacht und damit etwa fünfmal so häufig vorkommt wie die uns bekannte „normale“ Materie. Bisher entzog sich dieser geheimnisvolle Stoff aber jedem direkten Nachweis, da er nur extrem schwach mit der uns umgebenden normalen Materie wechselwirkt.

Um mehr Licht in diesen dunklen Teil des Universums zu bringen, hat das CNRS zusammen mit DESY, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und dem Karlsruher Institut für Technologie das DMLab gegründet. Ziel ist es, die Zusammenarbeit zwischen den beiden Ländern zu stärken und das Potenzial für Entdeckungen zu fördern. „Wir wollen das teilweise komplementäre Fachwissen und die unterschiedlichen Infrastrukturen der deutschen und der französischen Seite zusammenbringen, um Themen von gemeinsamem Interesse nachhaltig voranzubringen und so auch international größere Sichtbarkeit zu erlangen“, sagt DESY-Forscher Thomas Schörner, deutscher Direktor des Dark Matter Labs. Die Hebelwirkung des IRL wird auch Finanzierungsanträge der IRL-Teams bei den nationalen französischen und deutschen Fördereinrichtungen unterstützen.

Zu den wissenschaftlichen Themengebieten des DMLab gehören unterschiedlichste Aspekte der Suche nach Dunkler Materie: direkte Suchen nach Teilchen der Dunklen Materie, die Entwicklung innovativer Detektor- und Beschleunigertechnologien sowie das theoretische Studium von Dunkler Materie. Aber auch die Astroteilchenphysik mit ihrem Multimessenger-Ansatz, der Gravitationswellen mit einbezieht, und das wissenschaftliche Computing mit Themen wie künstlicher Intelligenz und Datenmanagement zählen zu den Tätigkeiten.

Ein gemeinsames Projekt, in dem sich das DMLab engagieren wird, ist das Experiment MADMAX (Magnetized Disc and Mirror Axion Experiment). Die internationale MADMAX-Kollaboration hat sich 2017 bei DESY gegründet und will sich auf die Suche nach Axionen machen, hypothetischen, ultraleichten Teilchen, die Bausteine der Dunklen Materie sein könnten. Die Idee ist, dass sich diese Axionen an Grenzflächen verschiedener Materialien in einem sehr starken Magnetfeld bemerkbar machen könnten.

Das DMLab wird für zunächst fünf Jahre ins Leben gerufen. Organisatorisch ist es eine Einrichtung des französischen IN2P3 (Institut National de Physique Nucleaire et de Physique des Particules) im CNRS, das in Deutschland einen weiteren Standort erhält. Zehn der bereits bestehenden und in ganz Frankreich verteilten IN2P3-Standorte sind an DMLab beteiligt. Das Labor wird französischen Wissenschaftler:innen ermöglichen, längere Forschungsaufenthalte von mindestens einem Jahr in Deutschland zu verbringen. Mit Hilfe der auch von DESY, GSI und KIT zugesagten Förderung wird ein reger Austausch in beide Richtungen erwartet, der sich produktiv auf alle Projekte im DMLab auswirken wird.

„Vor 40 Jahren hat die bilaterale Zusammenarbeit zwischen IN2P3 und DESY mit dem gemeinsamen Experiment Cello am PETRA-Ring begonnen“, resümiert Dirk Zerwas, französischer Direktor des DMLab. „Das Dark Matter Lab ist eine einzigartige Möglichkeit, die Zusammenarbeit zwischen CNRS-IN2P3 und den Helmholtz-Forschungszentren weiter zu vertiefen.“

Über das DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. 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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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: DESY 31. Mai 2023.

31. Mai 2023 – Hamburgs Wissenschaftssenatorin Katharina Fegebank, DESY-Direktor Helmut Dosch und weitere Ehrengäste haben heute den Grundstein für DESYs neues Besuchszentrum DESYUM gelegt. Das sechsstöckige Gebäude soll neben einem großen Atrium, einer Cafeteria und Büros auch eine multimediale Ausstellung beherbergen, die DESY, seine Forschung und Innovationen lebendig und allgemeinverständlich vermittelt. Als öffentliche Begegnungsstätte und Treffpunkt für alle soll das DESYUM das neue Wahrzeichen für den Campus werden. Die Eröffnung ist für 2025 geplant.

„Forschung ist ein wichtiger Teil der Gesellschaft, ein integraler Teil unserer Kultur“, sagt Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums. „DESY sucht daher traditionell den engen Austausch mit der Öffentlichkeit und so laden wir regelmäßig zu Veranstaltungen und Führungen auf unseren international geprägten DESY-Campus ein. Mit dem DESYUM und einer faszinierenden, interaktiven Wissenschaftsausstellung für alle, die sich über zwei Etagen erstreckt, schaffen wir eine neue Dialogplattform und einen neuen Anlaufpunkt für alle, die sich für Wissenschaft interessieren: Das DESYUM wird DESYs Schaufenster zu Welt.“

Hamburgs Wissenschaftssenatorin Katharina Fegebank sagt: „Das DESYUM wird die zentrale Anlaufstelle für Besucherinnen und Besucher sowie Gastforschende aus aller Welt. Es bereichert die rund um DESY entstehende Science City Hamburg Bahrenfeld nicht nur mit einem multimedialen Ausstellungshaus, sondern es wird auch der Treffpunkt für den offenen Dialog zwischen Wissenschaft und Zivilgesellschaft. Das DESYUM ist damit nicht nur eine herausragende Visitenkarte für DESY, sondern für die gesamte Science City Hamburg Bahrenfeld.“

Mit seiner zentralen Lage auf dem Campus, der prägenden Gestaltung und der dauerhaften Wissenschaftsausstellung soll das DESYUM Anziehungspunkt für die Öffentlichkeit und zu einer festen Größe unter den Hamburger Attraktionen werden.

Im DESYUM findet sich künftig auch der Welcome Service, das Servicezentrum für die vielen Tausend Gastwissenschaftler:innen, die DESY jährlich begrüßt. Außerdem arbeiten von dort die Abteilungen Presse und Kommunikation (PR) und Innovation und Technologietransfer (ITT).

Auf seinen sechs Etagen (einschließlich Untergeschoss) wird das DESYUM 3250 Quadratmeter Nutzfläche bieten. Der Entwurf stammt vom Architekturbüro HPP Architekten aus Hamburg. Die streifenförmige Fassade aus eloxiertem Aluminium ist inspiriert von hochpräzisen Spurdetektoren, mit denen schnelle Teilchen vermessen werden können. Schwünge und Kreise im Grundriss, auf der Dachterrasse und auch in der Fassade entstanden in Anlehnung an DESYs Teilchenbeschleuniger.

Gebaut wird das Gebäude nach dem BNB-Nachhaltigkeitsstandard Silber. Für die Fassade wird beispielsweise verschraubtes recyceltes und recycelbares Aluminium verwendet. Durch eine spezielle Bauweise werden 30 Prozent Beton am Tragwerk eingespart. Das energieeffiziente Gebäude wird an das DESY-Nahwärmenetz angeschlossen und direkt mit Abwärme aus DESYs Teilchenbeschleunigern geheizt. Durch ein biodiverses Gründach mit Regen-Speicherfähigkeit wird zumindest ein Teil der durchs Gebäude belegten Fläche hochwertig kompensiert.

Inklusive der ersten Ausstellungsausstattung kostet das DESYUM rund 28,7 Millionen Euro. Finanziert wird es zu 90 Prozent durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und zu 10 Prozent von der Stadt Hamburg.

Das DESYUM in Kürze:

• 3250 Quadratmeter Nutzfläche auf 6 Etagen (inklusive Untergeschoss)
• Baukosten inklusive Erstausstellung: 28,7 Mio. Euro (Stand April 2023)
• Das Gebäude wird zu 90 Prozent durch das Bundesforschungsministerium BMBF finanziert, zu 10 Prozent vom Land Hamburg
• Bauliche Fertigstellung: Ende 2024. Danach folgt eine Inbetriebnahme-Phase von zwei bis drei Monaten.
• Im zweiten Quartal 2025 soll das DESYUM an die Nutzer übergegeben werden.
• Die Ausstellungseröffnung ist für April/Mai 2025 geplant

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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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) 30. Mai 2023.

30. Mai 2023 – Wie entstehen die Bausteine unseres Lebens? Welche Waffen können der Menschheit im Kampf gegen den Krebs helfen? Wie sind Planeten in ihrem innersten Kern beschaffen? Was passiert gerade auf dem Baufeld für eines der größten Forschungsvorhaben weltweit? Antworten auf diese und viele andere spannende Fragen gibt es beim Tag der offenen Tür, zu dem das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und das künftige Beschleunigerzentrum FAIR am Samstag, dem 15. Juli, von 10 bis 16 Uhr einladen. Die Besucher*innen können an diesem Tag mit einem Programm für die ganze Familie den Forschungscampus von GSI und FAIR kennenlernen. Für den Besuch benötigen alle Gäste ein kostenfreies Ticket, das aus organisatorischen Gründen vorab elektronisch zu buchen ist über www.gsi.de/tagderoffenentuer. Der Ticketerwerb ist ab 1. Juni 2023 möglich.

Sehen. Erleben. Verstehen: Der Tag der offenen Tür bietet eine Erlebnisreise in die Wissenschaft und führt mit zahlreichen Informations- und Unterhaltungsangeboten mitten hinein in den hochmodernen Wissenschaftsbetrieb bei GSI und FAIR. Wissenschaftler*innen, Ingenieur*innen und Techniker*innen erläutern ihre Arbeit und geben Einblicke in die faszinierende Welt der Forschung. Die Möglichkeiten für die Gäste sind dabei breit gefächert. Mit dem Ticketsystem können die Besucher*innen ihren Aufenthalt im Vorfeld bequem planen und ganz individuell gestalten.

Der Campus kann an diesem Tag mit geführten Touren erkundet werden. Es stehen mehrere Rundgänge zur Auswahl, darunter auch englischsprachige und Angebote mit barrierefreiem Zugang und ohne Altersbeschränkung. Sie alle geben einen guten Überblick über Forschungseinrichtungen, Technikabteilungen, Beschleuniger und Experimente. Hier gibt es beispielsweise viel Neues zu erfahren über die Beschleunigeranlagen, durch die die Ionen während des Forschungsbetriebs mit rund 270.000 Kilometer pro Sekunde rasen können, oder die Experimente mit haushohen Detektoren, mit denen mehreren Hundert Reaktionsprodukte gleichzeitig nachgewiesen werden können. Andere buchbare Touren setzen einen Schwerpunkt auf die 20 Hektar große Baustelle für die weltweit herausragende Teilchenbeschleunigeranlage FAIR und die einzigartigen Hightech-Entwicklungen für dieses große Zukunftsprojekt.

Auf der Flaniermeile „Science Square“ nahe dem zukünftigen FAIR-Kontrollzentrum geht es um das entspannte Genießen der internationalen Atmosphäre von GSI und FAIR mit vielfältigem Catering-Angebot und Unterhaltungsprogramm. Auch dort steht die Wissenschaft im Mittelpunkt: Es gibt Mitmach-Experimente und Gelegenheiten, sich im direkten Gespräch mit Forschenden zu Themen wie Technologietransfer oder Raumfahrt zu informieren. Wer selbst in einer der spannendsten internationalen Forschungseinrichtungen arbeiten möchte, kann sich dort auch über die vielfältigen Jobmöglichkeiten bei GSI und FAIR informieren.

Der Tag der offenen Tür bei GSI und FAIR ist zugleich Teil des großen, bundesweiten Programmangebots für das Wissenschaftsjahr 2023. Die Aktion wird jährlich unter einem wechselnden Thema vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ausgerufen, diesmal unter dem Titel „Unser Universum“. Das Thema passt besonders gut zum künftigen Beschleunigerzentrum FAIR, das unter dem Motto „Das Universum im Labor“ steht. Mit FAIR wird Materie im Labor erzeugt und erforscht, wie sie sonst nur im Universum vorkommt. Forschende aus aller Welt erwarten neue Einblicke in den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Universums, vom Urknall bis heute. Außerdem fällt die Veranstaltung in die Zeit der Feierlichkeiten zum 850-Jahr-Jubiläum des Darmstädter Stadtteils Wixhausen, mit dem GSI/FAIR als angrenzendem Stadtteil eng verbunden ist.

Die GSI- und FAIR-Geschäftsführer Professor Paolo Giubellino, Dr. Ulrich Breuer und Jörg Blaurock sehen mit großer Vorfreude dem Tag der offenen Tür entgegen: „Wir alle, die bei GSI und FAIR arbeiten, freuen uns sehr auf die Besucher*innen und möchten mit dem Tag der offenen Tür Begeisterung und Neugier für die Wissenschaft wecken. Es ist uns ein wichtiges Anliegen, die Öffentlichkeit über unsere Arbeit und unser Zukunftskonzept zu informieren, die Menschen zu inspirieren und das Interesse für naturwissenschaftlich-technische Themen zu stärken, auch bei dem interessierten Nachwuchs. Wissenschaft benötigt viele kluge Köpfe, die ihr Talent für die Forschung einsetzen. Wir möchten außerdem zeigen, was in internationaler Zusammenarbeit alles möglich ist und wie die Gesellschaft von der modernen Forschung profitieren kann. Deshalb hoffen wir sehr, am 15. Juli zahlreiche Gäste bei uns begrüßen zu können.“ (BP)
Informationen

Tickets: Kostenfreie Einzeltickets für den „Tag der offenen Tür“ müssen im Vorfeld erworben werden.
Buchungsportal: kostenfreie Ticketbuchung unter www.gsi.de/tagderoffenentuer (ab 1. Juni).
Buchungsoptionen: gebucht werden können
a) Tourentickets: geführte Campus- oder Baustellentouren zu festen Startzeiten (Dauer ca. 75 Minuten) mit Aufenthaltsmöglichkeit im „Science Square“
b) Flaniertickets: Aufenthalte im „Science Square“ ohne Führungen (Dauer unbegrenzt)
Pro Person können bis zu sechs Tickets gebucht werden

Einlass: Das Ticket berechtigt zum Einlass ab 10 Uhr, bitte erscheinen Sie mindestens 30 Minuten vor der gebuchten Touren-Startzeit am Eingang

Sprache: Touren werden zu bestimmten Uhrzeiten auch in englischer Sprache angeboten

Altersangaben: Im „Science Square“ ist jedes Alter willkommen; Alterseinschränkungen bei den Touren sind dem Ticketing-Portal zu entnehmen.

Barrierefreiheit: Im „Science Square“ ist Barrierefreiheit gegeben; Einschränkungen bei den Touren sind dem Ticketing-Portal zu entnehmen.

Gastronomie: Ein gastronomisches Angebot ist auf Selbstzahlerbasis vorhanden

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: JGU 23. März 2023.

23. März 2023 – Das W-Boson ist ein Elementarteilchen, das 1983 am CERN entdeckt wurde und das für die Vermittlung der sogenannten schwachen Wechselwirkung verantwortlich ist. Die Bestimmung seiner Masse ist von besonderer Bedeutung, etwa als präziser Test für die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik. Nach einer ersten Bestimmung und Veröffentlichung der Masse im Jahr 2017, hat die ATLAS Kollaboration jetzt ein neues Ergebnis für diese Masse vorgelegt. Das vorläufige Resultat wurde heute von Prof. Matthias Schott, Experimentalphysiker am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) im Rahmen des „57. Rencontres de Moriond“, einer der bedeutendsten Konferenzen für Teilchenphysik, vorgestellt.

Neue W-Boson Masse ist Ergebnis einer Neuanalyse
Im Ergebnis beträgt die Masse des W-Bosons 80360 Megaelektronenvolt (MeV) mit einer Unsicherheit von 16 MeV. Sie basiert auf einer Neuanalyse von 14 Millionen W-Boson-Kandidaten, die bereits 2011 in Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) des CERN aufgezeichnet wurden. Sie stimmt mit der Erwartung des Standardmodels der Teilchenphysik überein und steht damit im direkten Widerspruch zur jüngsten Messung des CDF-Experiments am Tevatron, welches im Frühjahr 2022 für großes Aufsehen sorgte.

Die theoretische Vorhersage der Masse des W-Bosons im Rahmen des Standardmodells beträgt 80354 MeV, mit einer Unsicherheit von 7 MeV. Sie steht in engem Zusammenhang mit der Stärke der elektroschwachen Kopplungen und den Massen der schwersten Elementarteilchen, darunter das Z-Boson, das Top-Quark und das Higgs-Boson. In Theorien, die das Standardmodell erweitern, ist die Masse des Teilchens jedoch auch mit zusätzlichen, noch unbekannten Teilchen oder Wechselwirkungen verbunden. Die Messung der Masse des W-Bosons ist daher ein wichtiger Test des Standardmodells und eine Abweichung zwischen Theorie und Experiment könnte auf neue Physik hindeuten.

Erste Masse des W-Bosons in 2017 veröffentlicht
2017 veröffentlichte ATLAS seine erste Messung der Masse des W-Bosons, die anhand von Daten aus dem Jahr 2011 bestimmt wurde. Die Masse des W-Bosons betrug 80370 MeV, mit einer Unsicherheit von 19 MeV. Das Ergebnis stimmte schon damals gut mit der Vorhersage des Standardmodells und allen früheren experimentellen Ergebnissen überein.

Im letzten Jahr gab die CDF-Kollaboration am Fermilab eine noch präzisere Messung bekannt, die auf einer Analyse ihres gesamten am Tevatron gesammelten Datensatzes beruht. Das Ergebnis, 80434 MeV mit einer Unsicherheit von 9 MeV, weicht erheblich von der Vorhersage des Standardmodells und von den anderen experimentellen Ergebnissen ab, so dass weitere Messungen erforderlich sind, um die Ursache für diese Abweichung zu ermitteln.

In der neuen Studie analysierte ATLAS erneut die W-Bosonen-Stichprobe aus dem Jahr 2011 und verbesserte damit die Präzision seiner früheren Messung. Die neue Masse des W-Bosons, 80360 MeV mit einer Unsicherheit von 16 MeV, ist 10 MeV niedriger als das vorherige ATLAS-Ergebnis. Auch dieses Ergebnis steht im Einklang mit dem Standardmodell.

„Die Messung der W-Boson-Masse gehört zu den schwierigsten und anspruchsvollsten Messungen, die an Hadronen-Collidern durchgeführt werden. Sie erfordert eine äußerst präzise Kalibrierung der mit dem ATLAS-Detektor gemessenen Teilchenenergien und -impulse sowie eine sorgfältige Bewertung und ausgezeichnete Kontrolle der Modellierungsunsicherheiten“, sagt ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker. „Dieses aktualisierte Ergebnis ist ein strenger Test und bestätigt die Konsistenz unseres theoretischen Verständnisses der elektroschwachen Wechselwirkungen.“

Um es zu erzielen, verwendete die ATLAS Kollaboration eine signifikant verbesserte Analysemethode und berücksichtige zudem neue Erkenntnisse über die Struktur des Protons aus den vergangenen Jahren. Diesen neuen Ansatz verfolgte die Gruppe um Matthias Schott innerhalb des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA+ seit vielen Jahren und er konnte nun zum vorläufigen Abschluss gebracht werden. „Ich bin mehr als glücklich nach so vielen Jahren dieses Ergebnis nun präsentieren zu können“, erklärt Matthias Schott. „Aber nun steht für uns schon die Analyse von speziellen Datensätzen an, welche wir im Jahr 2018 aufgezeichnet haben. Diese werden uns helfen, herauszufinden, warum die CDF-Messung von allen anderen Messungen abweicht.“

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn 20. März 2023.

20. März 2023 – Die Physikerinnen und Physiker erhoffen sich, durch ihre neue Entdeckung die Natur dieser fast masselose Elementarteilchen besser verstehen zu können. Die Ergebnisse wurden am vergangenen Wochenende bei der 57. Moriond-Konferenz in Italien vorgestellt und werden demnächst in der Fachzeitschrift Physical Review Letters zur wissenschaftlichen Begutachtung eingereicht.

Neutrinos wurden 1956 erstmalig entdeckt und spielen unter anderem eine Schlüsselrolle bei dem Prozess, der Sterne brennen lässt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich durch die Erforschung der Neutrinos neue Erkenntnisse über energiereiche Objekte im Universum.

„Neutrinos sind Teilchen, von denen wir wissen, dass sie existieren“, sagt Prof. Dr. Florian Bernlochner vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. „Sie waren sehr wichtig für die Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik. Aber bisher wurde kein Neutrino, das an einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurde, jemals durch ein Experiment direkt nachgewiesen.“

In der aktuellen Studie entdeckten Bernlochner und seine Kollegen jetzt die Neutrinos aus einer ganz neuen Quelle – aus Teilchenbeschleunigern, in denen zwei Teilchenstrahlen mit extrem hoher Energie zusammenstoßen, um die Neutrinos zu erzeugen. Es ist das jüngste Ergebnis des Forward Search Experiments, kurz FASER genannt. Dabei handelt es sich um einen Teilchendetektor, der am Kernforschungszentrum CERN in Genf (Schweiz) installiert ist. FASER spürt dort Teilchen auf, die vom Large Hadron Collider (LHC) des CERN erzeugt werden. Im Vergleich zu typischen Teilchendetektoren zeichnet sich FASER dadurch aus, dass der Aufbau relativ klein ist – er passt in einen kleinen Seitentunnel am CERN.

Beschleuniger wie der LHC produzieren reichlich Neutrinos und Antineutrinos aller Arten – auch bei sehr hohen Energien, wo Neutrino-Wechselwirkungen noch nicht beobachtet werden konnten. Ein Grund, warum Beschleuniger-Neutrinos bisher unentdeckt blieben, ist ihre extrem schwache Wechselwirkung. Außerdem werden die Neutrinos mit der höchsten Energie, bei denen die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit am größten ist, vorwiegend parallel zur Strahlachse produziert. Dort haben die Beschleuniger-Detektoren typischerweise Löcher, um die kollidierenden Teilchenstrahlen passieren zu lassen.

Mehr als 150 beobachtete Neutrino-Ereignisse
Für die aktuelle Studie wurden 153 Neutrino-Ereignisse in LHC-Kollisionsdaten nachgewiesen, die zwischen Juli und November 2022 aufgezeichnet wurden. Die nachgewiesenen Neutrinos wechselwirken mit einem sogenannten Emulsionsdetektor mit Wolframplatten und verwandeln sich dabei in Myonen, also andere Elementarteilchen. Diese können wiederum mit dem FASER-Detektor und dessen Spektrometer nachgewiesen werden.

Die meisten bisher von Physikerinnen und Physikern untersuchten Neutrinos sind niederenergetisch. „Die von FASER entdeckten Neutrinos sind jedoch die energiereichsten, die jemals in einem Labor erzeugt wurden, und ähneln den Neutrinos, die man findet, wenn Teilchen aus dem Weltraum in unserer Atmosphäre sogenannte Teilchenschauer auslösen“, sagt FASER-Gruppenleiter Florian Bernlochner. Diese sehr hochenergetischen Neutrinos im LHC seien wichtig, um rätselhafte Beobachtungen in der Teilchenastrophysik zu verstehen. „Sie können uns etwas über den Weltraum verraten, was wir auf andere Weise nicht erfahren können“, sagt Tobias Böckh vom Physikalischen Institut der Universität Bonn, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Studie beteiligt war. Die Arbeit könnte auch Licht auf kosmische Neutrinos werfen, die große Entfernungen zurücklegen und mit der Erde kollidieren.

In Folgestudien wollen die Forschenden nun weitere Eigenschaften der Neutrinos untersuchen. Sie sollen neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen der geisterhaften Teilchen bei hohen Energien liefern.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie waren weltweit 21 Universitäten und das CERN in Genf beteiligt. Die Studie wurde gefördert durch die Heising-Simons-Foundation, die National Science Foundation, den Europäischen Forschungsrat und die Schweizerische Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung.

Originalpublikation:
H. Abreu et al.: First Observation of Collider Neutrino Events with the FASER Detector at the LHC FASER Collaboration. Preprint in Kürze verfügbar.

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• Neutrinos

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Quelle: Universität Göttingen 7. März 2023.

7. März 2023 – Wie entstand das Universum? Woraus bestehen wir? Was untersuchen Teilchenbeschleuniger? Solchen Fragen können Schülerinnen und Schüler ab der 10. Klasse bei den International Masterclasses an der Universität Göttingen nachgehen. Die Veranstaltung findet am Dienstag, 14. März 2023, von 9 bis 17 Uhr in der Fakultät für Physik statt. „Wir freuen uns darauf, Schülerinnen und Schüler bei uns vor Ort zu begrüßen, um ihnen einen Einblick in die faszinierende Welt der Teilchenphysik zu geben“, sagt die Organisatorin Dr. Kira Abeling. Interessierte können sich bis zum 12. März 2023 per E-Mail an masterclasses@uni-goettingen.de anmelden. Das Angebot ist kostenlos. Treffpunkt ist in der Fakultät für Physik, Friedrich-Hund-Platz 1, Hörsaal 4.

In spannenden Vorträgen zeigen die Forschenden, dass Teilchenphysik nicht so kompliziert ist, wie man auf den ersten Blick meint, und warum sie eine riesige Maschine benötigen, um winzigste Teilchen zu sehen. Das Highlight ist die Besichtigung des Teilchenbeschleunigers der Fakultät. Anschließend gibt es die Möglichkeit, selbst Daten auszuwerten, die zum ersten Mal vom Belle II-Experiment in Japan stammen. „Im vergangenen Sommer wurden in dem Experiment so viele Daten gesammelt wie nie zuvor. Mit den Daten können sehr seltene Phänomene der Teilchenphysik immer präziser vermessen werden“, erklärt Marike Schwikardi. Die Physikerin ist am Bau des Belle II-Detektors für den Teilchenbeschleuniger in Japan beteiligt, der die Daten aufnimmt und verarbeitet. Sie betreut die Veranstaltung.

Weitere Informationen sind unter www.uni-goettingen.de/de/671748.html zu finden.

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