Quelle: JGU 20. Juli 2023.

20. Juli 2023 – Der theoretische Physiker Marvin Schnubel von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) erhält ein Feodor Lynen-Forschungsstipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung. Es ermöglicht ihm, ab Herbst dieses Jahres als Postdoc am berühmten Brookhaven National Laboratory (BNL) in den USA zu forschen. Marvin Schnubel hat während seiner Doktorarbeit in der Gruppe von Prof. Dr. Matthias Neubert einen neuartigen theoretischen Ansatz genutzt, um Präzisionstests des Standardmodells der Teilchenphysik in Bezug auf das Higgs-Teilchen durchzuführen. Im Rahmen eines seiner Forschungsvorhaben am BNL möchte er diesen Ansatz weiterentwickeln und auf weitere Prozesse anwenden.

Das „Handwerkszeug“ von Marvin Schnubel ist die sogenannte „effektive Feldtheorie (EFT)“. „Sie ist die verbindende Klammer all meiner Forschungsprojekte, in Mainz wie in Brookhaven“, erläutert Marvin Schnubel. „Denn so unterschiedlich die Projekte sind, die zugrundeliegende Herangehensweise ist identisch und jeweils fest verankert im Bereich der EFT.“

Ausgangspunkt ist dabei das sogenannte Standardmodell (SM) der Teilchenphysik. Es beschreibt die Eigenschaften und Wechselwirkungen der fundamentalen Bausteine – der Elementarteilchen – mit erstaunlicher Präzision. Und doch ist klar, dass es nicht die endgültige Theorie sein kann. Beispielsweise erklärt das SM nicht, was dunkle Materie ist oder warum die Massen der einzelnen Elementarteilchen so stark unterschiedlich sind. Eine Möglichkeit zu einer vollständigeren Theorie zu gelangen, ist der Vergleich von theoretischen Vorhersagen auf Basis des SM mit dem Experiment. Gibt es hier Abweichungen, ist das ein Hinweis auf neue Physik. In dem Zusammenhang stellen EFTs Vereinfachungen des kompletten SM dar, mit deren Hilfe man Rechnungen durchführen und aus ihnen präzise Vorhersagen ableiten kann.

In einem von Marvin Schnubels Forschungsprojekten am BNL geht es um Axion-artige Teilchen, die vielversprechende Kandidaten für dunkle Materie sind – hier gilt es deren Eigenschaften, etwa ihre Wechselwirkungen, theoretisch vorherzusagen und mit experimentellen Befunden zu korrelieren bzw. passende Experimente zu konzeptionieren. Entsprechende Vorarbeiten aus der Mainzer Zeit gibt es bereits. Ein zweites Projekt zielt darauf ab, möglichst präzise Vorhersagen aus dem Standardmodell herzuleiten und mit dem experimentell gemessenen Wert zu vergleichen. Denn nur wenn die Theorie ähnlich präzise ist wie das Experiment lassen sich verlässliche Aussagen bezüglich möglicher Abweichungen – und somit im Hinblick auf das Vorkommen neuer Teilchen – treffen. „Wenn Teilchen mit sehr verschiedenen Energien interagieren, kommen traditionelle theoretische Methoden oft an ihre Grenzen. Unter anderem in meiner Doktorarbeit wurde dieses Problem in Bezug auf Entstehung und Zerfall des Higgs-Teilchens aus zwei Gluonen am LHC gelöst“, so Marvin Schnubel. „Dazu haben wir auf Basis der EFT die sogenannte Soft Collinear Effective Theory (SCET) genutzt, mit deren Hilfe sich Prozesse in einzelne Anteile zerlegen lassen und sich so der Gesamtprozess insgesamt besser berechnen lässt. Dabei ist die SCET Methode die erste, die in dem Bereich ausreichend genaue analytische Berechnungen erlaubt.“ Am BNL will Marvin Schnubel die SCET Methode auf weitere Prozesse anwenden und weiterentwickeln, um einerseits die Methode als State-of-the-Art Rechnung zu etablieren und andererseits wichtige theoretische Vorhersagen für Experimente abzuleiten.

Über das Stipendium
Der Biochemiker und Nobelpreisträger Feodor Lynen hat sich als Präsident der Alexander von Humboldt-Stiftung (1975-1979) dafür eingesetzt, das internationale Humboldt-Netzwerk für Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler aus Deutschland zu öffnen. Mit dem nach ihm benannten und aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung finanzierten Stipendium ermöglicht die Humboldt-Stiftung überdurchschnittlich qualifizierten Postdocs oder erfahrenen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland, die am Anfang ihrer wissenschaftlichen Laufbahn stehen, langfristige und weltweite Forschungsaufenthalte im Ausland.

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• Ehrungen

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 8. Juni 2022.

8. Juni 2022 – Überall im Universum werden Neutronensterne in Supernova-Explosionen geboren, die das Ende des Lebens massereicher Sterne markieren. Manchmal sind Neutronensterne in Doppelsternsystemen gebunden und werden schließlich miteinander kollidieren. Diese hochenergetischen, astrophysikalischen Phänomene zeichnen sich durch so extreme Bedingungen aus, dass sie die meisten schweren Elemente wie Silber und Gold erzeugen. Daher sind Neutronensterne und ihre Kollisionen einzigartige Laboratorien zur Untersuchung der Eigenschaften von Materie bei Dichten, die weit über den Dichten in Atomkernen liegen. Experimente mit Schwerionen-Kollisionen, die mit Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, sind eine Möglichkeit, Materie bei hohen Dichten und unter extremen Bedingungen zu erzeugen und zu untersuchen.

„Die Kombination von Erkenntnissen aus der theoretischen und experimentellen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen ist unerlässlich, um die Eigenschaften neutronenreicher Materie über den gesamten Dichtebereich, der in Neutronensternen vorkommt, zu verstehen“, erklärt Sabrina Huth, Institut für Kernphysik an der Technischen Universität Darmstadt, Erstautorin der Veröffentlichung. Peter T. H. Pang, ein weiterer Erstautor vom Institut für Gravitations- und subatomare Physik (GRASP) der Universität Utrecht, fügt hinzu: „Wir stellen fest, dass die Teilchenbeschleuniger-Daten von Goldionen-Kollisionen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit astrophysikalischen Beobachtungen aufweisen, obwohl sie mit völlig anderen Methoden gewonnen wurden.“

Dank der jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie konnte das internationale Team, an dem Forschende aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Schweden beteiligt sind, neue Erkenntnisse über die grundlegenden Wechselwirkungen in der Kernmaterie gewinnen. In einer interdisziplinären Studie haben die Wissenschaftler*innen Informationen aus Schwerionenkollisionen mit astronomischen Beobachtungen elektromagnetischer Signale, Messungen von Gravitationswellen und astrophysikalischen und kerntheoretischen Berechnungen zusammengebracht. Ihre systematische Studie kombiniert erstmals all diese Informationen und deutet auf einen höheren Druck bei mittleren Dichten in Neutronensternen hin.

Die Autor*innen haben die Informationen aus Goldionen-Kollisionsexperimenten, die am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA durchgeführt wurden, in ihre mehrstufige Analyse einfließen lassen, welche auf Informationen aus der theoretischen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen basiert. Dazu gehören Messungen der Masse von Neutronensternen durch Radiobeobachtungen, Informationen von der „Neutron Star Interior Composition Explorer“ (NICER) Mission auf der Internationalen Raumstation sowie Multi-Messenger-Beobachtungen von Verschmelzungen zweier Neutronensterne.

Die Einbeziehung der Daten von Schwerionen-Kollisionen in die Analysen hat zusätzliche Einschränkungen im Dichtebereich ermöglicht, wo die Kerntheorie und astrophysikalische Beobachtungen weniger sensitiv sind. Dies hat dazu beigetragen, ein vollständigeres Verständnis der dichten Materie zu gewinnen. In Zukunft können verbesserte Daten aus Schwerionenkollisionen eine wichtige Rolle bei der Verknüpfung von Kerntheorie und astrophysikalischen Beobachtungen spielen, indem sie ergänzende Informationen liefern. Insbesondere Experimente, die höhere Dichten erforschen und gleichzeitig die experimentellen Unsicherheiten verringern, haben ein großes Potenzial, neue Hinweise auf die Eigenschaften von Neutronensternen zu liefern. Neue Informationen auf beiden Seiten können leicht in die Berechnungen integriert werden, um das Verständnis dichter Materie in den kommenden Jahren weiter zu verbessern.

Über die TU Darmstadt
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Originalpublikation
Sabrina Huth, Peter T. H. Pang, Ingo Tews, Tim Dietrich, Arnaud Le Fèvre, Achim Schwenk, Wolfgang Trautmann, Kshitij Agarwal, Mattia Bulla, Michael W. Coughlin, Chris Van Den Broeck: „Constraining Neutron-Star Matter with Microscopic and Macroscopic Collisions“, DOI 10.1038/s41586-022-04750-w,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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