Quelle: ZARM. 29. April 2025.

29. April 2025 – Einsteins Gravitationsphysik hat die moderne Wissenschaft revolutioniert und zu vielen erfolgreichen Vorhersagen geführt, beispielsweise über Schwarze Löcher, Gravitationswellen und die Entwicklung des gesamten Universums. Allerdings stößt die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) zusammen mit dem Standardmodell der Teilchenphysik auch an ihre Grenzen. Auf der einen Seite gibt es Beobachtungen, wie die beschleunigte Ausdehnung des Universums oder die Bewegung von Sternen am Rand von Galaxien, die nur dann mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmen und erklärt werden können, wenn man annimmt, dass unbekannte Komponenten im Universum existieren, die wir dunkle Energie und dunkle Materie nennen. Andererseits sagt die ART voraus, dass die Gravitationskraft in bestimmten Regionen des Universums unendlich stark wird, sodass es bis heute nicht möglich ist, Einsteins Gravitationstheorie mit allen anderen Kräften der Natur (elektromagnetische Kraft, schwache und starke Kernkraft) in Einklang zu bringen. Beim Verständnis der Gravitation bleiben also viele Fragen offen, die Physiker:innen weltweit dazu antreiben, nach einer Erweiterung oder Modifikation der ART zu suchen, die die bis heute unerklärten Phänomene der Gravitation erklärbar macht.

Gestern ist im „Physical Review D“ die neueste Publikation von Christian Pfeifer und Dennis Rätzel vom ZARM sowie Daniel Braun von der Universität Tübingen erschienen, die sich mit dem Test der ART beschäftigt. Sie schlagen vor, die Eigenschaften der Gravitation mit Teilchen zu testen, deren Geschwindigkeit sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt. Diese ultrarelativistischen (oder einfach sehr schnellen) Teilchen erzeugen ein Gravitationsfeld, welches ruhende Testteilchen, an denen sie vorbeifliegen, anzieht. Die Bewegung der Testteilchen kann theoretisch vorhergesagt und mit der beobachteten Bewegung verglichen werden, sodass die Testteilchen als Sensoren für die Gravitation genutzt werden können. Das Besondere an dem hier vorgeschlagenen Experiment ist, dass die Gravitationsanziehung, die von den ultrarelativistischen Teilchen erzeugt wird, hauptsächlich durch die sehr hohe Geschwindigkeit – also ihrer sehr hohen kinetischen Energie – und nicht durch die Ruhemassenenergie der Teilchen entsteht. Das Experiment misst also, wie die Gravitation der kinetischen Energie aussieht. Stimmt sie mit den Vorhersagen der ART überein oder gibt es Abweichungen?

Abweichung rechnerisch vorhergesagt

In einem mathematischen Modell, das auf einer Modifikation der ART beruht, haben die Forscher die Beschleunigung des Testteilchens und den Impulstransfer durch die Gravitation der vorbeifliegenden ultrarelativistischen Teilchen rechnerisch vorhergesagt. Die Ergebnisse zeigen, dass es einen Parameterbereich gibt, in dem der vom Modell berechnete Impulstransfer signifikant von den Vorhersagen der ART abweicht. Diese Abweichung nimmt mit steigender Geschwindigkeit des ultrarelativistischen Teilchenstroms zu.

Das Besondere ist, dass dieses Experiment sogar praktisch durchgeführt werden könnte, und zwar mithilfe des Teilchenbeschleunigers LHC (Large Hadron Collider), der von der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN bei Genf betrieben wird. Dort werden Protonen auf rund 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Was für das Experiment noch fehlt, sind Testteilchensensoren, die rund um die Beschleunigungsröhre des LHC angebracht werden und auf das Gravitationsfeld der Protonen reagieren. Die technischen Details für die Installation solcher Sensoren werden derzeit untersucht.

Weitere Informationen
Bildquelle: CERN
Publikation: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.111.084073
ZARM Website: Pressemitteilung

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• Large Hadron Collider

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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/news/press-release/physics/cms-experiment-cern-weighs-w-boson-mass

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• Large Hadron Collider
• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: DESY 21. August 2024.

21. August 2024 – Im Jahr 2024 feiert das CERN sein 70. Jubiläum. Das internationale Forschungs- und Technologiezentrum mit Sitz in Genf blickt auf eine einzigartige Erfolgsgeschichte zurück. In den 70 Jahren seines Bestehens hat das CERN nicht nur unser Wissen über die Bestandteile, Entwicklung und Spielregeln des Universums ständig erweitert, sondern auch der Menschheit Technologien zur Verfügung gestellt, die unser Leben nachhaltig verändert haben. Das größte und bekannteste CERN-Projekt ist der Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) mit seinen riesigen Detektoren, an dem 2012 das Higgs-Teilchen entdeckt und seitdem präzise vermessen wurde. Deutschland gehörte 1954 zu den Gründungsstaaten, leistet den anteilig größten Beitrag zum CERN-Budget und ist mit fast 2.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der am CERN betriebenen Forschung beteiligt. Mit mehreren zentralen Veranstaltungen feiert die CERN-Forschungsgemeinschaft in Deutschland diesen runden Geburtstag Anfang September in Berlin.

Die Veranstalter – die Gemeinschaft der an der CERN-Forschung beteiligten Einrichtungen in Deutschland, vertreten durch das Komitee für Elementarteilchenphysik (KET), das Komitee für Hadronen und Kerne (KHuK), das Komitee für Beschleunigerphysik (KfB) und das CERN – laden zu diesen Veranstaltungen im Rahmen der „Festwoche“ zum 70. CERN-Geburtstag ein.

• Ausstellung mit Mitmach-Elementen „70 Jahre CERN“
  -2.-4.9., jeweils 10-18 Uhr, Futurium Berlin, Alexanderufer 2
  -Eintritt frei
  -Hands-on-Experimente rund um physikalische Konzepte mit Anleitung (auch für Schulklassen), eine interaktive Ausstellung über das Forschungszentrum CERN, seine Geschichte, wissenschaftlichen Erfolge und welche Rolle Deutschland im internationalen Forschungsabenteuer rund um CERN und seinen Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider spielt. Das Highlight am Dienstag ist der aufblasbare Zeitreisetunnel „Urknall unterwegs“!
  Die Ausstellung ist an allen drei Veranstaltungstagen geöffnet. Die permanente Ausstellung des Futuriums ist am Dienstag geschlossen.
• Konzert „Creazione/Schöpfung – Fragmente“
  -1.9., 18:00 Uhr, Kaiser-Wilhelm-Gedächtniskirche Berlin
  -Tickets: https://creazione.reservix.de/events
  -Konzert von Fragmenten der Oper „Creazione/Schöpfung“ von Komponistin Gloria Bruni. „Creazione/Schöpfung“ setzt sich mit der Frage nach dem Anfang und der Unendlichkeit des Seins auseinander – aus wissenschaftlicher, religiöser und musikalischer Sicht. Unter der Leitung von Wolf Kerschek spielen die Hamburger Symphoniker, das Berliner Vocalconsort und ein Chor aus Forschenden der Universität Hamburg und des Forschungszentrums DESY
• Talkabend „CERN Stories“
  -2.9., Einlass ab 18:30 Uhr, Beginn 19:30 h, Futurium Berlin, Alexanderufer 2
  -Eintritt frei
  -Im Rahmen des 70. CERN-Jubiläums laden wir zum Talkabend rund um den CERN-Alltag, die Besonderheiten des internationalen Forschungszentrums und Anekdoten aus dem Forscherleben. Wie fühlt es sich an, als Doktorand bei einer wissenschaftlichen Revolution dabei zu sein – der Entdeckung eines neuen Teilchens? Was bringt uns eigentlich diese ganze teure Teilchenknallerei? Bei „CERN Stories“ kommen die Menschen zu Wort, die am CERN arbeiten oder gearbeitet haben – ob als Schüler, Studierende, Forschende oder Generaldirektoren. Anekdoten, Erinnerungen und Ausblicke in lockerer Runde mit der Möglichkeit, hinterher mit den Talkgästen bei Getränken und Brezeln zu plaudern.
  –https://indico.cern.ch/event/1436404/
• Festakt
  -3.9., Einlass ab 18:00 Uhr, Beginn 19:00 Uhr, Futurium Berlin, Alexanderufer 2
  -Eintritt nur mit Einladung
  -Offizieller Festakt mit verschiedenen Vortragsformaten über die Wissenschaft am CERN, CERN und Deutschland, Technologie und Industrie und Bildung sowie Grußworten unter anderen von der Staatssekretärin Judith Pirscher (BMBF) und der Schweizer Botschafterin in Deutschland, Livia Leu. Zu den Vortragenden gehören der ehemalige CERN-Generaldirektor Rolf Heuer und die Forschungsdirektorin des Forschungszentrums DESY, Beate Heinemann.

Am 3.9. um 17:00 Uhr findet im Futurium außerdem der offizielle Launch einer neuen Augmented-Reality-App zur Teilchenphysik und ihren Forschungsanlagen statt: „Das Teilchenuniversum“. Mit Hilfe der App können Nutzer einen virtuellen Spaziergang durch das Universum machen – von den Anfängen unseres Kosmos und den Prozessen, die zur Entstehung von Galaxien, Sternen und Planeten geführt haben, bis zu einem Teilchenbeschleuniger in „Lebensgröße“ laden über 10 Stationen zum Entdecken ein.
Mehr Informationen zur App: https://lhc-deutschland.de/app/index_ger.html

Nicht nur in Berlin finden Veranstaltungen anlässlich des 70. Geburtstages statt: In der Woche vom 16. September laden an der CERN-Forschung beteiligte Universitäten und Forschungsinstitute in ganz Deutschland zu Veranstaltungen, Ausstellungen, Schnupperkursen und vielem mehr ein. Das komplette Programm: cern70.de

„Herzlichen Glückwunsch dem international anerkannten CERN und noch viele erfolgreiche Jahre der Spitzenforschung, die die Grenzen zu neuen Erkenntnissen beständig erweitern! Diese Glückwünsche gehen auch an die deutschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die zum Erfolg von CERN einen wesentlichen Beitrag leisten. Internationale Zusammenarbeit, wissenschaftliche Exzellenz und die ausgeprägte Kraft zur Innovation: Dies ist es, was das CERN auszeichnet als moderne Forschungseinrichtung und Vorbild, an dem sich andere orientieren“, sagt Judith Pirscher, Staatssekretärin im Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Über das CERN:
CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eines der weltweit führenden Laboratorien für Teilchenphysik. Die Organisation befindet sich an der französisch-schweizerischen Grenze und hat ihren Sitz in Genf. Sie hat 23 Mitgliedsstaaten, zu denen auch Deutschland gehört. Am CERN befindet sich der Large Hadron Collider, der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt.

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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: 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: Justus-Liebig-Universität Gießen 11. April 2024.

11. April 2024 – Die Erde wird fortlaufend von Neutrinos – sehr leichten Teilchen, die im Kosmos, in der Sonne, aber auch in unserer Atmosphäre erzeugt werden – bombardiert. Allein von der Sonne kommen 70 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde auf der Erde an. Dass sie keinen größeren Schaden anrichten, liegt an der extrem niedrigen Wahrscheinlichkeit, mit anderen Teilchen zu kollidieren: Neutrinos durchdringen die Erde nahezu wechselwirkungsfrei. Physikerinnen und Physiker interessieren sich für diese sehr geringen Wechselwirkungen, denn sie können Informationen über das Verhalten von Materie zu Antimaterie und über die Eigenschaften der Neutrinos liefern.

Gezielte Experimente in Japan und in den USA sollen Erkenntnisse zu diesen Fragen bringen. Dabei können Neutrinos auf der Erde unter kontrollierten Bedingungen erzeugt werden. So soll zum Beispiel in einem Beschleuniger am Fermilab bei Chicago (USA) ein Neutrino-Strahl erzeugt werden, der über eine Distanz von 1.300 Kilometern die Erde durchdringen und schließlich in großen Detektoren tief unter der Erde in einer ehemaligen Goldmine in Süd-Dakota nachgewiesen werden soll.

Der Neutrino-Strahl in dem sogenannten DUNE-Experiment, das 2030 anlaufen soll, hat viele verschiedene Energien, weil Neutrinos keine elektrische Ladung haben und deshalb nicht nach ihrer Energie unterschieden werden können. Für die Ergebnisse muss die genaue Energie der Neutrinos aber bekannt sein. Diese Information kann nur indirekt gewonnen werden, indem der Endzustand der Reaktion beobachtet wird. Hier setzt ein Forschungsprojekt am Institut für Theoretische Physik der JLU an. Seit etwa 20 Jahren entwickelt eine Arbeitsgruppe dort den Ereignisgenerator GiBUU (Giessen-Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck Project). Ereignisgeneratoren erzeugen zufällig simulierte Ereignisse der Hochenergie-Teilchenphysik, wie sie in Teilchenbeschleunigern, Collider-Experimenten oder im frühen Universum auftreten.

Das Gießener Forschungsteam um Prof. Dr. Ulrich Mosel und Dr. Kai Gallmeister hat mit GiBUU eine Fülle von möglichen Reaktionen der Neutrinos mit dem Detektormaterial beschrieben und simuliert. Der Endzustand der Reaktion mit vielen auslaufenden Teilchen wird so in Abhängigkeit von der Energie des einlaufenden Neutrinos berechnet. Durch Vergleich mit dem Experiment kann dann die Neutrino-Energie „zurückgerechnet“ werden.

Bereits jetzt laufen Vorläufer-Experimente für DUNE am Fermilab. Die dort schon gewonnenen Daten sind nun mit Berechnungen von GiBUU verglichen worden. Die schon durchgeführten Analysen der experimentellen Gruppen deuten darauf hin, dass GiBUU allen anderen Ansätzen in der Beschreibung der Daten überlegen ist.

Originalpublikation
U. Mosel and K. Gallmeister: Lepton-induced reactions on nuclei in a wide kinematical regime, Phys. Rev. D 109, 033008 – Published 20 February 2024
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.033008
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.109.033008

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• Neutrinos

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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: WWU 10. Februar 2023.

10. Februar 2023 – Wie das Universum entstand, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt am Kernforschungszentrum CERN bei Genf herauszufinden. An der Forschung beteiligen sich auch Physikerinnen und Physiker der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster: Sie haben das Experiment „ALICE“ am Teilchenbeschleuniger LHC („Large Hadron Collider“) mit aufgebaut und werten nun Messdaten aus. Schülerinnen und Schüler ab 15 Jahren dürfen am 17. Februar (Freitag) gemeinsam mit den münsterschen Forschern Geheimnisse aus der Welt der kleinsten Teilchen lüften. Der kostenlose Workshop – eine „International Masterclass“ – findet von 9.30 bis 17 Uhr im Institut für Kernphysik der Universität Münster statt. Weitere Informationen und die Möglichkeit zur Anmeldung gibt es unter https://indico.uni-muenster.de/event/1806/.

Wenn im LHC Blei-Ionen mit unvorstellbarer Wucht aufeinandertreffen, entsteht ein Materiezustand mit Temperaturen, die bis zu eine Million Mal höher sind als im Zentrum der Sonne – Bedingungen, wie sie in den ersten Augenblicken des Universums herrschten. Die Schüler blicken gemeinsam mit den CERN-Forschern in die Geburtsstunde des Kosmos und erfahren Wissenswertes über die Grundbausteine der Materie und die Kräfte, die im Universum wirken. Sie lernen Methoden kennen, mit denen sie echte Daten aus dem ALICE-Experiment auswerten, erleben eine Live-Schalte zu diesem Experiment und diskutieren ihre Ergebnisse in einer internationalen Videokonferenz – ganz so, wie es in den großen Forschungsverbünden am CERN üblich ist.

„International Masterclasses“ werden von CERN-Forschern auf der ganzen Welt an verschiedenen Terminen angeboten. In diesem Jahr sind etwa 225 Forschungseinrichtungen und Universitäten in 60 Ländern beteiligt, und es werden mehr als 13.000 Teilnehmer erwartet.

Damit die Schüler für die Teilnahme an der „Masterclass“ in Münster eine Befreiung vom Schulunterricht beantragen können, erhalten sie von den Veranstaltern entsprechende Teilnahmebestätigungen.

Anmeldung und weitere Informationen:
https://indico.uni-muenster.de/event/1806/

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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: Goethe-Universität Frankfurt am Main 6. Dezember 2022.

6. Dezember 2022 – Den Materiezustand kurz nach dem Urknall, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, erforscht das ALICE-Experiment am Teilchenbeschleunigerzentrum CERN in Genf, wo Blei-Ionen miteinander kollidieren und für winzige Sekundenbruchteile ein solches Quark-Gluon-Plasma entstehen lassen. Jetzt wurden am CERN für das ALICE-Experiment in einem Testlauf erstmals Kollisionsenergien von 5,36 Teraelektronenvolt pro Blei-Blei-Kollision erzeugt, die weltweit höchste bislang erreichte Kollisionsenergie. Forschende um Harald Appelshäuser von der Goethe-Universität haben den zentralen ALICE-Detektor auf die nun höheren Kollisionsraten vorbereitet und hoffen auf neue Erkenntnisse über die Entstehung des Universums.

Wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall lag die gesamte Materie des Universums in einer Art „Elementarteilchen-Suppe“ als so genanntes Quark-Gluon-Plasma vor. Solch ein Quark-Gluon-Plasma lässt sich in Teilchenbeschleunigern für extrem kurze Zeit erzeugen, wenn man schwere Ionen kollidieren lässt. Daher sind die Kollisionen von Blei-Ionen von zentraler Bedeutung für das ALICE Experiment am Beschleunigerzentrum CERN, das die Eigenschaften von Materie, wie sie kurz nach dem Urknall vorgelegen hat, untersuchen möchte.

Während einer vierjährigen Umbauphase von 2018 bis 2022 wurde der weltweit stärkste Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider am CERN, nochmals verbessert und kann jetzt deutlich mehr Bleiionen beschleunigen als zuvor. Auch der ALICE Detektor wurde in dieser Zeit ertüchtigt, um die höheren Kollisionsraten, die der LHC in Zukunft liefern wird, aufzeichnen zu können. Hierzu war es notwendig, die Auslesedetektoren des zentralen Detektors des Experiments, der sogenannten Spurendriftkammer TPC (engl. Time Projection Chamber) komplett auszutauschen. Die Projektleitung dieses bislang zehnjährigen Unterfangens liegt bei Prof. Harald Appelshäuser vom Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt. Die neue TPC soll es unter anderem ermöglichen, die Temperatur des Quark-Gluon-Plasmas zu bestimmen, das während der Blei-Blei-Kollision entsteht.

Mit den jetzt am CERN durchgeführten Tests mit Blei-Ionen können die ALICE-Forscherinnen und Forscher überprüfen, ob die Auslese und Signalverarbeitung wie erwartet funktionieren. Eine große Herausforderung sind dabei die enormen Datenmengen, die während der Messungen anfallen und allein für die TPC im Bereich von mehreren Terabyte pro Sekunde liegen. Dieser Datenstrom muss in Echtzeit mit effektiven Mustererkennungsmethoden prozessiert werden, um die gespeicherte Menge der Daten ausreichend reduzieren zu können.

Eigens hierzu wurde das Rechencluster EPN (Event Processing Nodes) für das Experiment aufgebaut. Das EPN-Cluster basiert sowohl auf konventionellen Prozessoren (CPUs) als auch auf speziellen Grafikprozessoren. Die Leitung dieses Projekts liegt bei Prof. Volker Lindenstruth, Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und Institut für Informatik der Goethe-Universität.

Die ersten Messungen bei der neuen Energie sind ein großer Erfolg für das Schwerionenprogramm am CERN. Prof. Harald Appelshäuser sagt: “Wir können es kaum erwarten, dass es nun wirklich losgeht mit den Messungen.”

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• Large Hadron Collider

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Quelle: HU, Hannsjörg Weber 29. Juni 2022.

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 28. Juni 2022.

Am 4. Juli 2012 – vor zehn Jahren – wurde am europäischen Großforschungszentrum CERN in Genf die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt gegeben. An dieser Entdeckung war das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit vielen wissenschaftlichen Gruppen und Technologien beteiligt – und die Forschenden des KIT beschäftigen sich auch weiterhin mit diesem Teilchen. Einblick in die laufende Forschung bietet die populärwissenschaftliche Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“ am 4. Juli 2022 ab 18:00 Uhr.

„Das Higgs-Teilchen verleiht allen anderen Teilchen ihre Masse und ist das letzte Puzzlestück, das im Standardmodell der Teilchenphysik zur Beschreibung der Materiebausteine und ihrer Wechselwirkungen noch gefehlt hatte“, sagt der Teilchenphysiker Professor Markus Klute, der mit seiner Gruppe in den USA wesentlich zur Entdeckung des Higgs-Bosons beigetragen hat. Seit dem vergangenen Jahr forscht er als Humboldt-Professor am KIT.

Beendet sei die Forschung zu dem Teilchen aber noch lange nicht, so Klute. „Wir wollen das Higgs-Teilchen besser und vor allem breit verstehen: Welche Eigenschaften hat es? Welche Prozesse unterstützt es? Wie koppelt es sich an andere Teilchen? Gibt es Teilchen, die ihm gleichen?“ Inzwischen können die Forschenden das Higgs-Boson bis in den Prozentbereich hinein vermessen. Doch es gehe noch um mehr: „Am Ende möchte ich herausfinden, wo die Grenzen unseres Verständnisses liegen“, sagt Klute.

Was aber kommt nach dem Standardmodell? „Es gibt Phänomene, die es nicht abbildet. Ein Beispiel ist die dunkle Materie, die für den Aufbau unseres Universums mit seinen Galaxien fundamental wichtig ist“, erläutert Klute. Dass es sie geben muss, zeigten Gravitationsmessungen – gesehen habe man sie jedoch noch nicht. Auch Wechselwirkungen zwischen dunkler und sichtbarer Materie seien bislang nicht nachweisbar. „Meine Hoffnung ist, dass wir durch das Higgs-Boson mehr darüber lernen können“, sagt Klute.

Markus Klute und sein Team sind in der Hochenergiephysik unterwegs. Sie designen Maschinen, die auf Lichtgeschwindigkeit gebrachte Teilchen bei der Kollision aufspüren, entwickeln die Analysewerkzeuge für die gemessenen Daten und haben den Einsatz moderner Techniken des Maschinellen Lernens in der Hochenergiephysik etabliert. Das derzeit wichtigste Projekt von Klute ist das internationale Großforschungs-Experiment Compact Muon Solenoid, kurz CMS, am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Genf. Der Physiker gehört zu dem Team das im Laufe der CMS-Messungen das Higgs-Boson entdeckt hat.

Populärwissenschaftliche Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“
Medien und interessierte Öffentlichkeit sind zur Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“ am 4. Juli 2022 ab 18:00 Uhr im Gerthsen-Hörsaal (Gebäude 30.21), Engesserstraße 9, am Campus Süd des KIT in Karlsruhe eingeladen. Vertreterinnen und Vertreter der Medien melden sich bitte per E-Mail an presse@kit.edu an.

Programm

• 18:00 Uhr: Begrüßung durch den Moderator Martin Besinger (SWR)
• 18:05 Uhr: Liveschaltung ans CERN und Unterhaltung mit Dr. Frank Hartmann, Institut für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
• 18:15 Uhr: „Das Higgs-Boson: Eine Erfolgsgeschichte”, Prof. Markus Klute, Leiter des Instituts für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
• 18:45 Uhr: Podiumsdiskussion
  mit Prof. Ulrich Husemann, Institut für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
  Jun.-Prof. Felix Kahlhöfer, Institut für Theoretische Teilchenphysik des KIT
  Dr. Belina von Krosigk, Institut für Astroteilchenphysik des KIT
  und Prof. Anke-Susanne Müller, Leiterin des Instituts für Beschleunigerphysik und Technologie des KIT.
  Mit Fragen aus dem Publikum.

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Quelle: JGU 21. Juni 2022.

21. Juni 2022 – Das Higgs-Teilchen wird 10 Jahre alt – am 4. Juli 2012 gaben die Experimente ATLAS und CMS am Large Hadron Collider (LHC) des CERN seine Entdeckung bekannt. Das muss gebührend gefeiert werden. Und zwar mit vielen Veranstaltungen deutschlandweit – und eine davon auch in Mainz! Welcher Rahmen würde sich für eine solche Geburtstagsparty besser eignen als die populäre Reihe „Physik im Theater„?

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens ist eine der wichtigsten wissenschaftlichen Errungenschaften unserer Zeit – und ein wichtiger Meilenstein in der Erforschung der fundamentalen Bausteine der Materie und der zwischen ihnen wirkenden Kräfte. Die genaue Vermessung des Higgs-Teilchens und unser daraus resultierendes Verständnis des Universums ist das Ergebnis von mehr als vier Jahrzehnten intensiver Arbeit über Grenzen und viele verschiedene Institutionen auf der ganzen Welt hinweg. Zehntausende von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus allen Kontinenten waren daran beteiligt – die Teilchenphysik steht damit beispielhaft für wissenschaftliche Bestrebungen in weltweiter und friedlicher Zusammenarbeit, über Grenzen und Kulturen hinweg.

Wo steht die Teilchenphysik heute, 10 Jahre nach dieser Entdeckung? Während der vergangenen 10 Jahre wurden am CERN sehr erfolgreich Proton-Proton-Kollisionen bei den bislang höchsten erreichbaren Energien aufgezeichnet. Im Vortrag gibt der Referent Prof. Dr. Karl Jakobs von der Universität Freiburg Einblicke in die faszinierende Forschung am CERN und diskutiert den heutigen Stand, offene Fragen sowie Perspektiven.

Seit mehr als 25 Jahren ist Prof. Dr. Karl Jakobs an den Experimenten der Teilchenphysik bei höchsten Energien beteiligt. So forschte er an verschiedenen Experimenten am CERN in Genf und am US-Forschungslabor Fermilab in der Nähe von Chicago. An der Konzeption, am Bau und an der Datenanalyse des ATLAS-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) war er maßgeblich beteiligt. Für seine herausragenden Beiträge zur Entdeckung des Higgs-Teilchens erhielt er 2015 die Stern-Gerlach-Medaille, die höchste Auszeichnung für experimentelle Leistungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG). Neben der Erforschung des Higgs-Teilchens steht die Suche nach sogenannten supersymmetrischen Teilchen im Vordergrund seines Interesses. Von 2017 bis 2021 war er der wissenschaftliche Leiter (Spokesperson) des ATLAS-Experiments am CERN.

Die populäre Vortragsreihe „Physik im Theater“ wurde 2013 ins Leben gerufen – und erfreut sich seitdem großer Beliebtheit. Veranstalter ist das Mainzer Institut für Theoretische Physik (MITP), das 2012 im Rahme des Exzellenzclusters PRISMA, dem Vorgänger des heutigen Clusters PRISMA+ gegründet wurde.

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