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: Jülich Aachen Research Alliance (JARA).

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

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

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

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

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

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

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Quelle: Jülich Aachen Research Alliance (JARA).

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

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

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

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

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

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

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Quelle: Forschungszentrum Jülich.

Jülich, 30. April 2019 – Die europäische Initiative STRONG-2020 will Antworten finden auf die offenen Fragen im Bereich der sogenannten starken Wechselwirkung – einem der Grundpfeiler des Standardmodells der Teilchenphysik. Das auf vier Jahre angelegte Projekt bündelt Forschungsaktivitäten auf experimenteller und theoretischer Ebene, und wurde vor kurzem von der EU im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogrammes „Horizon 2020“ genehmigt. Gefördert mit 10 Millionen Euro, soll es im Sommer 2019 starten. Zum STRONG-2020-Konsortium gehören 44 Partnerinstitutionen aus 14 EU-Ländern, unter ihnen das Institut für Kernphysik des Forschungszentrums Jülich mit seinem Teilchenbeschleuniger COSY. Insgesamt sind Wissenschaftler aus 36 Ländern beteiligt.

Die starke Wechselwirkung, verantwortlich für den Zusammenhalt der Atomkerne, ist eine der vier grundlegenden Kräfte in der Physik. Die theoretischen und experimentellen Studien daran beschäftigen allein in Europa eine aktive Forschergemeinde von etwa 2500 Wissenschaftlern. Die Liste der offenen Fragen im Grenzbereich unseres heutigen Wissens in diesem Feld sind vielfältig: Dazu gehören beispielsweise die Eigenschaften und die detaillierte Struktur des Protons, die genaue Bestimmung von angeregten Zuständen von Hadronen, die Eigenschaften des heißen und dichten Quark-Gluon-Plasmas und Präzisionsstudien des Standardmodells. Diese Forschungsfelder werden experimentell mit Photonen und Teilchenkollisionen bei niedrigen und hohen Energien (von wenigen GeV bis zu 14 TeV) untersucht. Sie erfordern eine fortwährende Entwicklung und Verbesserung der hochmodernen Detektoren, Datenerfassungssysteme, Beschleuniger-Strahlen und -Targets – ebenso wie der zugrundeliegenden theoretischen Modelle.

Die Ergebnisse von STRONG-2020 werden einen wesentlichen Einfluss auf die Erforschung der starken Wechselwirkung und des Standardmodells haben. Das Projekt wird darüber hinaus zur Grundlagenforschung für die Physik jenseits des Standardmodells beitragen und sich auf andere wissenschaftliche Bereiche auswirken, wie etwa Astrophysik oder Theorien über stark gekoppelte komplexe Systeme in kondensierter Materie. Die Instrumente und Methoden für die neuen hochkomplexen Experimente im Rahmen von STRONG-2020 werden es ermöglichen, die europäischen Forschungsinfrastrukturen zu stärken und ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. Die dabei entwickelten Technologien werden sich außerdem auf Medizin (Diagnosewerkzeuge, Krebsbehandlung) und Industrie (Zeilenkameras, 3D-Magnetfeld-Technologie) auswirken und können auch zu Fortschritten in Computertechnik und künstlicher Intelligenz führen.

STRONG-2020, intensiv unterstützt von NUPECC (Nuclear Physics European Collaboration Committee), vereint die führenden europäischen Forschungsgruppen und Infrastrukturen, die gegenwärtig in der Spitzenforschung zur starken Wechselwirkung involviert sind. Das Projekt bietet Zugang zu sechs erstklassigen Forschungsstrukturen in ganz Europa, die sich in Bezug auf die Eigenschaften von Teilchenstrahlen (COSY, MAMI, LNF-INFN, ELSA, GSI, CERN) ergänzen und virtuellem Zugang zu open-source Software bieten. STRONG-2020 fördert das Zusammenwirken von Theorie und Experiment durch Unterstützung des ECT* (European Centre for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Area) in Trient.

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