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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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: DESY 12. April 2024.

12. April 2024 – Turbulenz ist in der Natur allgegenwärtig. Sie existiert in unserem täglichen Leben genauso wie im fernen Universum und ist von Richard Feynman als „das letzte große ungelöste Problem der klassischen Physik“ bezeichnet worden. Huirong Yan, Leitende Wissenschaftlerin bei DESY und Professorin am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam entdeckte jetzt mit ihrer Arbeitsgruppe ein lang vorhergesagtes Phänomen: den Übergang von schwachen zu starken Plasmaturbulenzen im Weltraum. Sie wurden bei der Analyse von Daten der Cluster-Mission darauf aufmerksam – einer Weltraummission der ESA, bestehend aus einer Konstellation von vier Raumsonden in der Erdumlaufbahn, welche erforschen, wie Sonne und Erde interagieren.

Der Übergang von schwacher zu starker Alfvénischer Turbulenz ist die kritischste, bisher durch Beobachtungen nicht bestätigte Vorhersage der magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenztheorie der letzten drei Jahrzehnte. Sie ist besonders schwierig, weil die dreidimensionale Abtastung von Turbulenzänderungen bisher nicht möglich war. Daher entwickelte das Forschungsteam neue Analysemethoden, um dreidimensionale Informationen über Geschwindigkeits- und Magnetfeldänderungen zu erhalten und damit Beobachtungen und theoretische Vorhersagen vergleichen zu können. „Die beobachtete Bestätigung des Übergangs von schwacher zu starker Turbulenz löst nun das letzte Rätsel der MHD-Turbulenztheorie: Sie belegt, dass sich die Turbulenz unabhängig von anfänglichen Störungen während der Energiekaskade mit zunehmender Nichtlinearität von linearen wellenförmigen 2D-Fluktuationen zu starker 3D-Turbulenz selbstorganisiert, was die Allgemeingültigkeit der starken MHD Turbulenz unterstreicht“, sagt Huirong Yan.

Im Ergebnis vertiefen diese Erkenntnisse unser Wissen über die Turbulenz erheblich. Ihre Auswirkungen erstrecken sich über die Untersuchung der Turbulenz selbst hinaus auf Teilchentransport und -beschleunigung, auf Strukturänderungen von Magnetfeldern, auf die Sternentstehung und alle anderen relevanten physikalischen Prozesse von unserer Erde bis zum fernen Universum.

Originalveröffentlichung
Siqi Zhao, Huirong Yan et al., 2024, Identification of the weak-to-strong transition in Alfvénic turbulence from space plasma, Nature Astronomy
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02249-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02249-0.pdf

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Quelle: DESY 8. Januar 2024.

8. Januar 2024 – Ein internationales Team von Forschenden unter Leitung von Mungo Frost vom Forschungszentrum SLAC in Kalifornien und unter Beteiligung von DESY-Forschenden hat am Röntgenlaser European XFEL in Schenefeld neue Erkenntnisse zur Entstehung und Häufigkeit von Diamantregen auf Eisriesen wie Neptun, Uranus oder Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems gewonnen. Die jetzt im Fachjournal „Nature Astronomy“ veröffentlichen Ergebnisse geben auch Hinweise auf die Entstehung der komplexen Magnetfelder dieser Planeten.

Schon bei früheren Arbeiten an Röntgenlasern hatten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausgefunden, dass sich bei Drücken und Temperaturen, die im Inneren der großen Gasplaneten herrschen, aus Kohlenstoffverbindungen Diamanten bilden können. Diese würden dann als Edelstein-Regen aus den höheren Schichten weiter ins Innere der Planeten sinken.

Ein neues Experiment am European XFEL hat nun gezeigt, dass sich aus Kohlenstoffverbindungen schon bei geringerem Druck und niedrigeren Temperaturen als bislang vermutet Diamanten bilden. Für die eisigen Gasplaneten in unserem Sonnensystem bedeutet das: Der Diamantregen bildet sich schon in geringerer Tiefe als gedacht, und könnte so deren Magnetfeld stärker beeinflussen. Zudem sollte Diamantregen auch auf Gasplaneten möglich sein, die kleiner sind als Neptun und Uranus und als „Mini-Neptune“ bezeichnet werden. Mini-Neptune sind die häufigsten Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems.

Nachdem sich die Diamanten gebildet haben, können diese bei ihrem Weg nach unten in die tieferen Schichten Gas und Eis mitreißen und so Ströme von leitendem Eis verursachen. Ströme leitender Flüssigkeiten wirken wie eine Art Dynamo, durch den sich die Magnetfelder von Planeten bilden. „Diamantregen hat also wahrscheinlich Einfluss auf die Entstehung der komplexen Magnetfelder von Uranus und Neptun“, so Frost.

Als Kohlenstoffquelle nutzte die Gruppe eine Kunststofffolie aus der Kohlenwasserstoffverbindung Polystyren. Diese setzten sie sehr hohem Druck und Temperaturbedingungen aus, so wie sie im Inneren der Planeten herrschen. Zunächst steigerten sie den Druck, indem sie die Folie zwischen die Spitzen von zwei Diamanten klemmten. Diese sogenannten Diamantstempelzellen funktionieren wie ein Mini-Schraubstock. Anschließend setzten sie die Folie den Röntgenblitzen des European XFEL aus, um sie auf mehr als 2200 Grad Celsius zu erwärmen. Diese Temperaturen herrschen tief im Inneren der Eisplaneten. Anschließend nutzten die Forscher die Röntgenpulse um zu beobachten, wann und wie sich die Diamanten bilden. Druck und Temperatur geben dabei Aufschluss darüber in welcher Tiefe der Planeten die Edelsteine entstehen.

Dem internationalen Forscherteam gehören Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von European XFEL, den deutschen Forschungszentren DESY in Hamburg und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR sowie weiteren Forschungseinrichtungen und Universitäten aus verschiedenen Ländern an. DESY und HZDR sind Mitgliedsinstitute des European XFEL-Nutzerkonsortiums HIBEF, das maßgeblich zu dieser Forschung beigetragen hat. „Durch diese internationale Zusammenarbeit haben wir am European XFEL große Fortschritte erzielt und bemerkenswerte neue Erkenntnisse über Eisplaneten gewonnen“, so Frost.

„Wir freuen uns, dass dieses für die Planetenforschung wichtige Ergebnis mit der von DESY für HIBEF konzipierten Diffraktionsplatform für Hochdruckexperimente und dem AGIPD Detektor ermöglicht wurde“, sagt DESY-Wissenschaftler Cornelius Strohm, einer der Autoren der Veröffentlichung.

Originalveröffentlichung
M. Frost et al., Diamond Precipitation Dynamics from Hydrocarbons at Icy Planet Interior Conditions, “Nature Astronomy”, 2024, DOI:10.1038/s41550-023-02147-x
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02147-x

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 6. Oktober 2023.

6. Oktober 2023 – Am 24. September 2023 ist die Materialprobe eines der ursprünglichsten Objekte unseres Sonnensystems auf der Erde eingetroffen: Eine NASA-Raumsonde hat im Vorbeiflug eine Kapsel mit über 200 Gramm Staub des Asteroiden Bennu abgeworfen, den sie drei Jahre zuvor besucht hatte. Das Material wird im neuen Schwiete Cosmochemisty Laboratory der Goethe-Universität untersucht werden, das heute eingeweiht wurde. Kernstück des Labors ist ein hochmodernes Transmissionselektronenmikroskop (TEM), das die chemische und strukturelle Analyse winziger Materialproben erlaubt. Die Investition tragen die Dr. Rolf M. Schwiete Stiftung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und das Land Hessen.

Aus dem Staub, der unsere junge Sonne umkreiste, entstanden im Laufe der Zeit nicht nur die Planeten, sondern auch Millionen Materiebrocken. Rund 800.000 von ihnen kreisen heute im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter um die Sonne, ein Teil, die so genannten NEAs (Near Earth Asteroids) kommen gar der Erde immer wieder recht nahe. Viele Asteroiden haben sich seit ihrer Entstehung kaum verändert und stellen damit eine Art geologisches Archiv des Sonnensystems dar.

Aus diesem Grund schickte die amerikanische Weltraumbehörde NASA 2016 die Raumsonde OSIRIS-REx zu dem erdnahen Asteroiden Bennu, einem nur 500 Meter großen Himmelskörper, der zu den ursprünglichsten Objekten unseres Sonnensystems zählt. 2020 entnahm OSIRIS-REx mit einer Art Staubsauger rund 220 Gramm Material von Bennus Oberfläche und kehrte damit zur Erde zurück. Im Vorbeiflug warf die Sonde am 24. September eine Kapsel mit dem Asteroidenstaub ab. Wenige Gramm des kostbaren Materials werden Mitte Oktober an der Goethe-Universität erwartet. Hier wird der Staub in dem heute eingeweihten Schwiete Cosmochemisty Laboratory untersucht werden. Das Labor an der Goethe-Universität ist eines von nur vier TEM-Laboren und das einzige außerhalb der USA, die mit dieser Art der Analyse des Materials betraut wurden. Zusätzlich nutzt das Team rund um Prof. Brenker noch die Synchrotronstrahler ESRF in Grenoble und DESY in Hamburg für ihre hoch spezialisierten Untersuchungen.

Der Nano-Geowissenschaftler Prof. Frank Brenker von der Goethe-Universität erklärt: „Material von Asteroiden untersuchen zu dürfen, ist etwas ganz Besonderes. Denn anders als bei Meteoriten, die auf der Erde einschlagen, hat Asteroidenmaterial keinen Kontakt zur Erdatmosphäre gehabt, und wir können es in dem Zustand untersuchen, wie es draußen im Weltall vorliegt. Wir werden in der Materialprobe von Bennu unter anderem die Menge und die Verteilung sogenannter Seltenerdmetalle bestimmen, was wichtige Rückschlüsse auf die Entwicklung unseres Sonnensystems und der Erde zulassen wird.“

Dazu können die Wissenschaftler:innen jetzt ein Hightech-Mikroskop im neuen Schwiete Cosmochemisty Laboratory an der Goethe-Universität nutzen, ein sogenanntes Hochleistungs-Transmissionselektronenmikroskop. Der Stiftungsvorstand der Dr. Rolf M. Schwiete Stiftung, Dr. Jürgen Staiger, sagte auf der Einweihungsfeier: „Prof. Brenker hat an der Goethe-Universität Verfahren zur Untersuchung sensibler Proben etabliert, die nur wenige Wissenschaftsteams weltweit beherrschen. Wir freuen uns daher, dass wir bei der Anschaffung des Transmissionselektronenmikroskops maßgeblich unterstützen und auf diese Weise Spitzenforschung in der Geo- und Kosmochemie fördern konnten. Wir sind jetzt sehr gespannt darauf, was die Forschungsergebnisse uns über die Entstehung unseres Planeten verraten werden.“

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• OSIRIS-REx / OSIRIS-APEX auf Atlas V 411

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Quelle: DESY 5. Oktober 2023.

5. Oktober 2023 – Mit dem H.E.S.S.-Observatorium in Namibia hat ein internationales Forschungsteam die bislang energiereichsten Gammastrahlen von einem Pulsar entdeckt, einem ausgebrannten, toten Stern. Die registrierte Strahlung hat rund zehn Billionen Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Beobachtung lässt sich nur schwer mit der gängigen Theorie zur Erzeugung solcher gepulsten Gammastrahlung vereinbaren, wie das internationale Team in der Zeitschrift „Nature Astronomy“ berichtet.

Pulsare sind die übrig gebliebenen Reste von Sternen, die spektakulär in einer Supernova explodiert sind. Die Explosion hinterlässt einen winzigen, toten Stern mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern, der extrem schnell rotiert und mit einem enormen Magnetfeld ausgestattet ist. „Diese toten Sterne bestehen fast ausschließlich aus Neutronen und sind unglaublich dicht: Ein Teelöffel ihres Materials wiegt mehr als fünf Milliarden Tonnen, was etwa dem 900-fachen Gewicht der Großen Pyramide von Gizeh entspricht“, erklärt H.E.S.S.-Wissenschaftlerin Emma de Oña Wilhelmi von DESY, Mitautorin der Veröffentlichung.

Wie eine Art kosmische Leuchttürme senden Pulsare kreisende Strahlen ins All. Wenn ihr Strahl über unser Sonnensystem hinwegfegt, sehen wir in regelmäßigen Abständen Strahlungsblitze. Diese Blitze lassen sich bei zahlreichen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums beobachten, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Nach der gängigen Theorie stammt die Strahlung von schnellen Elektronen, die von den starken Magnetfeldern des Pulsars beschleunigt und abgelenkt werden. Die Elektronen bewegen sich dabei von der Oberfläche des Pulsars nach außen bis zum Rand seiner Magnetosphäre. „Auf ihrer Reise nach außen nehmen die Elektronen Energie auf und setzen sie in Form der beobachteten Strahlung frei“, sagt Ko-Autor Bronek Rudak vom Astronomischen Zentrum Nikolaus Kopernikus (CAMK PAN) in Polen. Der Bereich, in dem dies geschieht, wird Lichtzylinder genannt.

Der Vela-Pulsar befindet sich am Südhimmel im Sternbild Vela (Segel des Schiffes). Er ist der hellste Pulsar im Radioband des elektromagnetischen Spektrums und die hellste anhaltende Quelle kosmischer Gammastrahlung im Giga-Elektronenvolt-Bereich. Er rotiert etwa elfmal pro Sekunde. Oberhalb einiger Giga-Elektronenvolt (GeV) endet seine Strahlung jedoch abrupt, vermutlich weil die Elektronen das Ende der Magnetosphäre des Pulsars erreichen und aus ihr entweichen.

Doch wie sich nun herausstellte, ist das noch nicht alles: H.E.S.S. hat eine neue Komponente der Strahlung bei noch höheren Energien registriert. Diese kosmischen Gammaquanten besaßen eine Energie von bis zu 20 Tera-Elektronenvolt (TeV). „Das ist etwa 200 Mal energiereicher als sämtliche Strahlung, die bisher von diesem Objekt gemessen wurde“, sagt Ko-Autor Christo Venter von der North-West University in Südafrika. Diese neu entdeckte Komponente tritt synchron zur Strahlung im GeV-Bereich auf. Um diese enormen Energien zu erreichen, müssten die Elektronen jedoch stärker beschleunigt werden als dies eigentlich in der Magnetosphäre möglich ist. Und dabei muss der Rhythmus der Emission intakt bleiben.

„Dieses Ergebnis stellt unser bisheriges Wissen über Pulsare in Frage und erfordert ein Überdenken der Theorie von der Funktionsweise dieser natürlichen Beschleuniger“, sagt Arache Djannati-Atai vom Astroteilchen- und Kosmologie-Labor APC in Frankreich, der die Forschung geleitet hat. „Das traditionelle Schema, wonach die Teilchen entlang der Magnetfeldlinien innerhalb oder leicht außerhalb der Magnetosphäre beschleunigt werden, kann unsere Beobachtungen nicht ausreichend erklären. Vielleicht sind wir Zeugen der Beschleunigung von Teilchen durch die sogenannte magnetische Rekonnexion jenseits des Lichtzylinders, bei dem das Rotationsmuster noch irgendwie erhalten bleibt? Aber selbst dieses Szenario tut sich schwer mit der Erzeugung solch extrem energiereicher Strahlung.“ Die Theoretikerinnen und Theoretiker müssen daher neue Modelle entwickeln.

Wie auch immer die Erzeugung der Strahlung abläuft, hält der Vela-Pulsar neben anderen Superlativen nun offiziell den Rekord als Pulsar mit der energiereichsten Gammastrahlung, die bislang von einem solchen Objekt entdeckt worden ist. „Diese Entdeckung öffnet ein neues Beobachtungsfenster für die Entdeckung anderer Pulsare im Bereich von einigen Dutzend Tera-Elektronenvolt mit aktuellen und zukünftigen empfindlicheren Gammateleskopen und ebnet damit den Weg für ein besseres Verständnis der extremen Beschleunigungsprozesse in stark magnetisierten astrophysikalischen Objekten“, sagt Djannati-Atai.

Über H.E.S.S.
Das High Energy Stereoscopy System (H.E.S.S.) ist eine Anordnung von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Untersuchung kosmischer Gammastrahlen. Das Observatorium wird im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, in einer Region, die für ihre hervorragenden optischen Eigenschaften bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das wesentlich größere fünfte Teleskop mit der Bezeichnung H.E.S.S. II ist seit Juli 2012 in Betrieb und erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. Mehr als 230 Forschende aus 41 Instituten in 15 verschiedenen Ländern sind an H.E.S.S. beteiligt.

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.

Originalveröffentlichung
Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts; The H.E.S.S. collaboration; „Nature Astronomy“, 2023; DOI: 10.1038/s41550-023-02052-3, https://www.nature.com/articles/s41550-023-02052-3.

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren
• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quellen: DESY, Universität Münster (WWU) 29. Juni 2023.

29. Juni 2023 – Astrophysikerinnen und Astrophysiker haben erstmals überzeugende Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen gefunden, die mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten schwingen. Dies geht aus fünf Artikeln hervor, die am 29. Juni in der Zeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht wurden. Dazu werteten die Forscherinnen und Forscher Daten aus 15 Jahren aus, die das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) gesammelt hat. An einem der Forschungsartikel sind Kai Schmitz von der Universität Münster und Andrea Mitridate von DESY in Hamburg beteiligt. Diese Publikation beschäftigt sich mit der Hypothese, dass NANOGrav Gravitationswellen sieht, die im Urknall erzeugt wurden. Am NANOGrav-Konsortium sind neben dem Team der Universität Münster und von DESY auch Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover sowie von der Universität Mainz beteiligt.

Dies ist ein entscheidender Beleg für Gravitationswellen bei sehr niedrigen Frequenzen“, betont Stephen Taylor von der Vanderbilt University (USA), der die Suche mit geleitet hat und derzeit der Kollaboration vorsitzt. „Nach jahrelanger Arbeit öffnet NANOGrav ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum.“

Das NANOGrav-Konsortium, ein Zusammenschluss von mehr als 190 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, beobachtet Pulsare in unserer Galaxie mit großen Radioteleskopen und sucht dabei nach Gravitationswellen. Ein Pulsar ist der extrem dichte Überrest des Kerns eines massereichen Sterns nach dessen Lebensende in einer Supernova-Explosion. Pulsare drehen sich schnell und senden Strahlen von Radiowellen durch den Weltraum, sodass sie von der Erde aus gesehen zu pulsieren scheinen. „Wenn der Pulsar richtig orientiert ist, lässt sich dieses sehr regelmäßige Signal von der Erde aus messen. Man kann den Effekt mit dem Lichtkegel eines Leuchtturms vergleichen, der in einem bestimmten Takt aufblitzt – nur dass Pulsare viel schneller blinken; im Falle der von NANOGrav beobachteten Pulsare sogar im Millisekundentakt“, veranschaulicht Schmitz, Juniorprofessor am Institut für Theoretische Physik der Universität Münster, der dem NANOGrav-Konsortium angehört.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt genau voraus, wie Gravitationswellen Pulsarsignale beeinflussen sollten. Durch die Dehnung und Stauchung der Raumstruktur beeinflussen die Gravitationswellen die Ankunftszeit jedes Pulses auf eine kleine, aber vorhersehbare Weise, indem sie einige Pulse verzögern und andere früher die Erde erreichen lassen. Abweichungen nach einem bestimmten Muster, das sich auf langsam wogende (niederfrequente) Gravitationswellen zurückführen lässt, zeichnen sich nun in den Daten von 68 beobachteten Pulsaren ab, die das Konsortium in 15 Jahren Forschungsarbeit zusammengetragen hat. Frühere Ergebnisse von NANOGrav hatten zwar bereits ein rätselhaftes Signal in den gemessenen Zeitreihen enthüllt, das allen beobachteten Pulsaren gemeinsam war. Es war aber zu schwach, um daraus Rückschlüsse über seinen Ursprung zu ziehen.

Der jüngste Datensatz von NANOGrav zeigt nun zunehmend klare Hinweise auf Gravitationswellen mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten. Diese Wellen könnten von umkreisenden Paaren der massereichsten Schwarzen Löcher im gesamten Universum ausgehen: Sie sind Milliarden Mal massereicher als die Sonne und größer als der Abstand zwischen Erde und Sonne. Aus der Überlagerung der Signale vieler einzelner Schwarzlochpaare ergibt sich ein diffuses Gravitationswellen-Hintergrundrauschen. Zukünftige Studien dieses Signals werden ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum öffnen und unter anderem Einblicke in die Verschmelzung gigantischer Schwarzer Löcher in fernen Galaxien gewähren.

Zum Hintergrund: Im Gegensatz zu den niederfrequenten Gravitationswellen, die nur mit Pulsaren detektiert werden können, können flüchtige hochfrequente Gravitationswellen von bodengestützten Instrumenten wie LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) beobachtet werden. Für die erste direkte Messung von hochfrequenten Gravitationswellen mit dem LIGO-Detektor im Jahr 2015 erhielten Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne 2017 den Nobelpreis für Physik. Die neuen NANOGrav-Ergebnisse erschließen nun ein neues Frequenzband im Gravitationswellenspektrum, das in Relation zum LIGO-Frequenzband steht, wie etwa langwellige Radiowellen im elektromagnetischen Spektrum in Relation zu sichtbarem Licht stehen. Zudem ist NANOGrav keinen flüchtigen Gravitationswellen auf der Spur, sondern einem kontinuierlichen Hintergrundrauschen, das die Erde permanent und aus allen Richtungen erreicht.

Die Veröffentlichung der Ergebnisse von NANOGrav ist mit Gravitationswellen-Forschungsteams aus der ganzen Welt abgestimmt, die am 29. Juni ebenfalls jeweils neue Ergebnisse präsentieren. Neben NANOGrav sind dies weitere sogenannte Pulsar-Timing-Array-Konsortien aus Australien, China, Europa, und Indien, die zusammen im International Pulsar Timing Array (IPTA) organisiert sind.

Beitrag von Kai Schmitz und seiner Arbeitsgruppe (Universität Münster) und Andrea Mitridate (DESY) zu den NANOGrav-Veröffentlichungen vom 29. Juni
Das von NANOGrav gesehene Signal könnte auch einen kosmologischen Beitrag in Form von Gravitationswellen aus dem frühen Universum erhalten. Diese Hypothese wird in einer der fünf nun veröffentlichten Studien im Detail untersucht, die Kai Schmitz mit Andrea Mitridate, Postdoktorand bei DESY, leitete. „In unserer Arbeit“, führt Andrea Mitridate aus, „nehmen wir die Möglichkeit unter die Lupe, dass NANOGrav im Urknall erzeugte Gravitationswellen sieht – anstelle eines Signals astrophysikalischen Ursprungs, das von gigantischen Schwarzen Löchern ausgesendet wird, die einander im Zentrum von Galaxien umkreisen.“ Ein solcher Ur-Gravitationswellenhintergrund sollte als Gravitationspendant zum kosmischen Mikrowellenhintergrund – dem in den 1960er Jahren entdeckten „Nachglühen“ des Urknalls – angesehen werden.

„Viele Theorien zu neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik sagen die Entstehung von Gravitationswellen im Urknall voraus, darunter Phänomene wie kosmische Inflation, kosmologische Phasenübergänge oder sogenannte kosmische Strings“, erklärt Kai Schmitz. Andrea Mitridate ergänzt: „In diesem Sinne ermöglichen uns die NANOGrav-Daten, Modelle neuer Physik bei Energien zu untersuchen, die in Laborexperimenten auf der Erde unerreichbar sind.“ Es bedarf jedoch weiterer Untersuchungen, um festzustellen, ob sich letztlich die astrophysikalische Interpretation in Form von Doppelsystemen aus extrem massereichen Schwarzen Löchern oder die kosmologische Interpretation in Form von Gravitationswellen aus dem Urknall durchsetzen wird.

Forschungsförderung
Die Arbeit von NANOGrav erhielt finanzielle Unterstützung durch das Physics Frontiers Center der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) (Preisnummer 1430284 und 2020265), die Gordon and Betty Moore Foundation, die NSF (AccelNet-Preisnummer 2114721), ein Discovery Grant des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und das Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR). Das Arecibo-Observatorium ist eine Einrichtung der NSF. Sie wird im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung (#AST-1744119) von der University of Central Florida (UCF) in Zusammenarbeit mit der Universidad Ana G. Méndez (UAGM) und Yang Enterprises (YEI), Inc, betrieben. Das Green Bank Observatory und das National Radio Astronomy Observatory sind Einrichtungen der NSF, die im Rahmen von Kooperationsvereinbarungen durch Associated Universities, Inc, betrieben werden.

Originalveröffentlichung mit Beteiligung der Arbeitsgruppen von Universität Münster und DESY
Adeela Afzal et al./ The NANOGrav Collaboration (2023): The NANOGrav 15-year Data Set: Search for Signals from New Physics. The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.3847/2041-8213/acdc91, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91/pdf

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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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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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Quelle: DESY 23. Mai 2023.

23. Mai 2023 – Mit dem „Licht-durch-die-Wand-Experiment“ ALPS II startet heute bei DESY das weltweit empfindlichste modellunabhängige Experiment für die Suche nach besonders leichten Teilchen, aus denen die Dunkle Materie aufgebaut sein könnte. Nach wissenschaftlichen Berechnungen sollte diese ominöse Form von Materie fünfmal so häufig im Universum vorkommen wie normale, sichtbare Materie. Bisher hat jedoch noch niemand Teilchen dieses Stoffs messen können – mit dem ALPS-Experiment könnte dieser Nachweis jetzt gelingen.

Das rund 250 Meter lange Experiment ALPS (Any Light Particle Search) ist dabei auf der Suche nach einer besonders leichten Sorte von neuartigen Elementarteilchen. Mit der Hilfe von vierundzwanzig recycelten supraleitenden Magneten aus dem HERA-Beschleuniger, intensivem Laserlicht, Präzisionsinterferometrie und hochempfindlichen Detektoren will das internationale Forschungsteam nach diesen sogenannten Axionen oder axionartigen Teilchen fahnden. Diese Teilchen sollen nur extrem schwach mit bekannter Materie reagieren, so dass sie an Beschleunigerexperimenten nicht gefunden werden können. Daher verwendet ALPS ein völlig anderes Messprinzip: In einem starken Magnetfeld könnten sich Lichtteilchen – Photonen – in diese geheimnisumwitterten Teilchen und wieder zurück in Licht umwandeln. „Die Idee für ein Experiment wie ALPS existiert schon seit über 30 Jahren. Durch die Nutzung von Komponenten und der Infrastruktur des ehemaligen HERA-Beschleunigers in Verbindung mit modernsten Technologien sind wir jetzt erstmals in der Lage, ALPS II in einer internationalen Kollaboration zu realisieren“, sagt Beate Heinemann, Direktorin für Teilchenphysik bei DESY. Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums, ergänzt: „DESY hat sich zur Aufgabe gemacht, die Materie in ihrer ganzen Vielfalt zu entschlüsseln. ALPS II passt damit perfekt in unsere Forschungsstrategie und stößt dabei vielleicht die Tür zur Dunklen Materie auf.“

In einem rund 120 Meter langen Vakuumrohr, das von zwölf in gerader Reihe aufgestellten HERA-Magneten umschlossen wird, spiegelt das ALPS-Team hochintensives Laserlicht in einem sogenannten optischen Resonator hin und her. Sollte sich in dem starken Magnetfeld ein Photon in ein Axion verwandeln, könnte dieses eine lichtdichte Wand durchqueren, die am Ende dieser Magnetreihe steht. Hinter dieser Wand steht eine fast gleich aufgebaute Magnetstrecke. In ihr könnte sich dieses Axion wieder in Licht zurückverwandeln, das durch den Detektor am Ende aufgefangen wird. Ein zweiter optischer Resonator, der hier aufgebaut ist, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass aus einem Axion wieder ein Lichtteilchen wird, um den Faktor 10.000. Sieht man jetzt also Licht hinter der Wand, so muss es zwischendurch ein Axion gewesen sein. „Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Photon in ein Axion und wieder zurückverwandelt, ist allerdings trotz all unserer Techniktricks sehr klein – vergleichbar damit, dass man gleichzeitig mit 33 Würfeln einen Pasch wirft“, sagt DESY-Forscher Axel Lindner, Projektleiter und Sprecher der ALPS-Kollaboration.

Damit die Messung funktioniert, haben die Forschenden alle Komponenten des Experiments zur Höchstleistung getrieben. Der Lichtdetektor ist so empfindlich, dass er ein einzelnes Lichtteilchen pro Tag nachweisen kann. Auch die Präzision des Spiegelsystems für das Licht ist rekordverdächtig: der Spiegelabstand darf relativ zur Wellenlänge des Laserlichts höchstens um den Bruchteil eines Atomdurchmessers variieren. Und die jeweils neun Meter langen supraleitenden Magnete erzeugen in dem Vakuumrohr ein Magnetfeld von 5,3 Tesla, mehr als dem 100.000-fachen des Erdmagnetfelds. Die Magnete stammen aus dem 6,3 Kilometer langen Protonenring des HERA-Beschleunigers und erfuhren für das ALPS-Projekt ein Upcycling. Das Innere der ursprünglich gebogenen Magnete wurde extra für das Experiment geradegebogen, damit mehr Laserlicht in ihnen gespeichert werden kann, die Sicherheitseinrichtungen für den supraleitenden Betrieb bei minus 269 Grad Celsius wurden komplett überarbeitet. Vorgeschlagen wurde das Experiment ALPS von DESY-Theoretiker Andreas Ringwald. Er untermauerte mit seinen Berechnungen zur Erweiterung des Standardmodells auch die theoretische Motivation für das Experiment. Ringwald sagt: „Für ALPS haben Forschende aus der Experimentalphysik und der Theorie sehr eng zusammengearbeitet. Das Ergebnis ist ein Experiment mit einem einzigartigen Entdeckungspotenzial für Axionen, mit dem wir später vielleicht sogar nach hochfrequenten Gravitationswellen suchen können.“

Die Suche nach den Axionen beginnt zunächst in einem reduzierten Betriebsmodus, in dem die Suche nach „Untergrundlicht“, welches die Anwesenheit von Axionen vortäuschen könnte, vereinfacht wird. In der zweiten Jahreshälfte 2023 soll das Experiment die volle Sensitivität erreichen. Für 2024 ist dann eine Verbesserung des Spiegelsystems vorgesehen, außerdem kann später ein alternatives Lichtdetektorsystem installiert werden. Mit ersten Veröffentlichungen der Ergebnisse aus ALPS-Messungen rechnen die Forschenden für das Jahr 2024. „Selbst wenn wir mit ALPS keine leichten Teilchen finden sollten, werden wir mit dem Experiment die Ausschlussgrenzen für superleichte Teilchen um den Faktor 1000 verschieben“, ist Lindner überzeugt.

Insgesamt etwa 30 Forschende haben sich in der internationalen ALPS-Kollaboration zusammengefunden; sie kommen von sieben Forschungseinrichtungen: Neben DESY sind das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und das Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität in Hannover, die Cardiff University (Großbritannien), die University of Florida (Gainesville, Florida, USA), die Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz, die Universität Hamburg und die University of Southern Denmark (Odense) beteiligt.

Auch für die Zeit nach der Axionensuche haben die Forschenden schon Pläne. Sie wollen mit ALPS beispielsweise herausfinden, ob ein Magnetfeld die Ausbreitung des Lichts in Vakuum beeinflusst, wie vor Jahrzehnten von Euler und Heisenberg vorhergesagt. Und auch zum Nachweis von hochfrequenten Gravitationswellen wollen die Forschenden den experimentellen Aufbau weiterverwenden.

Was sind Axionen?
Axionen sind hypothetische Teilchen. Sie gehören zu einem physikalischen Mechanismus, den der Theoretiker Roberto Peccei zusammen mit seiner Kollegin Helen Quinn 1977 vorgeschlagen hat, um ein Problem der starken Wechselwirkung – einer der vier Grundkräfte der Natur – zu lösen. 1978 haben die Theoretiker Frank Wilczek und Steven Weinberg ein neues Teilchen mit diesem Peccei-Quinn-Mechanismus in Verbindung gebracht. Da dieses Teilchen die Theorie „bereinigen“ würde, nannte Wilczek es nach einem Waschmittel „Axion“. Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen werden von verschiedenen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt. Gäbe es sie, würden sie gleich eine ganze Reihe von heutzutage rätselhaften physikalischen Problemen lösen, unter anderem sind sie Kandidaten für die Bausteine der Dunklen Materie. Diese sollte nach aktuellen Berechnungen rund fünfmal so häufig im Universum vorkommen wie normale Materie.

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Quelle: DESY 21. Februar 2023.

21. Februar 2023 – Ein internationales Forschungsteam hat im Labor die Bedingungen auf eisigen Monden unseres Sonnensystems nachgestellt und dabei zwei neue Formen von salzigem Eis entdeckt. Die Beobachtung, die auf Messungen an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF und bei DESY zurückgeht, könnte bei der künftigen Erforschung von Eismonden wie Ganymed am Jupiter helfen, die für die Suche nach außerirdischem Leben interessant sind. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Baptiste Journaux von der Universität von Washington stellen ihre Entdeckung im Fachblatt „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) vor.

Könnte es Leben jenseits der Erde geben? Bieten manche Monde in unserem Sonnensystem lebensfreundliche Bedingungen? Und welche chemischen Prozesse laufen in diesen Eismonden ab? Die eisigen Begleiter von Planeten im äußeren Sonnensystem sind für die Forschung von besonderem Interesse, weil einige von ihnen unterirdische Ozeane besitzen, die unter einer gefrorenen Eisschicht verborgen sind. Das haben unter anderem die Raumsonden „Galileo“ und „Cassini-Huygens“ bestätigt, die unser Wissen über Eismonde erheblich erweitert haben.

Man nimmt an, dass Eismonde wie Europa und Ganymed vom Jupiter oder Enceladus und Titan vom Saturn entstanden sind, indem sie Gas und Eispartikel ihrer Heimatplaneten aufgesammelt haben. „Es sind abgesehen von der Erde die einzigen planetaren Körper, auf denen flüssiges Wasser über geologische Zeiträume hinweg stabil ist, was für die Entstehung und Entwicklung von Leben entscheidend ist“, erklärt Journaux. „Sie sind meiner Meinung nach der aussichtsreichsten Orte in unserem Sonnensystem, um außerirdisches Leben zu entdecken. Deshalb müssen wir ihre exotischen Ozeane und ihr Inneres untersuchen, um ihre Entstehung und Entwicklung besser zu verstehen und wie ihr Wasser so weit von der Sonne entfernt in den kalten Bezirken unseres Sonnensystems flüssig bleibt.“

Natürliches Frostschutzmittel
Vermutlich enthalten diese Ozeane Kochsalz (Natriumchlorid, NaCl), das als natürliches Frostschutzmittel den Gefrierpunkt des Wassers herabsetzt und es ihm so ermöglicht, auch bei frostigen Temperaturen noch flüssig zu bleiben, bei denen reines Wasser bereits gefrieren würde. Allerdings konnten die Planetenforscherinnen und -forscher das Kochsalz bisher selbst mit den ausgefeilten Methoden der Infrarot-Oberflächenspektroskopie der Raumsonden nicht eindeutig an der Oberfläche der Monde identifizieren. Keine der bekannten Verbindungen passt zu den Infrarotspektren der eisigen Mondoberflächen.

„Salz und Wasser sind unter den normalen Bedingungen sehr gut bekannt“, erläutert Journaux die möglichen Ursachen. „Aber darüber hinaus tappen wir völlig im Dunkeln. Jetzt beschäftigen wir uns mit diesen planetaren Objekten, die wahrscheinlich Verbindungen enthalten, die uns sehr vertraut sind, aber unter sehr exotischen Bedingungen. Wir mussten im Prinzip die gesamte mineralogische Grundlagenforschung aus dem 19. und frühen 20. Jahrhundert wiederholen, allerdings unter hohem Druck und niedriger Temperatur.“

Unter diesen Bedingungen kristallisiert das Wasser mit den darin gelösten Salzen und bildet sogenannte Hydrate. An der ESRF und bei DESY untersuchte das Team diese Kristalle mit Hilfe der Röntgenbeugung. Damit lässt sich die innere Struktur kristallisierter Materialien untersuchen, indem man sie mit Röntgenstrahlung beleuchtet und beobachtet, wie diese von der Probe gebeugt wird.

„Wir wollten verstehen, welche Verbindungen sich unter dem hohen Druck und den niedrigen Temperaturen auf den Eismonden bilden“, berichtet DESY-Koautorin Anna Pakhomova, die heute als Wissenschaftlerin an der ESRF arbeitet. „In unseren Experimenten haben wir die Einkristall-Röntgenbeugung eingesetzt, um zu verstehen, wie die neuen Hydrate auf atomarer Ebene organisiert sind. Das ist eine hervorragend geeignete Technik, um eindeutige Informationen über die Kristallstruktur eines Festkörpers zu erhalten.“

An der Extreme Conditions Beamline P02.2 von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III stellten die Forscherinnen und Forscher die Bedingungen auf den Eismonden nach, indem sie die Proben aus Wasser und Kochsalz in einer sogenannten Diamantstempelzelle zwischen zwei winzigen Diamanten zusammenpressten und dabei in einem Kryostaten gekühlt hielten, einer Art wissenschaftlichem Tiefkühlschrank. So setzten sie die Proben dem bis zum 25.000-fachen des Atmosphärendrucks aus. Unter diesen Bedingungen kristallisierten die Proben und bildeten dabei bisher unbekannten Formen von Salzhydraten.

Stabil auf Mondoberflächen
Bislang kannte die Wissenschaft nur ein einziges Kochsalz-Hydrat, eine Verbindung, bei der nur wenige Wassermoleküle im Kristallgitter eingeschlossen sind. Es handelt sich um eine einfache Struktur mit einem Salzmolekül für je zwei Wassermoleküle. Die neuen Experimente enthüllten zwei neue, unterschiedliche Formen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen, die beide einen viel größeren Wasseranteil in ihrer Struktur besitzen. In der einen kommen zwei Natriumchloridmoleküle auf 17 Wassermoleküle, in der anderen ein Natriumchloridmolekül auf 13 Wassermoleküle. Diese Beobachtung kann erklären, warum die Infrarot-Signaturen auf der Oberfläche der Jupitermonde „wässriger“ sind als erwartet.

„Diese neuen Phasen sind faszinierend, weil sie eine unerwartete Vielfalt von Wasser/Salz-Kristallstrukturen bei hohem Druck und niedriger Temperatur zeigen, die auch für andere Verbindungen noch erforscht werden sollte“, sagt Journaux.

Das Team konnte auch zeigen, dass eines der neuen Salzhydrate, NaCl-8.5(H₂O), unter den Oberflächenbedingungen eisiger Monde stabil ist und die häufigste Salzhydratart auf eisigen Welten sein dürfte. „Es besitzt die Struktur, auf die Planetenforscher gewartet haben, um die mysteriösen Spektren eisiger Oberflächen zu erklären“, betont Journaux. „Damit können wir die am besten geeigneten Orte auf der Oberfläche der Monde finden, um sie auf außerirdisches Leben zu untersuchen und um dort einmal zu landen und zu graben.“

Als nächstes planen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, andere Salzarten zu untersuchen, die für eisige Ozeanwelten relevant sind, und ihre spektralen Eigenschaften zu bestimmen, damit sie von kommenden Raumsonden wie dem „JUpiter ICy moon Explorer“ (JUICE) der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem „Europa Clipper“ der US-Raumfahrtbehörde NASA entdeckt werden können, die beide Anfang der 2030er Jahre in eine Jupiterumlaufbahn einschwenken sollen.

An der Untersuchung waren Forscherinnen und Forscher der Universität von Washington, des Instituts für Geochemie und Petrologie in der Schweiz, der Universität Bayreuth, des Jet Propulsion Laboratory der NASA, der Universität von Chicago sowie von der ESRF und von DESY beteiligt.

Originalveröffentlichung:
On the discovery of hyper-hydrated sodium chloride hydrates, stable at icy moon conditions; Baptiste Journaux, Anna Pakhomova, Ines E. Collings, Sylvain Petitgirard, Tiziana Boffa Balaran, J. Michael Brown, Steve D. Vance, Stella Chariton, Vitali .B. Prakapenka, Dongyang Huang, Jason Ott, Konstantin. Glazyrin, Gaston Garbarino, Davide. Comboni, Michael. Hanfland; „PNAS“, 2023; DOI: 10.1073/pnas.2217125120, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217125120.

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Quelle: DESY 7. Februar 2023.

7. Februar 2023 – Zum ersten Mal haben Forscher live verfolgt, was bei einem Asteroideneinschlag in dem getroffenen Material genau vor sich geht. Das Team von Falko Langenhorst von der Universität Jena und Hanns-Peter Liermann von DESY hat dazu einen Asteroideneinschlag mit Quarz im Labor nachgestellt und quasi in Zeitlupe in einer Hochdruckzelle ablaufen lassen. Dabei verfolgten die Forscher das Ereignis mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III. Die Beobachtung enthüllt einen Zwischenzustand in dem untersuchten Quarz und löst damit ein Jahrzehnte altes Rätsel über die Entstehung charakteristischer Strukturen in dem an der Erdoberfläche allgegenwärtigen Mineral. Die Analyse hilft, Spuren vergangener Einschläge besser zu verstehen, und hat möglicherweise darüber hinaus auch Bedeutung für ganz andere Materialien. Die Forscher stellen ihre Ergebnisse im Fachblatt „Nature Communications“ vor.

Indikator-Mineral
Asteroideneinschläge sind katastrophale Ereignisse, bei denen riesige Krater entstehen und manchmal Teile des Erdgesteins aufgeschmolzen werden. „Dennoch sind Krater erdgeschichtlich oft schwer nachzuweisen, denn durch Erosion, Verwitterung und Plattentektonik verschwinden sie im Laufe von Jahrmillionen“, erläutert Langenhorst. Daher dienen als Nachweis für einen Einschlag häufig Minerale, die durch die Wucht des Einschlags charakteristische Veränderungen erfahren. So wandelt sich der auf der Erdoberfläche allgegenwärtige Quarzsand (Siliziumdioxid, SiO₂) durch so einen Einschlag schrittweise in Glas um, wobei die Quarzkörner dann von mikroskopischen Lamellen durchzogen werden. Diese Struktur lässt sich erst unter dem Elektronenmikroskop detailliert erkunden und ist beispielsweise in Material aus dem relativ jungen Barringer-Krater in Arizona (USA) zu finden.

„Seit mehr als 60 Jahren dient dieses lamellenartige Glas als Indikator für einen Asteroideneinschlag, aber niemand wusste bisher, wie es überhaupt zu dieser Struktur kommt“, sagt Liermann. „Dieses Jahrzehnte alte Rätsel haben wir nun gelöst.“ Die Forscher hatten dazu jahrelang Techniken weiterentwickelt, mit denen sich Materialien unter Hochdruck im Labor untersuchen lassen. Dazu wird die Probe in der Regel in einer sogenannten Stempelzelle zwischen zwei kleinen Diamanten zusammengepresst. So lassen sich kontrolliert extreme Drücke wie im Erdinneren – oder wie bei einem Asteroideneinschlag – erzeugen.

Charakteristische Lamellen
Für seine Versuche verwendete das Team eine dynamische Diamantstempelzelle, in der sich der Druck während der Messung sehr schnell verändern lässt. Darin pressten die Forscher kleine Siliziumdioxid-Kristalle mit sehr regelmäßigem Kristallgitter immer stärker zusammen und durchleuchteten sie währenddessen mit dem intensiven Röntgenlicht von PETRA III, um ihre innere Struktur zu erkunden. „Die Kunst ist, den simulierten Asteroideneinschlag langsam genug ablaufen zu lassen, um ihn im Röntgenlicht verfolgen zu können, aber nicht zu langsam, so dass die für einen Asteroideneinschlag typischen Effekte noch entstehen können“, sagt Liermann. Als richtige Zeitdauer erwiesen sich dabei Experimente im Sekundenmaßstab.

„Wir konnten beobachten, dass sich die Quarzstruktur bei einem Druck von ungefähr 180.000 Atmosphären plötzlich in eine enger gepackte Übergangsstruktur umwandelt, die wir Rosiait-artig nennen“, berichtet Erstautor Christoph Otzen, der seine Doktorarbeit über diese Untersuchungen schreibt. „In dieser Kristallstruktur schrumpft der Quarz um ein Drittel seines Volumens. Die charakteristischen Lamellen formen sich genau dort, wo der Quarz diese sogenannte metastabile Phase bildet, die vor uns noch niemand in Quarz hat identifizieren können.“ Rosiait ist ein oxidisches Mineral, nach dem die auch bei anderen Materialien bekannte Kristallstruktur benannt worden ist. Es besteht nicht aus Siliziumdioxid, sondern ist ein Bleiantimonat (eine Verbindung aus Blei, Antimon und Sauerstoff).

Kollaps in ungeordnete Struktur
„Je höher der Druck steigt, desto größer wird der Anteil mit Rosiait-artiger Struktur im Quarz“, erläutert Otzen. „Lässt der Druck wieder nach, wandeln sich die Rosiait-artigen Lamellen aber nicht in die ursprüngliche Struktur von Quarz zurück, sondern sie kollabieren zu Glaslamellen mit ungeordneter Struktur. Diese Lamellen sehen wir auch in Quarzkörnern aus Ablagerungen von Asteroideneinschlägen.“ Menge und Orientierung der Lamellen lassen dabei Rückschlüsse auf den Druck beim Einschlag zu. „Seit Jahrzehnten werden solche Lamellen zum Nachweis und zur Analyse von Asteroideneinschlägen genutzt“, betont Langenhorst. „Aber erst jetzt können wir ihre Entstehung genau erklären und verstehen.“

Für die Untersuchung haben die Forscher nicht die größten technisch möglichen Drücke verwendet. „Im Bereich der höchsten Drücke entsteht so viel Hitze, dass das Material schmilzt oder verdampft“, erläutert Langenhorst. „Aufgeschmolzenes Material, das wieder zu Gestein erstarrt, gibt uns erstmal keine nützliche Auskunft. Wichtig ist jedoch genau der Druckbereich, in dem Minerale charakteristische Veränderungen im festen Zustand durchlaufen, und genau das haben wir in diesem Fall untersucht.“

Bedeutung für andere Materialien?
Die Ergebnisse könnten über die Erforschung von Asteroideneinschlägen hinaus Bedeutung haben. „Was wir beobachtet haben, könnte eine Modellstudie für die Glasbildung auch ganz anderer Materialien wie beispielsweise Eis sein“, betont Langenhorst. „Eventuell ist es ein typischer Weg, dass eine Kristallstruktur sich bei schneller Kompression in einem Zwischenschritt in eine metastabilen Phase umwandelt, die dann in die ungeordnete Glasstruktur übergeht. Auch das wollen wir weiter untersuchen, denn das wäre von großer Bedeutung für die Materialforschung.“

Mit dem bei DESY geplanten Ausbau von PETRA III zum weltbesten Röntgenmikroskop PETRA IV werden solche Untersuchungen in Zukunft noch realistischer möglich sein. „Die 200mal höhere Intensität der Röntgenstrahlung wird uns erlauben, diese Experimente 200 Mal schneller ablaufen zu lassen, so dass wir einen Asteroideneinschlag noch realistischer simulieren können“, sagt Liermann.

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

Originalveröffentlichung:
Evidence for a rosiaite-structured high-pressure silica phase and its relation to lamellar amorphization in quartz; Christoph Otzen, Hanns-Peter Liermann, Falko Langenhorst; „Nature Communications“, 2023; DOI: 10.1038/s41467-023-36320-7
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36320-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-36320-7.pdf

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• Barringer-Krater

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Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik 6. Dezember 2022.

6. Dezember 2022 – Die im Labor gemessenen Intensitätsverhältnisse wichtiger Strahlungslinien von Eisen wichen bislang von den berechneten ab, und damit herrschte auch Unklarheit über die aus den Röntgenspektren abgeleiteten Zustände sehr heißer Gase, wie in der Korona der Sonne oder der Umgebung Schwarzer Löcher. Mit den neuen experimentellen Daten wurde nun eine Übereinstimmung mit der Theorie erreicht. Damit können Röntgendaten von Weltraumteleskopen zukünftig mit hohem Vertrauen an die dahinterliegenden Atommodelle analysiert werden.

Nahezu alles, was wir über ferne Sterne, Gasnebel und Galaxien wissen, beruht auf der Analyse des Lichts, das wir von ihnen empfangen. Genauer gesagt, der elektromagnetischen Wellen, denn mittlerweile steht Astronomen deren gesamtes Spektrum zur Verfügung. In welchem Spektralbereich ein Körper oder ein Gas besonders hell leuchtet, hängt vor allem von seiner Temperatur ab: Je heißer, desto energiereicher die Strahlung. Im Weltraum befindet sich mehr als 99 Prozent der gesamten sichtbaren Materie im Plasmazustand; es ist so heiß, dass die Atome ein oder mehrere Elektronen verloren haben und als positiv geladene Ionen vorliegen. Extrem heiße Plasmen mit Temperaturen von mehr als eine Million Grad gibt es zum Beispiel in der während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbaren Korona der Sonne. Darüber hinaus findet man sie in der Umgebung von Schwarzen Löchern oder als intergalaktisches Gas zwischen den Galaxien.

Die von solchen Plasmen ausgesandte Röntgenstrahlung weist die Fingerabdrücke der in ihnen befindlichen chemischen Elemente auf. Sehr prominent sind Strahlungslinien (Emissionslinien) von mehrfach ionisiertem Eisen, insbesondere Fe XVII, das von seinen ursprünglichen 26 Elektronen 16 verloren hat. Der Grund: Eisen ist unter den schweren Elementen häufig und Fe XVII über einen breiten Temperaturbereich vertreten.

Bei der Analyse eines Röntgenspektrums vergleicht man neben den Energien der Emissionslinien unter anderem die Intensitätsverhältnisse charakteristischer Linien. Um daraus auf die Eigenschaften des kosmischen Plasmas schließen zu können, muss man diese Intensitätsverhältnisse gut kennen. Das ist möglich, indem man sie theoretisch berechnet und im Labor experimentell überprüft. Und genau das war bislang das Problem: Quantenmechanische Rechnungen und Laborergebnisse des Intensitätsverhältnisses von zwei starken Linien namens 3C und 3D wichen um etwa 20 Prozent voneinander ab und stellten unser Verständnis atomarer Struktur und das Vertrauen in die genutzten Modelle in Frage.

Das war nicht nur ein Problem für die Astronomen, sondern auch für die Physiker, denn wo lag der Fehler, in der Theorie oder dem Experiment? Vor zwei Jahren hatte das Team um Doktorand Steffen Kühn vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) das bis dahin genauestes Experiment durchgeführt, und auch damals blieb eine unerklärbare Diskrepanz bestehen. Das MPIK-Theorieteam um Natalia Oreshkina und Zoltan Harman, sowie Marianna Safronova und Charles Cheung in den USA und Julian Berengut in Australien hatten Supercomputer heißlaufen lassen, um die Emissionslinien 3C und 3D von Fe-XVII mit höchster Präzision erneut zu berechnen: Die Diskrepanz sowie die Fragestellung blieben: Wer hatte Recht?

„Wir waren überzeugt alle damals bekannten systematische Effekte bei der Messung im Griff zu haben“, erinnert sich Kühn. Doch in einem letzten Anlauf wollte er und das Forscherteam geleitet von José Crespo der Sache auf den Grund gehen: Anstelle des Intensitätsverhältnisses der beiden Linien versuchte man die absolute Stärke der einzelnen Übergänge, auch Oszillatorstärke genannt, zu vermessen. Doch um diese individuellen Linienstärken zu vermessen und den Übeltäter der beiden Linien in der theoretischen Betrachtung zu identifizieren, musste die Qualität der Messdaten erheblich verbessert werden.

Für diese knifflige Messung hat Kühn im Rahmen seiner Doktorarbeit eine Electron Beam Ion Trap Apparatur (PolarX-EBIT) verwendet, die im Rahmen eines Projekts von Postdoc Sonja Bernitt am MPIK gebaut worden war. In ihr werden Eisen-Ionen durch einen Elektronenstrahl produziert und in einem Magnetfeld gefangen. Dabei entfernt der Elektronenstrahl die äußeren Elektronen der Eisen-Ionen, bis das gewünschte Fe XVII vorliegt. Dann werden die gefangenen Eisen-Ionen mit Röntgenlicht geeigneter Energie bestrahlt, sodass sie leuchten. Dafür muss die eingestrahlte Energie der Röntgenphotonen variiert werden, bis die gesuchten Linien exakt getroffen werden. Da handelsübliche Quellen die benötigte Röntgenstrahlung nicht produzieren können, musste die PolarX-EBIT zum DESY nach Hamburg transportiert werden. Dort erzeugt das Synchrotron PETRA III einen Röntgenstrahl, dessen Energie sich über einen bestimmten Energiebereich durchstimmen lässt. Auf diese Weise regt man die Eisen-Ionen zur Emission von Röntgenstrahlung an, die dann in Abhängigkeit von der eingestrahlten Photonenenergie spektral analysiert wird.

Mit trickreichen Verbesserungen an der Apparatur und am Messschema gelang es Kühn mit seinen Kollegen Moto Togawa, René Steinbrügge und Chintan Shah, in langen Tagen und kurzen Nächten an der PETRAIII-Strahlröhre die Auflösung der Spektren im Vergleich zu ihrer vorherigen Messung noch einmal zu verdoppeln und den störenden Untergrund, wie er bei jeder Messung auftritt, um einen Faktor tausend zu unterdrücken. Die enorm verbesserte Datenqualität brachte den Durchbruch: Erstmals konnten die zu untersuchenden Emissionslinien vollständig von benachbarten Linien getrennt werden. Außerdem ließen sich die Linien 3C und 3D nun bis zum äußersten Rand vermessen. „In den bisherigen Messungen waren die Flügel dieser Linien im Untergrund versteckt, was zu einer fehlerhaften Interpretation der Intensitäten geführt hatte“, erklärt Kühn. Damit ist auch Maurice Leutenegger vom NASA Goddard Space Flight Center hochzufrieden, der als Experte für Röntgenastrophysik am Experiment mitbeteiligt war: Das Endergebnis stimmt nun hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen überein. Das freut auch die Theoretiker.

Damit ist das Vertrauen in die quantenmechanischen Rechnungen gestärkt, mit denen astrophysikalische Spektren analysiert werden. Dies gilt besonders für Linien, für die es keine experimentellen Vergleichswerte gibt“, verdeutlicht Kühn die Bedeutung des neuen Resultats. Und die Spektren der Weltraumteleskope können nun mit höherer Genauigkeit ausgewertet werden. Das betrifft auch zwei große Röntgenobservatorien, die demnächst ins All gelangen sollen: Das unter japanischer Leitung gebaute X-Ray Imaging Spectroscopy Mission (XRISM, Start im Mai 2023) und das Athena X-Ray Observatory der Europäischen Weltraumorganisation ESA (Start in den frühen 2030er Jahren).

Originalpublikation:
New Measurement Resolves Key Astrophysical Fe-XVII Oscillator Strength
Steffen Kühn, Charles Cheung, Natalia S. Oreshkina, René Steinbrügge, Moto Togawa, Sonja Bernitt, Lukas Berger, Jens Buck, Moritz Hoesch, Jörn Seltmann, Florian Trinter, Christoph H. Keitel, Mikhail G. Kozlov, Sergey G. Porsev, Ming Feng Gu, F. Scott Porter, Thomas Pfeifer, Maurice A. Leutenegger, Zoltán Harman, Marianna S. Safronova, José R. Crespo López-Urrutia and Chintan Shah
Physical Review Letters, 5. Dezember 2022 DOII: doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.245001, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.245001.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Universität Hamburg 25. Oktober 2022.

Die Ausstellung ist ein einzigartiges Kooperationsprojekt zwischen den Hamburger Wissenschaftseinrichtungen Universität Hamburg und ihrem Exzellenzcluster Quantum Universe mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und dem Museum der Arbeit. Es macht die Spitzenforschung der Hansestadt für ihre Bürgerinnen und Bürger erfahrbar und bietet auch ein umfangreiches Begleitprogramm für Kinder und Jugendliche.

Auf der Reise zum Ursprung des Universums geht es dabei mehr als 13 Milliarden Jahre zurück. Die Ausstellung gibt spannende Einblicke in die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse in der Teilchenphysik, Astroteilchenphysik und Kosmologie und präsentiert sie auf interaktive Weise: Eine Funkenkammer macht die allgegenwärtige Strahlung sichtbar, die an den Grenzen unserer Atmosphäre beim Aufprall hochenergetischer Teilchen aus den Tiefen des Weltalls entsteht. In der interaktiven Installation „Big Bang“ können die Besucherinnen und Besucher das frühe Universum entdecken und durch das Zeitalter der Elementarteilchen navigieren oder sich in der „Dark Matter Simulation“ anschauen, was ein veränderter Anteil von Dunkler Materie in Sternensystemen für Effekte hat.

Prof. Dr. Rita Müller, Direktorin des Museums der Arbeit: „Das Museum der Arbeit hat sich in seinen Ausstellungen der letzten Jahre mit vielen besonders relevanten Themen auseinandergesetzt – von der zunehmenden Bedeutung der künstlichen Intelligenz über die Rolle von Hamburger Unternehmen im Kolonialismus bis hin zum Umgang mit gesellschaftlichen Konflikten. Der Blick dieser Ausstellungen richtete sich vornehmlich auf die jüngere Geschichte und die unmittelbare Gegenwart. Mit der Ausstellung „Wie alles begann“ lädt das Museum nun zu einer Zeitreise zum Ursprung unseres Universums ein und präsentiert auf anschauliche Weise die aktuellsten Erkenntnisse aus der Physik und die Arbeit der Forschenden. Ich freue mich sehr, dass dieses außergewöhnliche Ausstellungsprojekt im Museum der Arbeit zu sehen ist und danke allen beteiligten wissenschaftlichen Institutionen für die großartige Zusammenarbeit.“

Prof. Dr. Hauke Heekeren, Präsident der Universität Hamburg: „Wer möchte nicht mehr über ihn wissen – über den Ursprung unseres Universums? Das geht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nicht anders als interessierten Bürgerinnen und Bürgern. Daher ist es für uns als Hochschule ein ganz elementarer Teil unserer Aufgabe, uns in die Gesellschaft zu öffnen und zum Beispiel mit Ausstellungen und Kooperationen wie dieser unser Wissen zu vermitteln, auch außerhalb unseres eigenen Wirkungskreises. Ich freue mich sehr über dieses besondere Projekt von unserem Exzellenzcluster Quantum Universe, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und dem Museum der Arbeit, mit welchem die Universität Hamburg auch die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder umsetzen.“

Prof. Dr. Beate Heinemann, DESY-Direktorin für den Forschungsbereich Teilchenphysik: „Das Universum strahlt eine geradezu unglaubliche Faszination aus, die uns Forschende antreibt, ihm seine vielen Geheimnisse zu entlocken. Wo kommen wir her, wo gehen wir hin – diese Forschung hat Einfluss auf unsere Kultur und unser Denken. Mit der Ausstellung „Wie alles begann“ nehmen wir Bürgerinnen und Bürger mit auf eine Reise durchs Universum und lassen sie an unserer Forschung und unserer Faszination fürs Universum teilhaben.“

Dr. Nina Lemmens, Programmvorständin der Joachim Herz Stiftung: „Woraus besteht unser Universum? Hat das Universum einen Anfang und ein Ende? – Diese Fragen stoßen gerade bei Jugendlichen auf großes Interesse. Ich freue mich sehr, dass die Joachim Herz Stiftung mit ihrer Förderung zum Gelingen dieser spannenden Ausstellung beitragen konnte. Entstanden sind so auch Führungen für Schulklassen der Sekundarstufe I oder II und passende digitale Unterrichtsmaterialien, die zur Vor- und Nachbereitung des Ausstellungsbesuches eingesetzt werden können. Die digitalisierten Ausstellungsinhalte können darüber hinaus auch außerhalb von Hamburg oder nach Ausstellungsende im Unterricht genutzt werden. Das alles vermittelt den Jugendlichen anschaulich zentrale Erkenntnisse aus der Teilchenphysik, der Astrophysik und der Kosmologie.“

Wer sich am Schluss seines Ausstellungsrundgangs eine Vorstellung vom Ende des Universums machen will, kann in einer begehbaren Installation zwischen drei möglichen Szenarien, Big Crunch, Big Rip oder Big Freeze, wählen. Zum Auspowern gibt es außerdem die Möglichkeit, eine Runde Protonen-Fußball zu spielen oder die eigene Muskelkraft bei der Trennung von Quarks in Atomkernen zu testen.

Erweitert wird die Ausstellung durch Werke von fünf Hamburger Kunstschaffenden, die Fragen nach der Unendlichkeit des Weltalls, der Erforschung des Urknalls und die damit verbundenen Vorstellungen aus einer künstlerischen Sichtweise erfahrbar machen. Außerdem gibt es ein umfangreiches Begleitprogramm für Kinder und Jugendliche.

Die Ausstellung wurde ursprünglich von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften/Institut für Hochenergiephysik in Wien (HEPHY) und dem Naturhistorischen Museum (NHM) Wien entwickelt, wo sie 2016/17 gezeigt wurde. Im Rahmen des Exzellenzclusters Quantum Universe der Universität Hamburg wurde das Ausstellungskonzept übernommen und in Zusammenarbeit mit DESY um die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse und Einblicke in die Hamburger Forschung ergänzt.

Förderer der Ausstellung sind die Joachim Herz Stiftung und die Behörde für Wissenschaft, Forschung und Gleichstellung.

Veranstaltungsort:
Museum der Arbeit
Sonderausstellung „Wie alles begann: Von Galaxien, Quarks und Kollisionen“
Wiesendamm 3
22305 Hamburg
(direkt am U-/S-Bahnhof Barmbek)

Weitere Informationen:

Informationen zur Ausstellung (Museumsseite)

„Wissenswelle“: Podcast der Universität Hamburg zur Ausstellung und zum Urknall

Online Guide zur Ausstellung

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Quelle: DESY 29. September 2022.

29. September 2022 – Das Deutsche Zentrum für Astrophysik – Forschung. Technologie. Digitalisierung. (DZA) wird in der sächsischen Lausitz angesiedelt. Das wurde heute von Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger und den Ministerpräsidenten von Sachsen und Sachsen-Anhalt, Michael Kretschmer und Reiner Haseloff, verkündet. Damit ist die Entscheidung im Wettbewerb „Wissen schafft Perspektiven für die Region“ zum Aufbau zweier Großforschungszentren in der sächsischen Lausitz und im Mitteldeutschen Revier gefallen. Der andere Gewinner des Wettbewerbs ist das „Center for the Transformation of Chemistry“.

Das DZA ist eine gemeinsame Initiative der Astronomie und Astroteilchenphysik in Deutschland. Das neue Großforschungszentrum wird zwei Standorte bekommen: In Görlitz soll es die Datenströme astronomischer Observatorien rund um den Globus zusammenführen und in enger Kooperation mit der Industrie und Technologiezentren in Sachsen und weltweit neue Technologien entwickeln. Im Landkreis Bautzen ist ein Untergrundforschungslabor im Granit der Lausitz, einem Ort größter seismologischer Ruhe, vorgesehen. Zu den Antragstellern gehören viele namhafte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, unterstützt von großen deutschen Wissenschaftsorganisationen. DESY hat in den Monaten der Ausarbeitung des Vorschlags die Initiative führend unterstützt: Das Projektbüro war bei DESY angesiedelt und Christian Stegmann, Direktor für Astroteilchenphysik bei DESY und Leiter des Standorts in Zeuthen ist einer der Antragssteller des DZA.

„DESY wird weiterhin den Aufbau des DZA unterstützen. Für die Astroteilchenphysik als wachsendes Forschungsthema in Deutschland und darüber hinaus wird das DZA ein international sichtbarer Leuchtturm werden, fest verwurzelt in der Lausitz“, sagt Stegmann.

Mit dem DZA entsteht ein nationales Forschungszentrum mit internationaler Strahlkraft, das ressourcensparende Digitalisierung vorantreibt, neue Technologien entwickelt, für Transfer sorgt und Perspektiven für die Region schafft. Es begegnet damit auch den großen gesellschaftlichen Herausforderungen des Klimawandels und des Fachkräftebedarfs und trägt durch die Entwicklung verschiedener Schlüsseltechnologien zur technologischen Souveränität Deutschlands bei.

Federführend für die Initiative und designierter Gründungsdirektor des DZA ist der wissenschaftliche Direktor der Europäischen Weltraumorganisation ESA, Günther Hasinger. „Dieser Wettbewerb eröffnete neue Perspektiven, für die Regionen in Sachsen und für unsere Gesellschaft – ein wichtiges Zeichen für die Zukunft in einer schwierigen Zeit.“

Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums, ergänzt: „Die Förderung des DZA ist ein wichtiges Zeichen für die Rolle von Großforschungszentren und die Grundlagenforschung in Deutschland. Das DZA hat großes Potenzial im Bereich Innovation und Transfer und wird nachhaltige Impulse für den Strukturwandel, aber auch für die technologische Souveränität Deutschlands setzen.“

Astrophysik war und ist eine Hightech-Wissenschaft mit großer Innovationskraft. Eine Säule des Transferkonzepts des DZA sind frühzeitige, enge Kooperationen mit Industrie, Universitäten und außeruniversitären Forschungsorganisationen, in denen gemeinsam im Verbund neue Technologien entwickelt werden. Mit einem Zentrum für Innovation und Transfer (ZIT) geht das DZA dabei neue Wege der Zusammenarbeit von Forschung und Wirtschaft. Durch internationale Sichtbarkeit und Vernetzung will das DZA Fachkräfte anziehen und Perspektiven für junge Menschen in der Region schaffen.

Die Standorte des DZA werden in Görlitz und im Landkreis Bautzen sein. Die Förderung sieht eine dreijährige Aufbauphase vor, bevor das Zentrum formal gegründet werden kann. Die TU Dresden wird die Projektträgerschaft in diesem Zeitraum übernehmen. Nach der Aufbauphase ist in der Endausbaustufe eine jährliche Förderung von rund 170 Millionen Euro vorgesehen; im Zentrum selbst werden mehr als 1000 Mitarbeitende beschäftigt sein.

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• Deutsches Zentrum für Astrophysik (DZA)

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