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

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

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

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

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

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

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

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

15. Dezember 2021 – Maschinenbauingenieurin, Pilotin oder Physikerin? Dass sich Hannah Elfner nach dem Abitur für das Physikstudium entschieden hat und sie dann bald zielsicher das Quark-Gluon-Plasma erforschen wollte, ist ein Glücksfall für dieses Forschungsgebiet. Denn bereits in ihrer preisgekrönten Dissertation wies die Physikerin daraufhin, dass die Phasenabläufe im Quark-Gluon-Plasma weitaus komplexer sind als damals angenommen. Für weitere Erkenntnisse über den extrem kurzen Moment nach dem Urknall erhielt sie neben anderen Preisen 2016 den renommierten Heinz Maier-Leibnitz-Preis für Nachwuchswissenschaftler.

Zu dieser Zeit erforscht sie schon seit vier Jahren in Frankfurt, wie sich Schwerionenkollisionen, mit denen experimentelle Physiker Prozesse nach dem Urknall simulieren und bei denen das Quark-Gluon-Plasma unter extremer Dichte entsteht, mit mathematischen Modellen beschreiben lassen. Als eine der jüngsten Physikprofessorinnen in Deutschland berufen, besetzt Elfner eine Doppelstelle am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) an der Goethe-Universität und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Inzwischen lehrt und forscht sie auf einer unbefristeten Professur an der Goethe-Universität, wo sie unter anderem in das Cluster-Projekt „Elements“ eingebunden ist. Seit wenigen Monaten koordiniert sie zudem die Theorieabteilung am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, wo sie zuvor mehrere Jahre lang eine Nachwuchsforschungsgruppe leitete.

Ein Glücksfall ist Hannah Elfner aber auch für das Team ihrer Nachwuchswissenschaftler. In der Laudatio zur „Scientist of the Year“-Auszeichnung beschreiben ehemalige und aktuelle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter eindrücklich die individuelle Zuwendung, die die Physikprofessorin jedem einzelnen ihrer Studierenden und Doktoranden zukommen lässt – was unter anderem ein Grund dafür ist, dass Hannah Elfner nun als „Scientist of the Year“ ausgezeichnet wird. Universitätspräsident Enrico Schleiff sagt: „Frau Elfner ist eine exzellente junge Wissenschaftlerin, die sich sehr für ihr Fach und ihr Team einsetzt und mit ihrer Expertise ideal zu unseren Forschungsschwerpunkten beiträgt. Dass dieses Engagement von der Kassel-Stiftung gewertschätzt und unterstützt wird, freut mich natürlich ganz besonders.“ Den Preis „Scientist oft the Year“ vergibt die Alfons und Gertrud Kassel-Stiftung alle zwei Jahre an Forschende, die sich ergänzend zur eigenen herausragenden wissenschaftlichen Arbeit auch um die Nachwuchsförderung verdient machen; ein Teil des Preisgeldes in Höhe von 25.000 Euro soll deshalb auch in die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses fließen. Die für Anfang Dezember geplante feierliche Übergabe des Preises wurde pandemiebedingt nun auf das Frühjahr verschoben.

Sehr viel Spaß mache ihr die Arbeit mit den Studierenden, betont die Physikerin. Ein weiteres Motiv für ihr großes Engagement für den Nachwuchs: Sie möchte Studierende für ihr Fachgebiet zwischen theoretischer Grundlagenforschung und Experimentalphysik interessieren. In ihrer Arbeitsgruppe werden realistische dynamische Beschreibungen für Kollisionen von Atomkernen von Gold oder Blei unter Quasi-Lichtgeschwindigkeit entwickelt, die mit Teilchenbeschleunigern wie am CERN ausgelöst werden. 2025 soll der Bau des neuen internationalen Beschleunigerzentrums FAIR bei GSI in Darmstadt abgeschlossen sein. Von den Experimenten, die dort stattfinden sollen, erwarten Hannah Elfner und ihr Team genau auf ihre Fragestellungen passende Daten.

Von ihrem zweijährigen Aufenthalt an der US-amerikanischen Duke-University hat die Physikerin das Wissen mitgebracht, wie sie die mathematischen Berechnungen der Atomkernkollisionen in hoher Qualität visualisieren kann: eben jenen extrem kurzen Moment, bei dem die Protonen und Neutronen des Atomkerns zu kleineren Teilen, den Quarks, zerfallen und diese getrennt von den Gluonen auftreten, mit denen sie sonst „zusammenkleben“. Die faszinierenden Bewegungsbilder des Quark-Gluon-Plasmas dienen den Wissenschaftlern auch als Kontrolle für ihre Berechnungen: Mathematische Fehler werden sofort sichtbar. Die ästhetisch beeindruckenden Visualisierungen, die die extrem kurzen Prozesse bei einer Temperatur von einer Billion Grad darstellen, können aber auch Laien eine Ahnung vom „Big Bang“, dem Urknall, vermitteln.

Hannah Elfner hat die Bilder deshalb immer im Gepäck, wenn sie außerhalb der Universität – bei Vorträgen in Volkshochschulen oder Schülerprojekten beispielsweise – über ihr Forschungsgebiet berichtet. Bei solchen bürgernahen Terminen sagt Sie immer gern zu. Denn Wissenschaftskommunikation ist ihr wichtig. Und außerdem, sagt sie, solle man ruhig sehen, „dass auch Frauen Physikprofessoren sein können.“

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• Urknall

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Quelle: WWU.

3. Dezember 2021 – In kosmologischen Rechnungen wird fast immer angenommen, dass die Materie im Universum gleichmäßig verteilt ist. Das liegt daran, dass die Berechnungen zu kompliziert würden, würde man die Position jedes einzelnen Sterns einbauen. In Wirklichkeit ist das Universum nicht gleichmäßig. An manchen Stellen befinden sich Sterne und Planeten, an anderen herrscht Leere. Die Physiker Michael te Vrugt und Prof. Dr. Raphael Wittkowski vom Institut für Theoretische Physik und vom Center for Soft Nanoscience (SoN) der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben jetzt mit der Physikerin Dr. Sabine Hossenfelder vom Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) ein neues Modell für dieses Problem entwickelt. Ausgangspunkt ist der Mori-Zwanzig-Formalismus, eine Methode zur Beschreibung von Systemen aus sehr vielen Teilchen mit einer kleinen Anzahl von Messgrößen. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Zum Hintergrund: Die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie (ART) ist eine der erfolgreichsten Theorien der modernen Physik. Zwei der letzten fünf Physiknobelpreise betrafen dieses Gebiet: 2017 für die Messung von Gravitationswellen, 2020 für die Entdeckung eines schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße. Eine der wichtigsten Anwendungen der ART ist die Beschreibung der kosmischen Expansion, also der Ausdehnung des Universums seit dem Urknall. Die Geschwindigkeit dieser Ausdehnung wird von der Menge an Energie im Universum bestimmt. Neben der sichtbaren Materie spielen hier – zumindest gemäß dem aktuell in der Kosmologie verwendeten „Lambda-CDM-Modell“ – vor allem die dunkle Materie und dunkle Energie eine Rolle.

„Streng genommen, ist es mathematisch falsch, den Mittelwert der Energiedichte des Universums in die Gleichungen der ART einzusetzen“, betont Sabine Hossenfelder. Die Frage ist nun, wie „schlimm“ dieser Fehler ist. Manche Experten halten ihn für irrelevant, andere sehen darin die Lösung für das Rätsel der dunklen Energie, deren physikalische Natur bislang unbekannt ist. Eine ungleichmäßige Verteilung der Masse im Universum kann sich auf die kosmische Expansionsgeschwindigkeit auswirken.

„Der Mori-Zwanzig-Formalismus wird bereits in sehr vielen Forschungsgebieten von der Biophysik bis zur Teilchenphysik erfolgreich eingesetzt, daher bot er auch für dieses astrophysikalische Problem einen vielversprechenden Ansatz“, erklärt Raphael Wittkowski. Das Team verallgemeinerte diesen Formalismus, sodass er auf die ART angewendet werden konnte, und leitete so ein Modell für die kosmische Expansion unter Berücksichtigung kosmischer Ungleichmäßigkeiten her.

Das Modell macht eine konkrete Vorhersage für die Auswirkung dieser sogenannten Inhomogenitäten auf die Geschwindigkeit der Ausdehnung des Universums. Diese weicht leicht von der Vorhersage des Lambda-CDM-Modells ab und bietet daher eine Möglichkeit, das neue Modell experimentell zu testen. „Aktuell sind die astronomischen Daten nicht genau genug, um diese Abweichung zu messen, aber die großen Fortschritte etwa bei der Messung von Gravitationswellen bieten Anlass zur Hoffnung, dass sich das ändert“, sagt Michael te Vrugt. „Außerdem lässt sich die neue Variante des Mori-Zwanzig-Formalismus auch auf andere astrophysikalische Probleme anwenden, die Arbeit ist also nicht nur für die Kosmologie relevant.“

Finanzierung
Michael te Vrugt wird durch ein Promotionsstipendium der Studienstiftung des deutschen Volkes gefördert. Sabine Hossenfelder erhält finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, HO 2601/8-1). Die Arbeitsgruppe Wittkowski wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, WI 4170/3-1) finanziert.

Originalpublikation
M. te Vrugt, S. Hossenfelder, R. Wittkowski (2021). Mori-Zwanzig formalism for general relativity: a new approach to the averaging problem. Physical Review Letters 127, 231101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.231101

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• Kosmologie

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