Eigentlich wollten die USA nur überprüfen, ob sich auch alle Beteiligten an den Partiellen Teststopp-Vertrag halten, der bestimmte Atomwaffentests und andere Kernexplosionen verbot: Dafür wurden in den 1960er-Jahren die Vela-Satelliten in hohe Erdumlaufbahnen geschickt. Doch zunächst fanden diese Satelliten keine Anzeichen auf geheime Kernwaffen-Tests, sondern mysteriöse helle Lichter aus dem All: Diese Gammablitze leuchteten im hochenergetischen Gammastrahlenbereich sekundenlang auf, bevor sie wieder verblassten. Sie schienen von überall her aus dem All zu kommen – was steckte dahinter?

Heute wissen wir: Gammablitze kommen von sehr weit weg, zum Glück, möchte man sagen: Denn würde ein Gammablitz von nebenan auf die Erdatmosphäre treffen, hätte das drastische Auswirkungen auf die Erde und auf das Leben auf ihrer Oberfläche. Ein solcher Gammablitz könnte ein Massenaussterben auslösen – und vielleicht ist das in der Vergangenheit schon einmal passiert.

In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts erzählt Franzi die Geschichte der Gammablitze und was wir über sie bereits wissen. Und sie erzählt vom 9. Oktober 2022, als der bislang hellste jemals gemessene Gammablitz namens GRB 221009A auf die Erdatmosphäre traf, Spitzname: BOAT – brightest of all time.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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• Gamma Ray Bursts

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Es schützt uns vor gefährlichen Ausbrüchen der Sonne und zaubert Polarlichter an den Himmel: Heute wissen wir, dass wir dem Magnetfeld der Erde eine Menge verdanken. Tatsächlich aber dauerte es 2500 Jahre, um zu verstehen, wie es entsteht.

Karl erzählt in dieser Folge des Podcasts, wie das Erdmagnetfeld über die Jahrhunderte immer genauer untersucht wurde, ohne dass Forscherinnen und Forscher ihm wirklich auf die Schliche kommen konnten. Beginnend vom ersten Kompass im alten China, über erste Versuche mit runden Magneten bis zur Entdeckung des Elektromagnetismus im 19. Jahrhundert: Der Geodynamo tief im Erdinnern weigerte sich, seine wahre Natur zu zeigen.

Am Ende brauchte es tief gehende Erkenntnisse aus der Geologie und Supercomputer, um dem Erdmagnetfeld mit seinen verwirrenden Schwankungen und Umpolungen auf die Schliche zu kommen.

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• Das Erdmagnetfeld

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Warum scheint unsere Sonne? Antwort: Kernfusion! Tief in ihrem Innern verschmelzen also unter anderem Atomkerne des Wasserstoffs zu Helium. Doch Forschende wollten sich in den 1960er Jahren nicht nur mit schönen Erklärungen begnügen, sondern eine so schlüssige Erklärung auch experimentell überprüfen: zum Beispiel mit einem unterirdischen Tank in der Homestake-Mine in South Dakota, der, gefüllt mit chemischem Reinigungsmittel, darauf wartete, dass ab und an ein Neutrino von der Sonne vorbeikäme.

Denn unsere Sonne erzeugt bei der Kernfusion auch Neutrinos – und diese wollten Forscherinnen und Forscher finden und zählen. Das gelang ihnen auch. Doch leider kamen in den irdischen Neutrinodetektoren nur rund ein Drittel der erwarteten Neutrinos an. War gar die Sonne kaputt? Hatte man doch nicht verstanden, warum die Sonne scheint? Oder war das Problem ganz woanders zu verorten – vielleicht waren die Neutrinos selbst schuld?

Franzi erzählt Karl in dieser Ausgabe des AstroGeo Podcasts vom Rätsel der fehlenden Sonnen-Neutrinos – und zur Beruhigung: Nein, unsere Sonne war wohl doch nicht kaputt.

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• AstroGeo Podcast
• Unsere Sonne

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik, München.

14. Februar 2022 – Neutrinos sind die wohl faszinierendsten Elementarteilchen in unserem Universum. In der Kosmologie spielen sie eine wichtige Rolle bei der Bildung von großräumigen Strukturen, und in der Welt der Teilchenphysik nehmen sie eine Sonderstellung ein durch ihre winzige Masse, die auf neue physikalische Prozesse jenseits unserer bisherigen Theorien hinweist. Ohne eine Messung der Neutrinomasse wird unser Verständnis des Universums unvollständig bleiben.

Hier setzt das internationale KATRIN-Experiment am KIT mit Partnern aus sechs Ländern als weltweit sensitivste Waage für Neutrinos an. Es benutzt den Beta-Zerfall von Tritium, einem instabilen Wasserstoff-Isotop, um aus der Energieverteilung der bei diesem Zerfall erzeugten Elektronen die Masse des Neutrinos zu bestimmen. Dazu ist ein enormer technischer Aufwand notwendig: Das 70 Meter lange Experiment beherbergt die weltweit intensivste Quelle von Tritium sowie ein riesiges Spektrometer, mit dem sich die Energien der Zerfallselektronen mit bisher unerreichter Präzision messen lassen.

Die hohe Qualität der ersten Daten nach der Inbetriebnahme im Jahr 2019 konnte in den letzten beiden Jahren kontinuierlich gesteigert werden. „KATRIN als Experiment mit höchsten technologischen Anforderungen läuft nun wie ein perfektes Uhrwerk“, freut sich Guido Drexlin vom KIT, der Projektleiter und einer der beiden Co-Sprecher des Experiments. Christian Weinheimer, Universität Münster, der andere Co-Sprecher, ergänzt: „Dabei waren die Reduktion der Störsignale und die Erhöhung der Signalrate entscheidend für das neue Resultat“.

Akribische Datenanalyse: Erster Vorstoß in den Bereich unter einem Elektronenvolt
Die Auswertung dieser Daten stellte das internationale Team um die beiden Analyse-Koordinatoren Susanne Mertens, Max-Planck-Institut für Physik (MPP) und Technische Universität München und Magnus Schlösser, KIT, vor große Herausforderungen: Jeder Einfluss auf die Neutrinomasse, so klein er auch sein mochte, musste detailliert untersucht werden. „Nur durch diese aufwändige und akribische Arbeit konnten wir eine systematische Beeinflussung unseres Resultats durch andere Effekte wirklich ausschließen. Wir sind ganz besonders stolz auf unser Analyseteam, das sich dieser Herausforderung mit großem Engagement erfolgreich gestellt hat“, so Mertens und Schlösser.

Die experimentellen Daten des ersten Messjahres und die Modellierung auf Basis einer verschwindend kleinen Neutrinomasse passen perfekt: Daraus lässt sich eine neue Obergrenze für die Neutrinomasse von 0,8 Elektronenvolt (eV) bestimmen. Erstmals stößt so ein direktes Neutrinomassenexperiment in den kosmologisch und teilchenphysikalisch wichtigen Massenbereich unter einem Elektronenvolt vor, in dem die fundamentale Massenskala von Neutrinos vermutet wird. „Die Teilchenphysik-Gemeinschaft ist begeistert, dass die 1-eV-Barriere von KATRIN durchbrochen wurde“ kommentiert Neutrinoexperte John Wilkerson, University of North Carolina, der Vorsitzende des KATRIN Executive Boards.

Susanne Mertens erläutert den Weg zum neuen Rekord: „Unser Team am MPP in München hat für KATRIN eine neue Analysemethode entwickelt, die speziell auf die Anforderungen dieser hochpräzisen Messung optimiert ist. Diese Strategie wurde erfolgreich für die vergangenen und aktuellen Ergebnisse eingesetzt. Meine Gruppe ist hochmotiviert: Wir werden uns auch den künftigen Herausforderungen der KATRIN-Analyse mit neuen kreativen Ideen und akribischer Genauigkeit stellen.“

Weitere Messungen sollen Empfindlichkeit verbessern
Die Co-Sprecher und Analyse-Koordinatoren von KATRIN beschreiben die kommenden Ziele: „Die weiteren Messungen zur Neutrinomasse werden noch bis Ende 2024 andauern. Um das volle Potential dieses einzigartigen Experiments auszuschöpfen, werden wir nicht nur die Statistik der Signalereignisse kontinuierlich erhöhen; wir entwickeln und installieren fortwährend Verbesserungen zur weiteren Absenkung der Störereignisrate“.

Dabei spielt die Entwicklung des neuen Detektorsystems TRISTAN, mit dem sich KATRIN ab 2025 auf die Suche nach „sterilen“ Neutrinos im Kiloelektronvolt-Massenbereich begeben soll, eine besondere Rolle. Solche sterilen Neutrinos wären Kandidaten für die mysteriöse Dunkle Materie, die sich schon in vielen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen manifestiert hat, deren teilchenphysikalische Natur aber noch immer unbekannt ist.

(*) 1 Elektronenvolt entspricht der unvorstellbar geringen Masse von ca. 1,8 x 10^-36 Kilogramm

Publikation
Direct neutrino-mass measurement with sub-eV sensitivity
KATRIN Collaboration
Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01463-1.epdf

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• Neutrinos

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Quelle: KIT.

Durch Virtual Reality wird das physikalische Innenleben des internationalen Großexperiments KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun für jeden erkundbar. Bei dem virtuellen Erlebnis können Besucherinnen und Besucher erfahren, wie KATRIN funktioniert, und dank interaktiver Elemente sogar selbst experimentieren. Entstanden ist die VR-Umgebung in Kooperation mit dem Nationalen Institut für Wissenschaftskommunikation (NaWik). Zur Online-Vorstellung am 7. Juli 2021 um 17:00 Uhr sind Öffentlichkeit und Medien eingeladen (Anmeldung: scheuermann@nawik.de).

Neutrinos sind die leichtesten, häufigsten, aber auch rätselhaftesten Masse tragenden Teilchen in unserem Universum. Sie sind elektrisch neutral und wechselwirken mit ihrer Umgebung nur über die Gravitation und die sogenannte schwache Kraft. Bis vor Kurzem wurden Neutrinos im Standardmodell der Teilchenphysik als masselose Teilchen beschrieben. Aus Beobachtungen von atmosphärischen und solaren Neutrinos konnte in den vergangenen Jahren jedoch gezeigt werden, dass Neutrinos doch eine kleine Masse besitzen. Die Größe der Masse ist aber immer noch unbekannt. Mit dem Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) wollen Forschende die Masse dieser rätselhaften Teilchen erstmals genau bestimmen. Notwendig ist dafür unter anderem ein hochauflösendes Spektrometer mit großem Durchmesser (zehn Meter). Das Experiment wird von Forschenden am KIT in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern durchgeführt, derzeit sind rund 200 Personen beteiligt.

Neuartige VR-Umgebung macht Großexperiment zugänglicher
Großexperimente der Grundlagenforschung wie KATRIN sind üblicherweise für die Öffentlichkeit kaum zugänglich. Dies liegt an den besonderen Reinheitsauflagen und Sicherheitsvorschriften – und natürlich auch daran, dass die laufenden Experimente nicht gestört werden dürfen. Nun öffnet eine Virtual-Reality-Anwendung neue Möglichkeiten der Erfahrbarkeit. Die Nutzerinnen und Nutzer bekommen so einen direkten Einblick in das Innere der Forschungsanlage und erfahren, wie sich die Elementarteilchen in diesem großen Versuchsaufbau bewegen und verhalten. Zudem bietet die Anwendung auch die Möglichkeit, selbst in die Rolle einer Wissenschaftlerin oder eines Wissenschaftlers zu schlüpfen und mit dem Experiment zu interagieren – etwa indem Variablen der Messung beim virtuellen Betrieb verändert werden.

Zukünftige Anwendung in der Lehre geplant
Die neuartige VR-Anwendung wurde im Forschungsprojekt Science In Presentations am NaWik in Kooperation mit dem KIT entwickelt und wird von der Klaus Tschira Stiftung gefördert. Sie kombiniert fotorealistische 360-Grad-Ansichten des Versuchsaufbaus des KATRIN-Experiments mit einer virtuellen Ebene. Die Anwendung besteht aus einem geführten Abschnitt, in dem ähnlich einem Rundgang ein Wissenschaftler oder eine Wissenschaftlerin die Anlage und die eigene Forschung erklärt, sowie der anschließenden Möglichkeit, die Anlage auf eigene Faust zu erkunden. Dort berichten weitere KATRIN-Forschende noch mehr über die Funktionsweise und Ziele des einzigartigen Experiments. Die VR-Anwendung läuft im Browser und kann entweder mit einem eigenen Head-Mounted-Display („VR-Brille“) oder alternativ am Tablet, Laptop oder PC genutzt werden.

Künftig soll die VR-Umgebung auch in der Lehre des KIT eingesetzt werden. Dafür wird sie aktuell vom NaWik und dem KIT-Zentrum Elementarteilchen und Astroteilchenphysik (KCETA) weiterentwickelt. Finanziert wird das Vorhaben mit Mitteln aus der Förderung „Research Infrastructures in Research-Oriented Teaching“ des KIT im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern.

Online-Veranstaltung in der VR-Umgebung
Vorgestellt werden soll das VR-Erlebnis des Neutrino-Experiments zum ersten Mal live bei einer Online-Veranstaltung am 7. Juli 2021 um 17:00 Uhr. Vertreterinnen und Vertreter der Medien sowie die interessierte Öffentlichkeit sind dazu herzlich eingeladen. Nach Kurzimpulsen zum KATRIN-Experiment und dem Forschungsprojekt Science In Presentations werden Einblicke in die VR-Anwendung gegeben. Anschließend besteht die Gelegenheit für Fragen und Diskussion.

Parallel dazu haben die Teilnehmenden die Möglichkeit, die browserbasierte VR-Anwendung selbst auf ihren eigenen Geräten zu testen und Fragen und Kommentare daraus auch in die Diskussion einzubringen.

Teilnehmende Expertinnen und Experten

• Professorin Kathrin Valerius, Institut für Astroteilchenphysik am KIT
• Dr. Philipp Niemann, Wissenschaftlicher Leiter des NaWik
• Yannic Scheuermann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des NaWik

Zudem ist Professor Carsten Könneker, Geschäftsführer der Klaus Tschira Stiftung, mit einem virtuellen Grußwort zugeschaltet.

Anmeldung
Wir bitten um Anmeldung bis Mittwoch, 7. Juli 12:00 Uhr per Mail an Yannic Scheuermann: scheuermann@nawik.de.

Zoom-Zugangsdaten
Die Zoom-Zugangsdaten werden nach Anmeldeschluss an alle Teilnehmenden versandt.

Über das NAWIK
Das Nationale Institut für Wissenschaftskommunikation, eine gemeinnützige GmbH, wurde 2012 von der Klaus Tschira Stiftung und dem Karlsruher Institut für Technologie gegründet. Das Institut vermittelt Forschenden und Studierenden die Grundlagen verständlicher und guter Wissenschaftskommunikation mit Nicht-Spezialisten. Das Lehrangebot des NaWik umfasst aktuell zwölf Seminartypen mit einem einheitlichen didaktischen Konzept – von Basis- oder Präsentationsseminaren bis hin zu Medienseminaren. Die Seminare werden in Präsenz oder als virtuelle Angebote realisiert. Eine eigene Forschungsabteilung untersucht am NaWik praxisrelevante Fragen der Wissenschaftskommunikation empirisch. Zudem ist das NaWik Teil der Redaktion von wissenschaftskommunikation.de. Das NaWik hat seinen operativen Sitz in Karlsruhe. Seminare werden bundesweit angeboten.

Über das KIT
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9.600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 23 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

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• Neutrinos

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Quelle: WWU.

20. Juli 2020 – Die Grundbausteine der Materie und des Universums erforschen – um dieses Ziel weiter zu verfolgen, erhalten Physikerinnen und Physiker der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) eine Förderung von 2,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Damit unterstützt das Ministerium in den kommenden drei Jahren die Großprojekte der beteiligten Forschergruppen um die Astroteilchenphysiker Prof. Dr. Alexander Kappes und Prof. Dr. Christian Weinheimer sowie die Geophysikerin Prof. Dr. Christine Thomas.

Die Gelder fließen unter anderem in die Entwicklungsarbeiten zum geplanten europäischen Gravitationswellenexperiment „Einstein-Teleskop“. Nachdem die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen vor einigen Jahren nachgewiesen wurden, soll dieser geplante Gravitationswellendetektor eine neue Ära von Astronomie und Astrophysik einleiten – an der sich auch die WWU beteiligen will. In dem geförderten Projekt wollen die Geophysiker und Physiker seismische Störungen messen und Methoden zu deren Kompensation für das extrem empfindliche Messgerät, dem Interferometer, entwickeln.

Weitere Forschungsgelder erhalten die Wissenschaftler für Projekte zur Astronomie mit Neutrinos – kleinste Teilchen, die als kosmische Strahlung auf die Erde gelangen und nach denen die Forscher seit Jahren mit dem Großexperiment „IceCube“ am Südpol suchen. Für zukünftige Erweiterungen des Detektors entwickeln die münsterschen Physiker verbesserte optische Sensoren, um extrem energiereiche kosmische Objekte wie aktive galaktische Kerne zu untersuchen.

Neutrinos sind nicht nur wichtige astrophysikalische Botenteilchen, um das Universum zu verstehen – sie bergen auch selbst große Geheimnisse. Zur Bestimmung der noch unbekannten Masse der Neutrinos erhalten die WWU-Wissenschaftler weitere Fördergelder für ihre Projekte am KATRIN-Experiment am Karlsruher KIT, die sie unter anderem für den Betrieb großer Instrumente und zur Datenanalyse einsetzen.

Die größte Einzelsumme ist der Suche nach der mysteriösen Dunklen Materie mit dem „XENONnT“-Experiment und dessen Nachfolger „DARWIN“ im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso National Laboratory gewidmet. Neben der Analyse der Messdaten entwickeln die münsterschen Physiker besondere Tieftemperatur-Reinigungsanlagen, mit denen der mit flüssigem Xenongas gefüllte Detektor auf niedrigste Störraten durch radioaktive Zerfälle gebracht wird, die zuvor noch nie erreicht wurden.

Die Finanzierung durch das BMBF erfolgt im Rahmen der Förderung ausgewählter Schwerpunkte der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung auf dem Gebiet „Erforschung von Universum und Materie“.

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• Dunkle Materie

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