Quelle: ESON 27. Juni 2024.

27. Juni 2024 – Das deutsche Unternehmen SCHOTT hat erfolgreich den Rohling für das letzte der 949 Segmente gegossen, die für den Hauptspiegel (M1) des Teleskops in Auftrag gegeben wurden. Mit einem Durchmesser von mehr als 39 Metern wird der M1 der mit Abstand größte Spiegel sein, der je für ein Teleskop hergestellt wurde.

Aufgrund seiner Größe kann der M1 nicht aus einem einzigen Stück Glas gefertigt werden. Er besteht aus 798 sechseckigen Segmenten, die jeweils etwa fünf Zentimeter dick und 1,5 Meter breit sind und zusammen zehn Millionen Mal mehr Licht sammeln als das menschliche Auge. Weitere 133 Segmente wurden hergestellt, um die Wartung und Neubeschichtung der Segmente zu erleichtern, sobald das Teleskop in Betrieb ist. ESO hat außerdem 18 Ersatzsegmente beschafft, sodass die Gesamtzahl nun 949 beträgt.

Die M1-Rohlinge, geformte Werkstücke, die später zu Spiegelsegmenten poliert werden, bestehen aus ZERODUR©, einem von SCHOTT entwickelten Glaskeramikmaterial mit geringer Ausdehnung, das für die extremen Temperaturbereiche am Standort des ELT in der Atacama-Wüste optimiert wurde. Dieses Unternehmen hat auch die Rohlinge von drei weiteren ELT-Spiegeln – M2, M3 und M4 – in seinen Werken in Mainz hergestellt.

„Die ESO hat bei SCHOTT mehr als nur ZERODUR© bestellt“, erklärt Marc Cayrel, Leiter der ELT-Optomechanik bei ESO. „In enger Zusammenarbeit mit ESO hat SCHOTT jeden einzelnen Produktionsschritt optimiert und das Produkt so angepasst, dass es die sehr hohen Anforderungen des ELT erfüllt und oft sogar übertrifft. Die hervorragende Qualität der Rohlinge wurde während der Massenproduktion von mehr als 230 Tonnen dieses Hochleistungsmaterials beibehalten. Die ESO ist daher sehr dankbar für die Professionalität der kompetenten Teams bei SCHOTT, unserem vertrauenswürdigen Partner.“

Thomas Werner, Projektleiter bei SCHOTT, ergänzt: „Unser gesamtes Team ist begeistert, dass wir den größten Einzelauftrag für ZERODUR® in der Geschichte unseres Unternehmens abschließen konnten. Für dieses Projekt haben wir die Serienproduktion von Hunderten von ZERODUR®-Spiegelsubstraten erfolgreich abgeschlossen, während wir normalerweise nur Einzelstücke herstellen. Es war uns eine Ehre, die Zukunft der Astronomie mitgestalten zu dürfen.“

Nach dem Guss durchlaufen alle Segmente ein mehrstufiges, internationales Verfahren. Nach einer langsamen Abkühlungs- und Wärmebehandlungsphase wird die Oberfläche jedes Rohlings bei SCHOTT durch ultrapräzises Schleifen geformt. Anschließend werden die Rohlinge an das französische Unternehmen Safran Reosc geliefert, wo jeder Rohling in eine sechseckige Form geschnitten und auf einer optischen Fläche mit einer Genauigkeit von 10 Nanometern poliert wird. Das bedeutet, dass die Oberflächenunregelmäßigkeiten des Spiegels weniger als ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares betragen. An der Arbeit an den M1-Segmentbaugruppen sind außerdem beteiligt: das niederländische Unternehmen VDL ETG Projects BV, das die Segmentstützen herstellt; das deutsch-französische FAMES-Konsortium, das die 4500 nanometergenauen Sensoren zur Überwachung der relativen Position jedes Segments entwickelt hat und deren Herstellung abschließt; das deutsche Unternehmen Physik Instrumente, das die 2500 Stellmotoren entwickelt hat, die das Segment nanometergenau positionieren können, und das dänische Unternehmen DSV, das für den Transport der Segmente nach Chile zuständig ist.

Nach dem Polieren und Zusammenbau wird jedes M1-Segment über den Ozean zur technischen Einrichtung des ELT am Paranal-Observatorium der ESO in der Atacama-Wüste transportiert – eine 10.000 Kilometer lange Reise, die bereits über 70 M1-Segmente hinter sich haben. Am Paranal, nur wenige Kilometer von der Baustelle des ELT entfernt, wird jedes Segment mit einer reflektierenden Silberschicht überzogen und anschließend sorgfältig gelagert, bis die Hauptstruktur des Teleskops bereit ist, sie aufzunehmen.

Wenn es später in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen wird, wird das ELT der ESO das größte Auge am Himmel sein. Es wird die größten astronomischen Herausforderungen unserer Zeit bewältigen und bisher unvorstellbare Entdeckungen machen.

Weitere Informationen
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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• ESO Teleskop ELT

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 11. Dezember 2023.

11. Dezember 2023 – Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Matthias Schott vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat heute die Ergebnisse einer umfangreichen Messreihe am ATLAS Detektor des Large Hadron Collider (LHC) veröffentlicht. Die Daten wurden während der zweiten Laufzeit des LHC zwischen 2015 und 2018 aufgenommen. Ziel des experimentell anspruchsvollen Messprogramms ist die Suche nach axionartigen Teilchen, die bei bestimmten Zerfällen des Higgs-Teilchen entstehen könnten – und als neuartige Teilchen die Abweichung des experimentell bestimmten anomalen magnetischen Moments des Myons von seiner theoretischen Vorhersage erklären könnten. Die Arbeiten werden durch einen ERC Consolidator Grant von Matthias Schott finanziert. Sie stellen den experimentellen Test eines von Prof. Dr. Matthias Neubert, theoretischer Physiker und Sprecher von PRISMA+, entwickelten Axionen-Modells dar und sind so ein ideales Beispiel für das wertvolle Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment am Standort Mainz.

Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, die zunächst postuliert wurden, um eine theoretische Unzulänglichkeit der starken Wechselwirkung, das sogenannte starke CP Problem, zu lösen. Seit vielen Jahren werden Axionen oder axionartige Teilchen (axion-like particles oder ALPs) darüber hinaus als vielversprechende Kandidaten der dunklen Materie gehandelt. „Vor diesem Hintergrund haben Physikerinnen und Physiker zahlreiche Experimente entwickelt, um vor allem nach sehr leichten ALPs zu suchen“, erläutert Prof. Dr. Matthias Schott. „Wir haben erstmals ein detailliertes Forschungsprogramm am ATLAS-Experiment des LHC vorgeschlagen und umgesetzt, mit dem wir gezielt nach relativ schweren ALPs suchen – diese wiederum könnten das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons erklären, so wie Matthias Neubert es in einem vor einigen Jahren entwickelten Modell aufgezeigt hat.“ Gemeinsam mit Martin Bauer und Andrea Thamm postulierte Neubert 2017, dass mit ATLAS ein sehr großer Bereich passender Axionenmassen mit sehr hoher Empfindlichkeit abgesucht werden könnte. Für Matthias Schott war dies der Ausgangspunkt zur erfolgreichen Beantragung des ERC Grant: „Ich habe nun mit meiner Gruppe im Rahmen dieses ERC Grant einen großen Teil des Parameter-Raums des Neubert`schen Modells getestet und wir sind sehr froh, dass wir nun erste Ergebnisse veröffentlichen können.“ Matthias Neubert wiederum hat den zu erwartenden Effekt von ALPs auf das Myonmoment inzwischen in einer aktuellen Veröffentlichung mit Anne Galda noch einmal präzisiert.

Eine innovative experimentelle Leistung
Der Messreihe liegt die Überlegung zugrunde, dass potentielle ALPs sowohl an das Myon als auch an Photonen koppeln müssen, um die Anomalie beim magnetischen Moment des Myons zu erklären. Konkret haben die Forschenden eine theoretisch postulierte Zerfallskette untersucht, bei der ein Higgs-Teilchen zunächst in zwei ALPs, und diese wiederum in jeweils zwei Photonen zerfallen (H→aa→4γ). Ziel war es, in diese Kette die Kopplung der ALPs an die Photonen nachzuweisen. „Wir haben dabei keine auffälligen Signale gefunden, die auf entsprechende ALPs hinweisen könnten“, erläutert Matthias Schott. „In dem untersuchten Bereich können wir so eine Axion-Photon Kopplung mit allergrößter Wahrscheinlichkeit ausschließen.“ Da die Forschungsgruppe aber erstmals einen sehr großen Parameterbereich absuchen konnte und vor allem hinsichtlich der Kopplungsstärke um sechs Größenordnungen empfindlicher war als bisherige Messungen, ist es ihnen gelungen, die bisher strengsten Ausschlussgrenzen für Masse und Kopplungsstärke von ALPs zu setzen.

Das Besondere an dieser Messung ist, dass hierbei ALPs potentiell über die Higgs-Physik nachgewiesen werden können. Sie wird im Hochenergiebereich der Teilchenphysik durchgeführt und kann somit die Diskrepanz im anomalen magnetischen Myonmoment über die Umwandlung von Hochenergieteilchen aufspüren. Das ist ein komplementärer Ansatz zur direkten Messung der Eigenschaften des Myons im Niederenergiebereich im Rahmen des Myon g-2 Experiments, und macht ihn gerade deshalb so spannend.“

Neue Analyse-Algorithmen beruhen auf künstlicher Intelligenz
Der Zerfallsprozess, den die Gruppe um Matthias Schott untersucht hat, ist vor allem deshalb experimentell sehr anspruchsvoll, weil die nachzuweisenden Photonen aus dem ALP-Zerfall nicht am Kollisionspunkt des Detektors entstehen. „Bei normalen Teilchen-Kollisionen treffen sich die Teilchen immer genau in der Mitte des Detektors. Und für alle neuen Teilchen, die in dieser Kollision entstehen, nehmen wir typischerweise an, dass ihre Reise direkt am Kollisionspunkt beginnt. Die normalen Algorithmen und Kalibrationen die wir haben, basieren genau auf dieser Hypothese“, erläutert Matthias Schott. „Wenn nun aber neue Teilchen entstehen, welche lange genug „leben“ dann fliegen diese Teilchen erst einmal ein Stück bevor sie zerfallen. Damit gilt unsere ursprüngliche Annahme nicht mehr und wir müssen völlig neue Ansätze entwickeln, um auch Teilchen im Detektor zu sehen, welche eben nicht vom Kollisionspunkt stammen.“ Konkret zerfällt das Higgs-Teilchen im Modell von Matthias Neubert zunächst in zwei ALPs und zwar sofort an der Stelle der Teilchen-Kollision. Die ALPs fliegen aber eine Weile, bevor sie in je zwei Photonen zerfallen, so dass diese Photonen abseits des Kollisionspunktes produziert werden. „Wir nennen dies Ereignisse mit einem „displaced Vertex“ – einem verschobenen Kollisionspunkt sozusagen. Eine solche Messung ist uns nun erstmals mit Photonen gelungen.“

Hinzu kommt eine weitere Herausforderung: Wenn die ALPs vergleichsweise leicht sind, sind die Photonen, in die sie zerfallen, sehr nahe zusammen. Der Detektor nimmt die beiden Photonen als ein einziges Photon war – es sei denn, es gibt einen neuen Algorithmus, der genau darauf trainiert ist: der also Photonen, die eigentlich als ein Photon rekonstruiert wurden, doch als zwei Photonen erkennen kann. „Einen solchen Algorithmus konnten wir unter Verwendung künstlicher Intelligenz in Form von neuronalen Netzwerken entwickeln und so Signale von hochgradig kollinearen Photonen erfolgreich auflösen.“

Doch es geht noch weiter: Selbst mit den speziell entwickelten Algorithmen, mit denen die Forscher einen sehr großen Suchbereich abdecken können, können sie nicht alle ALPs, die sie ins Visier nehmen wollen, „erwischen“. Um auch diese Lücke zu schließen, wollen sie das inzwischen in Betrieb gegangene FASER Experiment in einem Seitentunnel des LHC etwa 480 Meter hinter dem ATLAS-Experiment nutzen.

Das Myon als Testlabor für neue Physik
Erst kürzlich hat die Myon g-2 Kollaboration am Fermilab einen neuen Messwert für das anomale magnetische Moment verkündet, der doppelt so genau ist, wie der bisherige. Die PRISMA+-Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Fertl ist die einzige in Deutschland, die mit experimentellen Beiträgen beteiligt ist. Das Pendant ist die Myon g-2-Theorie-Initiative, ein weltweiter Zusammenschluss von mehr als 130 Physikerinnen und Physikern, der sich mit der theoretischen Vorhersage im Rahmen des Standardmodells befasst. Auch hier liefern die Mainzer Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Achim Denig, Prof. Dr. Harvey Meyer, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen und Prof. Dr. Hartmut Wittig zahlreiche wichtige Beiträge – von der Messung experimenteller Input-Größen bis hin zur hochpräzisen Berechnung der Beiträge der starken Wechselwirkung mit den Methoden der Gitter-Quantenchromodynamik auf dem Mainzer Großrechner MOGON-II.

Aufgrund neuester Rechnungen ist nach wie vor nicht eindeutig geklärt, ob es eine echte Abweichung zwischen Theorie und Experiment gibt und wenn es sie gibt, mit welchen theoretischen Ansätzen sie zu erklären wäre. Es demonstriert aber einmal mehr die große Expertise des Mainzer Cluster PRISMA+ bei der Suche nach neuer Physik – und hier insbesondere beim Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment sowie der Nutzung komplementärer Methoden zur Beantwortung der großen Fragen der modernen Physik. „Unsere heute veröffentlichte Arbeit ist hier ein wichtiger Beitrag, gleichwohl sie zeigt, dass der Raum für Modelle neuer Physik, die wir experimentell testen können, immer kleiner wird“, ordnet Matthias Schott das Ergebnis ein. „Bezogen auf ALPs sind diese nach wie vor vielversprechende Kandidaten für dunkle Materie, als Verursacher einer Diskrepanz beim magnetischen Moment des Myons können wir sie jedoch mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausschließen.“

Publikationen:
Galda, A.M., Neubert, M. ALP-LEFT Interference and the Muon (g − 2). J. High Energ. Phys. 2023, 15 (2023)
DOI: JHEP11(2023)015
https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP11(2023)015

ATLAS Collaboration, Search for short- and long-lived axion-like particles in H→aa→4γ decays with the ATLAS experiment at the LHC, 6. Dezember 2023
arXiv:2312.03306 [hep-ex]
https://arxiv.org/abs/2312.03306

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• Large Hadron Collider

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Quelle: JGU 26. April 2023.

Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die mehr als 80 Prozent der Masse des Kosmos ausmacht? Was ist die Rolle der rätselhaften Neutrinos im frühen Universum? Warum haben sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet?

Um den Rätseln des Universums auf die Spur zu kommen, bauen Physikerinnen und Physiker unvorstellbar große und zugleich unglaublich präzise Experimente an den exotischsten Orten der Welt. Prof. Dr. Sebastian Böser und Daniel Wenz von PRISMA+ nehmen die Schülerinnen und Schüler mit auf eine faszinierende Reise zu diesen Experimenten: Im Gletschereis der Antarktis hat das IceCube Experiment kosmische Neutrinos im Blick. Im Gran Sasso Gebirge, 1.400 Meter tief unter der Erde, ist das XENON Experiment auf der Suche nach Dunkler Materie. Dr. Jan Leitner vom Max-Planck-Institut für Chemie holt die Astrophysik ins Labor.

Die Rätsel des Universums stehen auch im Fokus der begleitenden Mitmach-Ausstellung »PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik«. Sie vermittelt die spannende Forschung bei PRISMA+ spielerisch, interaktiv und unterhaltsam.

Unser Universum

• Geheimnisvolle Dunkle Materie: Die dunkle Seite des Universums
  9-11 Uhr: Für die Mittelstufe
  Vortrag von Daniel Wenz
• Unfassbare Neutrinos: Die Vermessung der Geisterteilchen vom Labor bis zum Südpol
  11.15-13.15 Uhr: Für die Oberstufe
  Vortrag von Prof. Dr. Sebastian Böser
• Astrophysik im Labor: Ein Blick in die Milchstraße durch kosmischen Staub
  14-16 Uhr: Offen für Alle
  Vortrag von Dr. Jan Leitner

Termin
Mittwoch 21. Juni 2023

Anmeldung
Um Anmeldung wird gebeten bis zum 21. Mai 2023:
veranstaltungen(at)adwmainz.de

Treffpunkt
PLENARSAAL DER AKADEMIE
Geschwister-Scholl-Straße 2
55131 Mainz

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Flyer „Schule trifft Akademie“

Kosten
Die Veranstaltung ist ein kostenloses Angebot der Johannes Gutenberg-Universität, und der Akademie der Wissenschaft und der Literatur.

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Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft 1. August 2022.

1. August 2022 – Am 1. April 2022 um 18:24 Uhr mitteleuropäischer Zeit war es soweit: Der deutsche Umweltsatellit »EnMAP« – kurz für »Environmental Mapping Analysis Program« – startete vom US-Raumflughafen Cape Canaveral seine Reise ins All. Von dort aus soll er fünf Jahre lang die Erde analysieren und u.a. Daten zu Klimawandelauswirkungen, der Verfügbarkeit und Qualität von Wasser oder Änderungen der Landnutzung liefern. Die ersten Daten, die der Satellit zur Erde sandte, stammten vom Bosporus: Analysiert wurde das Frequenzspektrum, das typisch für Algenanreicherungen im Wasser ist. Auf diese Weise wollen Forschende die Algenwanderung und den Algenbesatz untersuchen. Möglich werden solcherlei Analysen unter anderem durch Fraunhofer-Technologie in gleich zweifacher Ausführung.

Herzstück des Satelliten: Ein Doppelspalt aus dem Fraunhofer IMM
Für seine Analysen detektiert der Satellit das Licht der Sonne, das von der Erde reflektiert wird. Allerdings ist der Wellenlängenbereich von 420 bis 2420 Nanometer, also vom sichtbaren Licht bis ins tiefe Infrarot, zu groß, um ihn mit nur einem Spektrometer aufzunehmen. Hier hilft eine Technologie des Fraunhofer IMM. »Wir haben einen hochpräzisen Doppelspalt gefertigt, der das einfallende Licht in zwei Detektoren lenkt«, erläutert Stefan Schmitt, Gruppenleiter am Fraunhofer IMM in Mainz. Da die beiden Spalte naturgemäß räumlich ein wenig voneinander entfernt sind, blicken sie nicht auf die gleichen Stellen der Erde. »Es dauert also den Bruchteil einer Sekunde, bis der zweite Spalt dieselbe Stelle der Erde betrachtet wie der erste«, sagt Schmitt. Dieser Versatz muss genauestens bekannt sein, um die Aufnahmen überlagern zu können und die gewünschte Auflösung von 30 Metern zu erreichen.

Der Clou liegt zum einen in der äußerst präzisen Fertigung des Doppelspalts, was nur mit Siliziumtechnologie möglich ist. »Zwar sind die Techniken, über die wir am Institut verfügen, recht gut geeignet, um diese Anforderungen zu erfüllen, dennoch gab es zahlreiche herausfordernde Details«, erinnert sich Schmitt. Beispielsweise erwiesen sich die anfangs rechteckigen Spalte mechanisch als nicht stabil genug. Die Forscherinnen und Forscher fertigten daher Spalte mit einem gestuften Querschnitt. »Trotz umfangreicher Simulationen und Analysen unserer Partner mussten wir das Design und weitere Anforderungen während der laufenden Prozessphase ändern. Solche Dinge passieren gelegentlich, wenn man Neuland betritt, aber wir sind darauf vorbereitet«, sagt Schmitt. Auch weitere Komponenten der Baugruppe – etwa zur Lichtumlenkung oder zur Unterdrückung von Streulicht – mussten die Forschenden mit höchster Präzision aus weltraumgerechten Materialien wie Aluminium, Edelstahl, Nickel und Invar fertigen, deren Eigenschaften präzise vermessen und dokumentiert wurden. Trickreich war zudem der Zusammenbau der Baugruppe mit dem Doppelspalt. »Die Toleranzen waren kleiner als fünf Mikrometer, also kleiner als ein Zehntel eines Haars«, erläutert Schmitt. All dies ist hervorragend gelungen.

Leicht und präzise: Metallspiegel aus dem Fraunhofer IOF
Auch das Fraunhofer IOF brachte seine Expertise in den Satelliten ein: Als einer der besten Metalloptik-Entwickler der Welt wurden alle Metallspiegel der EnMAP-Optik am IOF hergestellt. »Für Weltraumanwendungen müssen die Spiegel nicht nur eine extrem glatte Oberfläche aufweisen und äußerst präzise geformt sein, sondern auch ein möglichst geringes Gewicht aufweisen«, sagt Dr. Stefan Risse, Projektleiter am Fraunhofer IOF in Jena. »Dabei konnten wir die Anforderungen sogar übertreffen: Statt der geforderten Rauheit von 1 Nanometer RMS (Root Mean Square) weisen unsere Metallspiegel, im Weißlicht (Vergrößerung 50x) gemessen, eine Rauigkeit von weniger als 0,5 Nanometer RMS auf. Auch die zulässige Formabweichung konnten wir nicht nur auf 18 Nanometer RMS, sondern zum Teil sogar auf unter 10 Nanometer RMS genau einhalten.« Dazu nutzten die Forscherinnen und Forscher Aluminium, auf das sie eine röntgenamorphe Metalllegierung aus Nickel und Phosphor abschieden. Diese Dickschicht hat strukturell ähnliche Eigenschaften wie Glas und lässt sich mit Diamantwerkzeugen sehr gut bearbeiten und brillant polieren. Was die finale Form der Metallspiegel angeht, so stellte das Forscherteam diese durch Korrekturverfahren wie das Ionenstrahlpolieren (IBF, eng. Ion Beam Figuring) ein.

Ein weiteres wichtiges Qualitätsmerkmal der Spiegel neben der geringen Oberflächenrauigkeit ist ihr Leichtgewicht. Auch hier punktete das Verfahren des Fraunhofer IOF. »Wir konnten die Masse über ein von uns patentiertes Verfahren um mehr als 40 Prozent reduzieren – mittlerweile sind durch den Einsatz von additiven Verfahren bereits bis zu 70 Prozent Einsparung möglich«, sagt Risse. Das gelang dem Team, indem es die Struktur des Spiegels wie ein Kapitell in einer Kirche anlegte: Kreuzungsbohrungen, die orthogonal aufeinandertreffen, verbinden die Vorder- und Rückseite des Spiegels, die entstehende Säulenstruktur stützt die Flächen. Vorder- und Rückseite des Spiegels sind geschlossen, was dem Element eine große mechanische Steifigkeit verleiht. Insgesamt stellte das Team elf ultrapräzise Metallspiegel inklusive hochreflektiver Silber- und Goldschichten für »EnMAP« her und vergütete zudem die Glasoptiken, wobei auf das Glas eine dünne Schicht mit geringerer Brechkraft aufgebracht wurde.

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• EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) auf Falcon 9

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Quelle: JGU 1. August 2022.

1. August 2022 – Materie, die nicht sichtbar ist, aber dennoch über die Gravitation wechselwirkt? Bei solcher sprechen Physiker von „Dunkler Materie“. Auf der Erde ist sie nicht zu finden, vielmehr wurde sie von Experten postuliert – denn nur mit ihr lassen sich zahlreiche astronomische Beobachtungen erklären, zum Beispiel die Geschwindigkeit, mit der sichtbare Sterne das Zentrum ihrer Galaxie umkreisen. Dabei übersteigt die Masse der Dunklen Materie in den meisten Galaxien die der normalen Materie bei Weitem. Doch gehören sowohl die Natur als auch die Zusammensetzung von Dunkler Materie – und von der ähnlich mysteriösen Dunklen Energie – nach wie vor zu den drängendsten Geheimnissen der modernen Physik. Der August 2022 steht daher gleich dreifach unter dem Zeichen der Dunklen Materie: Drei „Dark Matter“-Veranstaltungen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) für Studierende sowie etablierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler reihen sich aneinander.

Summer School „Ultralight Dark Matter“
Mit der Summer School „Ultralight Dark Matter – Scientific Foundations and Experimental Searches“ werden Studierende angesprochen. Sie findet vom 31. Juli bis zum 5. August im Physikzentrum in Bad Honnef statt. „In der Sommerschule sollen Neueinsteiger in dem Gebiet, insbesondere Doktoranden und Postdocs, sich mit dem Thema der leichten Dunklen Materie auseinandersetzen können – nicht nur über formelle Vorlesungen, sondern auch bei informellen Gesprächen mit führenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern“, sagt Dr. Arne Wickenbrock von der JGU, der alle drei Veranstaltungen koordiniert. Das Interesse ist groß: Die Summer School ist mit 87 Teilnehmern ausgebucht, es wurde bereits eine Warteliste gebildet.

„17th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs„
Nach der Summer School können die Studierenden in Bad Honnef in einen gecharterten Bus steigen: Er bringt sie zu einer Konferenz, die vom 8. bis zum 12. August an der JGU stattfindet. „Auf dieser Konferenz wird ein Großteil der internationalen Dark-Matter-Community zusammenkommen. Hier treffen die Studierenden auf die Experten – es wird ein großes Wissenschaftsfest“, sagt Wickenbrock. Nachdem die Konferenz in den vergangenen zwei Jahren aufgrund der Pandemie online stattfinden musste, trifft man sich nun das erste Mal wieder vor Ort. 180 registrierte Teilnehmende werden in Mainz zusammenkommen, um über die jüngsten theoretischen Fortschritte und die neuesten experimentellen Resultate zu sprechen sowie neue Ideen zu diskutieren. „Die Teilnahme von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist ausdrücklich erwünscht“, sagt Wickenbrock.

„Wavy Dark Matter Detection with Quantum Networks Workshop„
Die dritte Veranstaltung, der „Wavy Dark Matter Detection with Quantum Networks Workshop“, richtet sich an die Experten. Dieser Workshop findet ebenfalls in Mainz statt, und zwar vom 15. bis 19. August am Mainz Institute for Theoretical Physics. Die knapp 40 Teilnehmenden diskutieren über die neusten Trends der Dunkle-Materie-Detektion mit Netzwerken von Quantensensoren.

Weiterführende Links:
https://wavydarkmatter.org/ – Wavy Dark Matter Summer 2022

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 20. Juni 2022.

20. Juni 202 – Vom 22. Juni 2022 bis 26. August 2022 wird im MVB-Forum die Mitmach-Ausstellung „PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik“ des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA+ zu sehen sein. Bei PRISMA+ beschäftigen sich mehr als 300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit grundlegenden Fragen zu den fundamentalen Bausteinen der Materie und ihrer Bedeutung für die Physik des Universums. Leitthema des Clusters – und der Ausstellung – ist Präzision. Dieses Thema zieht sich wie ein roter Faden durch die insgesamt sieben Themenmodule der Ausstellung. Sie richtet sich neben physikbegeisterten Laien vor allem auch an Schulklassen ab Jahrgangsstufe 9.

„Komplexe Wissenschaft auf spannende und spielerische Art erleben zu können ist nicht einfach“, beschreibt Guido Behrendt, Direktor des Regionalmarktes Mainz der Mainzer Volksbank. „Was PRISMA+ im MVB-Forum geschaffen hat, ist eine bemerkenswerte Form hochwertiger Bildung gepaart mit Leichtigkeit und Neugier.“

Warum haben sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet? Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die mehr als 80 Prozent der Masse des Weltalls ausmacht? Was ist die Rolle der rätselhaften Neutrinos im frühen Universum? Diese grundlegenden Fragen der modernen Physik stehen im Fokus der Mitmach-Ausstellung „PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik“ des Exzellenzclusters PRISMA+ an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

„Wir sind froh, dass wir mit unserer Ausstellung – nach Stationen in Berlin und auf dem Mainzer Uni-Campus – nun im MVB-Forum mitten in Mainz zu Gast sein dürfen“, sagt Prof. Hartmut Wittig, einer der beiden Sprecher von PRISMA+. „Wir möchten den Besucherinnen und Besuchern – insbesondere auch jungen Leuten und Schulklassen – unsere Faszination für die Erforschung dieser ganz großen Fragen und Rätsel des Universums vermitteln – und das auf spielerische und unterhaltsame Art und Weise.“

„Seit jeher sind es der Drang nach Erkenntnis und die Neugier, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler antreiben, zu einem immer tieferen Verständnis der Natur zu gelangen. Wie unsere Ausstellung zeigt, haben wir bis heute erstaunliche Fortschritte erzielt und mit immer präziseren Messungen und Rechnungen unser Wissen über die fundamentalen Kräfte und die Struktur der Materie erweitert“, ergänzt Prof. Dr. Matthias Neubert, ebenfalls Sprecher von PRISMA+.

Auf einer faszinierenden Entdeckungsreise in die Welt des Allerkleinsten und des Allergrößten macht die Ausstellung diese Fortschritte erlebbar, sie zeigt auf was Präzision für die PRISMA+-Forschung bedeutet und wie Forscherinnen und Forscher bei PRISMA+ mit Hilfe unvorstellbar präziser Messungen und Rechnungen unser etabliertes Verständnis der Welt auf die Probe stellen. Die interaktive Ausstellung zeichnet sich durch ungewöhnliche Hands-on-Exponate und eigens für die Ausstellung entwickelte interaktive Medienstationen und Spiele sowie Grafiken mit anschaulichen und humorvollen Illustrationen aus – Mitmachen und Ausprobieren lautet hier die Devise.

Weitere Informationen
Das MVB-Forum befindet sich in der Hauptgeschäftsstelle der Mainzer Volksbank am Neubrunnenplatz (Neubrunnenstraße 2, 55116 Mainz). Öffnungstage und -zeiten der Ausstellung sind unter diesem Link einsehbar: www.mvb.de/wissen. An den dort gelisteten Terminen ist das MVB-Forum frei zugänglich, so dass auch spontane Besuche möglich sind. Schulklassen und Gruppen bieten wir eine Führung durch die Ausstellung an, daher bitten wir vor dem Besuch um Anmeldung. Der Eintritt ist frei.
Flyer zur Ausstellung PRÄZISION

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Quelle: JGU 21. Juni 2022.

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

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

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

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

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

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Quelle: JGU 23. Mai 2022.

23. Mai 2022 – An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) geht ab Herbst 2022 eine neues Graduiertenkolleg (GRK) an den Start. Das hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft kürzlich bekannt gegeben. Unter dem Titel „Teilchendetektoren für zukünftige Experimente – Vom Konzept bis zum Betrieb“ haben Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler künftig die Gelegenheit im Rahmen ihrer Doktorarbeit teilchenphysikalische Grundlagenforschung und den Bau und die Konzeption hierfür nötiger Detektoren miteinander zu verbinden. Dabei profitieren sie von einem breit angelegten ergänzenden Ausbildungsprogramm vor Ort in Mainz aber auch an Partner-Instituten weltweit. Die Fördersumme für die nächsten fünf Jahre beträgt über vier Millionen Euro, mehr als 20 Doktorandinnen und Doktoranden können im Rahmen des neuen GRK promovieren. Sprecher ist Prof. Dr. Matthias Schott, Professor für Experimentelle Teilchenphysik am Mainzer Exzellencluster PRISMA+.

An vielen physikalischen Großexperimenten arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, teilchenphysikalische Prozesse immer genauer zu vermessen. Ihr Ziel ist es, neue Physik zu entdecken, die über das aktuell gültige Standardmodell der Teilchenphysik hinaus geht. Dieses ist zwar extrem erfolgreich, kann aber grundlegende Fragen der modernen Physik nicht beantworten: Was ist Dunkle Materie? Und was Dunkle Energie? Wie können wir die Asymmetrie von Materie und Antimaterie erklären? Woher kommen die Massen der Neutrinos?

Um diese Fragen zu beantworten, ist es notwendig, neuartige Detektoren zu entwickeln. „Künftige experimentelle Teilchenphysiker benötigen eine breite Ausbildung, um diese Forschungsaufgabe zu meistern“, beschreibt Matthias Schott die Motivation zur Etablierung eines neuen Graduiertenkollegs. „Aktuell werden weltweit viele verschiedene experimentelle Ansätze bei der Suche nach neuer Physik verfolgt – bei künftigen Neutrinoexperimenten ebenso wie bei der beschleunigerbasierten Physik. Wer in diesem Forschungsbereich arbeiten will, muss sich sowohl mit Detektortechnologien als auch mit der Planung und Durchführung von Experimenten sehr gut auskennen.“

Ideale Voraussetzungen in Mainz
Das neue GRK bietet hierzu einen idealen Rahmen, indem es einerseits grundlegenden Fragen der Hochenergie-, Astroteilchen- sowie der Hadronen- und Kernphysik nachgeht – und andererseits einen Fokus auf die Entwicklung von innovativen Detektortechnologien mit Anwendungsmöglichkeiten an mehreren Experimenten legt. Damit bewegt sich das neue GRK im Grenzgebiet zwischen ingenieurwissenschaftlich-technischen und physikalischen Fragen.

Konzeptioneller Grundgedanke des GRK ist, dass das Spezialwissen der eigenen Doktorarbeit durch ein breites Ausbildungsprogramm komplementiert wird. Dieses wiederum beruht auf vier Säulen: Projektarbeit, Workshops, Sommerschulen und Internationalisierung. „Der Standort Mainz ist als Ausbildungszentrum für Detektorentwicklung prädestiniert“, berichtet Matthias Schott. „Denn es gibt hier eine langjährige Expertise, die zum Beispiel im Rahmen des Detektorlabors an unserem Exzellencluster PRISMA+ gebündelt wurde.“ Insbesondere in den Bereichen Photonbasierte Detektoren, Ultraschnelle Datenverarbeitung und Rekonstruktion sowie bei Hochleistungsdetektoren für Spezialanwendungen ist sehr viel Know-How vorhanden. Auch die einzigartige Großgeräte-Infrastruktur wird in die Ausbildung integriert – zum Beispiel in Form von Projektarbeiten am Mainzer Beschleuniger MAMI oder am Forschungsreaktor TRIGA. In puncto Internationalisierung ist ein 6-monatiger Forschungsaufenthalt an Partner-Instituten weltweit vorgesehen.

„Am Ende wollen wir mit unserem neuen GRK vor allem dazu beitragen eine neue Generation von Detektorphysikerinnen und – physikern auszubilden“, fasst Matthias Schott zusammen.

Über DFG Graduiertenkollegs:
Graduiertenkollegs sind Einrichtungen der Hochschulen zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, die von der DFG für maximal neun Jahre gefördert werden. Im Mittelpunkt steht die Qualifizierung von Doktorandinnen und Doktoranden im Rahmen eines thematisch fokussierten Forschungsprogramms sowie eines strukturierten Qualifizierungskonzepts. Eine interdisziplinäre Ausrichtung der Graduiertenkollegs ist erwünscht. Ziel ist es, die Promovierenden auf den komplexen Arbeitsmarkt „Wissenschaft“ intensiv vorzubereiten und gleichzeitig ihre frühe wissenschaftliche Selbstständigkeit zu unterstützen. Im aktuellen Auswahlverfahren hat die DFG bundesweit 13 neue Graduiertenkollegs bewilligt. Die neuen GRK werden ab Herbst 2022 erstmals für eine Dauer von zunächst fünf Jahren gefördert. Für sie besteht zudem erstmalig die Option, Promovierende mehr als 36 Monate bis zu maximal 48 Monate über das Programm Graduiertenkollegs zu finanzieren.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

20. Januar 2022 – Ein internationales Forscherteam unter federführender Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) hat erstmals umfassende Daten zur Suche nach Dunkler Materie mit einem weltweiten Netzwerk an optischen Magnetometern veröffentlicht. Durch korrelierte Messungen an zahlreichen Stationen des GNOME-Netzwerks sollten Dunkle-Materie-Felder ein charakteristisches Signalmuster erzeugen, so die Überlegung. Bei der Analyse von Daten aus einem einmonatigen Dauerbetrieb von GNOME gab es noch keinen entsprechenden Hinweis. Die Messung erlaubt aber Einschränkungen in Bezug auf die Eigenschaften der Dunklen Materie zu formulieren, wie die Forscher in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics berichten.

GNOME steht für global network of optical magnetometers for exotic physics searches. Dahinter verbergen sich über den Globus verteilte Magnetometer in Deutschland, Serbien, Polen, Israel, Südkorea, China, Australien und den USA. Mit GNOME wollen die Forscher insbesondere die Suche nach Dunkler Materie vorantreiben – eine der aufregendsten Herausforderungen der Grundlagenphysik im 21. Jahrhundert. Denn schon lange ist bekannt, dass viele rätselhafte astronomische Beobachtungen, wie die Rotationsgeschwindigkeit von Sternen in Galaxien oder das Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung am besten durch Dunkle Materie erklärt werden können.

„Als einer der vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie gelten heute extrem leichte bosonische Teilchen. Zu ihnen zählen unter anderem sogenannte Axion-like Particles – kurz ALPs“, sagt Prof. Dr. Dmitry Budker, Professor bei PRISMA+ und am HIM, einer institutionellen Kooperation der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. „Sie können auch als klassisches Feld, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert, betrachtet werden. Eine Eigenheit solcher bosonischen Felder ist, dass sie – so ein mögliches theoretisches Szenario – Muster und Strukturen bilden können. Im Ergebnis könnte die Dichte der Dunklen Materie in vielen verschiedenen Regionen konzentriert sein – es könnten sich zum Beispiel diskrete Domänenwände bilden, die kleiner als eine Galaxie, aber viel größer als die Erde sind.“

Dunkle Materie sollte charakteristische Signalmuster im Netzwerk auslösen
„Durchdringt eine solche Wand die Erde, wird diese nach und nach durch das GNOME-Netzwerk erkannt und kann in den Magnetometern vorübergehende charakteristische Signalmuster hervorrufen“, erläutert Dr. Arne Wickenbrock, einer der Mitautoren der Studie. „Noch dazu sind die Signale miteinander in bestimmter Weise korreliert – je nachdem wie schnell sich die Wand bewegt und wann sie den jeweiligen Standort erreicht.“

Mittlerweile besteht das Netzwerk aus 14 Magnetometern, die über acht Länder weltweit verteilt sind – neun von ihnen lieferten Daten für die aktuelle Analyse. Das Messprinzip beruht auf einer Wechselwirkung der Dunklen Materie mit den Kernspins der Atome in dem Magnetometer. Die Kernspins dieser Atome werden mit einem Laser mit einer bestimmten Frequenz angeregt und dabei alle in einer Richtung ausgerichtet. Ein potentielles Dunkle-Materie-Feld kann diese Richtung stören, was messbar ist.

Im übertragenen Sinn kann man sich vorstellen, dass die Atome in dem Magnetometer zunächst durcheinander tanzen, verdeutlicht Hector Masia Roig, Doktorand in der Budker-Gruppe und ebenfalls Autor der aktuellen Studie. „Wenn sie die richtige Frequenz an Laserlicht „hören“, drehen sie sich alle zusammen. Dunkle Materieteilchen können die tanzenden Atome aus dem Gleichgewicht bringen. Diese Störung können wir sehr genau messen.“ Und nun wird das Netzwerk an Magnetometern wichtig: Wenn die Erde sich durch eine räumlich begrenzte Wand aus Dunkler Materie bewegt, werden nach und nach die tanzenden Atome in allen Stationen gestört – eine dieser Stationen steht in einem Labor am Helmholtz-Institut in Mainz. „Erst wenn wir die Signale aller Stationen abgleichen, können wir beurteilen, was die Störung ausgelöst hat“, so Hector Masia Roig. „Übertragen auf das Bild der tanzenden Atome heißt das: Wenn wir die Messerergebnisse aller Stationen vergleichen, können wir entscheiden, ob es nur ein mutiger Tänzer war, der aus der Reihe tanzt, oder tatsächlich eine weltweite Störung durch dunkle Materie.“

In der aktuellen Studie analysiert das Forscherteam die Daten aus einem einmonatigen Dauerbetrieb von GNOME – statistisch signifikante Signale treten in dem untersuchten Massebereich von einem Femtoelektronenvolt (feV) bis 100.000 feV nicht auf. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Forscher den Bereich, in dem solche Signale der Theorie nach zu finden sein könnten, noch weiter als bisher einschränken können. Für Szenarien, die auf diskrete Dunkle-Materie-Wände setzen, ist das ein wichtiges Ergebnis – „auch wenn wir mit unserer weltweiten Ringfahndung eine solche Domänenwand bisher nicht nachweisen konnten“, so Joseph Smiga, ebenfalls Doktorand in Mainz und Autor der Studie.

Die zukünftige Arbeit der GNOME-Kollaboration wird sich darauf konzentrieren, sowohl die Magnetometer selbst als auch die Datenanalyse zu verbessern. So soll insbesondere ein Dauerbetrieb noch stabiler möglich sein. Das ist wichtig, um zuverlässig nach Signalen zu suchen, die länger als eine Stunde anhalten. Zudem sollen die bisherigen Alkali-Atome in den Magnetometern durch Edelgase ersetzt werden. Unter dem Titel Advanced GNOME erwarten die Forscher dadurch für künftige Messungen eine erheblich bessere Empfindlichkeit bei der Suche nach ALPs und Dunkler Materie.

Veröffentlichung:
Afach, S., Buchler, B.C., Budker, D. et al. Search for topological defect dark matter with a global network of optical magnetometers. Nat. Phys. 17, 1396–1401 (2021), 07. Dezember 2021
DOI: 10.1038/s41567-021-01393-y

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• Dunkle Materie

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

8. November 2021 – Sämtliche bekannte Atomkerne und damit fast die gesamte sichtbare Materie bestehen aus Protonen und Neutronen – und doch sind viele Eigenschaften dieser allgegenwärtigen Bausteine der Natur noch nicht verstanden. Insbesondere das Neutron als ungeladenes Teilchen verschließt sich vielen Messungen und es gibt auch 90 Jahre nach seiner Entdeckung noch viele offene Fragen, beispielsweise in Bezug auf seine Größe und seine Lebensdauer. Das Neutron besteht seinerseits aus drei Quarks, die, über Gluonen verbunden, darin umherschwirren. Physikerinnen und Physiker nutzen elektromagnetische Formfaktoren, um diese dynamische innere Struktur des Neutrons zu beschreiben. Die Formfaktoren geben somit eine mittlere Verteilung von elektrischer Ladung und Magnetisierung innerhalb des Neutrons wieder und können experimentell bestimmt werden.

Weißer Fleck auf der Landkarte der Formfaktoren mit präzisen Daten gefüllt
„Ein einzelner Formfaktor, gemessen bei einer bestimmten Energie, sagt zunächst einmal nicht viel aus“, erläutert Prof. Dr. Frank Maas, Wissenschaftler am Mainzer Exzellenzcluster PRISMA+, am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. „Erst die Kenntnis der Formfaktoren bei verschiedenen Energien erlaubt Rückschlüsse auf die Struktur des Neutrons.“ Für bestimmte Energiebereiche, die über klassische Streuexperimente von Elektronen an Protonen zugänglich sind, sind die Formfaktoren mit guter Genauigkeit bekannt. Für weitere Bereiche, die nur über sogenannte Annihilationsexperimente, bei denen sich Materie und Antimaterie gegenseitig vernichten, zugänglich sind, war dies bisher nicht der Fall.

Nun es ist es gelungen, am BESIII-Experiment in China genau diese Daten für den Energiebereich von 2 bis 3,8 Gigaelektronenvolt zu messen und zwar im Vergleich zu vorherigen Messungen mit mehr als 60-mal größerer Genauigkeit, wie die Kollaboration in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics berichtet. „Im übertragenen Sinne haben wir einen weißen Fleck auf der ,Landkarte‘ der Neutron-Formfaktoren, der bisher unbekanntes Terrain war, mit neuen Daten ausgefüllt“, sagt Frank Maas. „Diese sind nun ähnlich präzise wie Daten aus den korrespondieren Streuexperimenten. Dadurch wird sich die Datenlage hinsichtlich der Formfaktoren des Neutrons radikal verändern und wir erhalten auf diese Weise ein weit umfassenderes Bild über diesen wichtigen Baustein der Natur.“

Echte Pionierarbeit bei schwierigem Untersuchungsobjekt
Um in den gewünschten Bereich der Formfaktor-„Landkarte“ vordringen zu können, benötigen die Physiker Antiteilchen. Für ihre Messungen nutzte die internationale Kollaboration daher den „Beijing Electron-Positron Collider II“. Hier werden Elektronen und ihre positiven Antiteilchen, die Positronen, in einem Beschleuniger zur Kollision gebracht und vernichten sich unter Aussendung verschiedener neuer Teilchenpaare gegenseitig – die Physik nennt dies Annihilation. Den Prozess, bei dem sich aus einem Elektron und einem Positron ein Neutron und ein Anti-Neutron bilden, haben die Forscherinnen und Forscher mit dem BESIII-Detektor beobachtet und analysiert. „Solche Annihilationsexperimente sind bei Weitem nicht so etabliert wie klassische Streuexperimente“, sagt Frank Maas. „Viel Entwicklungsarbeit war nötig, um das aktuelle Experiment durchführen zu können – die Intensität des Beschleunigers musste verbessert und der Detektor für das schwer fassbare Neutron praktisch neu erfunden werden. Auch die Analysetechnik ist alles andere als trivial. Da hat unsere Kollaboration echte Pionierarbeit geleistet.“

Weitere interessante Phänomene
Damit noch nicht genug: Bei ihren Messungen haben die Physikerinnen und Physiker festgestellt, dass der Formfaktor in Abhängigkeit der Energie keine glatte Linie ergibt, sondern ein oszillierendes Muster zeigt, bei dem die Ausschläge mit zunehmender Energie kleiner werden. Dieses überraschende Verhalten haben sie in ähnlicher Weise beim Proton beobachtet – allerdings sind die Ausschläge gespiegelt, also phasenverschoben. „Das neue Feature spricht zunächst einmal dafür, dass die Nukleonen keine einfache Struktur haben“, erläutert Frank Maas. „Nun sind unsere Kolleginnen und Kollegen in der Theorie gefragt, Modelle für dieses außergewöhnliche Verhalten zu entwickeln.“

Schließlich rückt die BESIII-Kollaboration mit ihren Messungen noch das Bild des Verhältnisses der Formfaktoren von Neutron und Proton zurecht. Hier hatte das FENICE-Experiment vor vielen Jahren ein Verhältnis größer eins gemessen, was bedeutet, dass das Neutron durchgehend einen größeren Formfaktor aufweist als das Proton. „Da das Proton geladen ist, würde man es aber genau umgekehrt erwarten“, so Frank Maas. „Und genau dies sehen wir, wenn wir unsere Daten zum Neutron mit kürzlich bei BESIII gemessenen Daten zum Proton vergleichen. Hier haben wir unser Bild der kleinsten Teilchen also wieder zurechtgerückt.“

Aus dem Kleinen heraus das Große verstehen
Wichtig sind die neuen Erkenntnisse vor allem, weil sie sehr grundlegend sind, meint Frank Maas. „Sie geben einen neuen Einblick in die fundamentalen Eigenschaften des Neutrons. Zudem können wir durch den Blick auf die kleinsten Bausteine der Materie auch Phänomene verstehen, die sich in den größten Dimensionen abspielen – wie die Verschmelzung zweier Neutronensterne. Diese Physik der Extreme ist schon sehr faszinierend.“

Veröffentlichung:
M. Ablikim et al., Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron, Nature Physics 17, 1200-1204, 8. November 2021,
DOI: 10.1038/s41567-021-01345-6

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• Teilchenumwandlung

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Quelle: JGU.

Nach längerer Corona-bedingter Pause heißt es am Sonntag, den 13. September erstmals wieder „Vorhang auf“ für die Reihe „Physik im Theater“. Der Neustart ist zugleich eine Premiere: „Wir freuen uns sehr, dass es nach einer langen Pause wieder los geht!“, so MITP-Direktor Prof. Dr. Matthias Neubert. „Mit unserem stetig gewachsenen Freundeskreis der Reihe ‚Physik im Theater‘ stehen wir allerdings mit der stark limitierten Zuschauer-Kapazität im Staatstheater vor einer großen Herausforderung. Aus diesem Grund werden wir erstmals zusätzlich einen Livestream aus dem Staatstheater senden, um möglichst viele Physik-Interessierte teilhaben zu lassen.“

Wie immer erwartet diese ein ungemein spannendes und hochaktuelles Thema: In seinem Vortrag „Das frühe Universum hören: Suche nach neuer Physik mit Gravitationswellen“ wird Prof. Dr. Pedro Schwaller, Professor für Theoretische Elementarteilchenphysik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und einer der führenden Wissenschaftler im Exzellenzcluster PRISMA+, die Besucherinnen und Besucher auf eine abenteuerliche Zeitreise in das frühe Universum mitnehmen. Er wird erläutern, wie der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen im September 2015 das Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie eingeläutet hat und wie diese völlig neue Einblicke in die Geschehnisse im frühen Universum eröffnet. Ein weiterer Aspekt: Mit Hilfe von Gravitationswellen suchen Wissenschaftler auch nach neuen physikalischen Phänomenen, welche Hinweise zur Aufklärung der großen offenen Rätsel der Elementarteilchenphysik liefern können: Was ist die dunkle Materie? Wie entstand die sichtbare Materie im Universum? Und gibt es weitere Symmetrien zwischen den Elementarteilchen? Neue Gravitationswellenexperimente auf der Erde, unter der Erde und im Weltraum werden in den nächsten Jahren helfen, diesen Fragen auf den Grund zu gehen.

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

Veranstalter: Mainzer Institut für theoretische Physik (MITP)
Webseite: https://www.mitp.uni-mainz.de/physik-im-theater/
Anmeldung: nicht erforderlich
Livestream: PHYSIK IM THEATER: Das frühe Universum hören (13.09.2020).

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Ein neuartiges Forschungsinstrument hat ein internationales Wissenschaftlerteam – die Gamma Factory Initiative – im Blick. Sie schlägt vor, eine Quelle von hochintensiven Gammastrahlen zu entwickeln und dazu die vorhanden Beschleunigeranlagen am CERN zu nutzen. Dazu sollen in den SPS- und LHC-Speicherringen später einmal spezielle Ionenstrahlen zirkulieren, die durch Laserlicht dazu angeregt werden, Photonen zu emittieren. In der gewählten Konstellation liegen die Photonen energetisch im Gammastrahlen-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dieser ist für die Spektroskopie von Atomkernen besonders interessant. Darüber hinaus soll der Gammastrahl eine sehr hohe Intensität aufweisen, die mehrere Größenordnungen über den derzeit im Betrieb befindlichen Anlagen liegt. Eine derart konzipierte Gamma-Fabrik wird bahnbrechende Experimente in der Spektroskopie und neue Testmethoden für grundlegende Symmetrien der Natur ermöglichen, beschreiben die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Annalen der Physik“.

Im Zentrum der Gamma-Fabrik stehen besondere Ionenstrahlen – sie bestehen aus schweren Elementen wie Blei, haben aber fast alle Elektronen in der äußeren Hülle abgestreift. Normalerweise hat ein Bleiatom 82 Protonen im Kern und 82 Elektronen in der Hülle. Bleiben von diesen nur noch ein oder zwei Elektronen übrig, entstehen so genannte „Partially Stripped Ions“ – kurz PSI. In einer künftigen Gamma-Fabrik zirkulieren sie in einem Hochenergie-Speicherring – wie etwa dem Super Proton Synchrotron (SPS) oder dem Large Hadron Collider (SPS) am CERN.

PSI bieten einzigartige Möglichkeiten für die Erforschung verschiedener grundlegender Fragen in der modernen Wissenschaft. Im Bereich der Atomphysik dienen sie im übertragenden Sinne als Mini-Labor, um zu untersuchen, wie sich Systeme mit wenigen Elektronen verhalten, wenn sie starken elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sind – letztere werden im Falle von PSI von den Atomkernen selbst erzeugt.

Die Hauptidee der Gamma-Fabrik ist es nun, einen Laserstrahl frontal auf einen beschleunigten PSI-Strahl prallen zu lassen. Im „PSI-Labor“ lassen sich so durch die einfallenden Photonen angeregte Zustände erzeugen, indem Elektronen auf höhere Bahnen befördert werden – ein ideales Testsystem, welches detaillierte Atom-spektroskopische Untersuchungen ermöglicht (Primärstrahlspektroskopie). Die mit dem Laserstrahl angeregten PSI emittieren ihrerseits wiederum Photonen, die in einer Vielzahl von weiteren Experimenten außerhalb des „PSI-Labors“ eingesetzt werden können (Sekundärstrahlspektroskopie). Der hierbei erzeugte Strahl von Gammastrahlen weist hohe Energien bis zu 400 Megaelektronenvolt auf, das entspricht einer Wellenlänge von 3 Femtometern. Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat eine um acht Größenordnungen kleinere Photonenenergie bzw. größere Wellenlänge.

„Die Gamma-Fabrik, die wir vorschlagen, bietet uns damit gleich zwei ungemein spannende Perspektiven: Sie ist einerseits eine sehr intensive Lichtquelle, die hochenergetische Gammastrahlen mit einem ganz spezifischen Frequenzband erzeugt und gleichzeitig eine Riesenionenfalle, in der wir die im Speicherring zirkulierenden PSI spektroskopisch ganz genau unter die Lupe nehmen können“, erläutert Prof. Dr. Dmitry Budker vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und dem Helmholtz-Institut Mainz und einer der Autoren der aktuellen Veröffentlichung. „In unserem Artikel beschreiben wir einerseits die zahlreichen Möglichkeiten, die beide Ansätze bieten. Andererseits ist es wichtig, die aktuellen und künftigen Herausforderungen zu adressieren, die mit der Etablierung einer solchen Gamma-Fabrik verbunden sind.“

Beispiele für spannende physikalische Anwendungen der Primärstrahlspektroskopie sind Messungen von Atomparitäts-Verletzungseffekten in PSI – diese sind eine Folge der schwachen Wechselwirkungen zwischen den subatomaren Teilchen – sowie Messungen der Verteilung der Neutronen in den Kernen der PSI – diese Messungen würden einige der wichtigsten Forschungsaktivitäten in Mainz ergänzen. Die sekundären, hochenergetischen Gammastrahlen mit exakt kontrollierter Polarisation werden beispielsweise in Verbindung mit „festen“ polarisierten Targets verwendet, um die Struktur der Atomkerne und die für die Astrophysik relevanten Kernreaktionen zu untersuchen. Die sekundären Gammastrahlen können darüber hinaus zur Erzeugung intensiver tertiärer Strahlen, beispielsweise aus Neutronen, Myonen oder Neutrinos, verwendet werden.

Für einen optimalen Betrieb der Gamma-Fabrik sind eine Reihe von technologischen Herausforderungen zu bewältigen. „So müssen wir beispielsweise lernen, ultrarelativistische PSI mittels Laserkühlung zu behandeln, um deren Energieausbreitung zu reduzieren und so einen wohldefinierten Strahl zu erhalten“, erläutert Dmitry Budker. „Während die Laserkühlung von Ionen bei niedrigeren Energien beispielsweise an der GSI in Darmstadt untersucht wurde, ist sie bei solch hohen Energien wie in der Gamma-Fabrik noch nicht durchgeführt worden.“

Reine Zukunftsmusik ist die Gamma-Fabrik nicht mehr, denn im Juli 2018 vollzog sie am CERN einen großen Schritt von der Idee zur Realität: Der Gamma Factory-Gruppe gelang es zusammen mit den Beschleunigerexperten des CERN, Strahlen aus Wasserstoff- und Helium-ähnlichem Bleiionen mehrere Minuten lang im SPS zirkulieren zu lassen. Der Wasserstoff-ähnliche Strahl wurde weiter in den LHC injiziert, wo er mehrere Stunden weiter zirkulierte. „Der nächste entscheidende Schritt ist das spezielle Proof-of-Principle-Experiment am SPS des CERN durchzuführen, das das gesamte Konzept der Gamma-Fabrik validieren soll“, skizziert Dmitry Budker die nächste spannende Stufe. Die Gamma-Fabrik ist ein wegweisender Vorschlag, der derzeit im Rahmen des CERN-Programms „Physics Beyond Colliders“ untersucht wird.

Veröffentlichung:
Dmitry Budker, José R. Crespo López-Urrutia, Andrei Derevianko, Victor V. Flambaum, Mieczyslaw Witold Krasny, Alexey Petrenko, Szymon Pustelny, Andrey Surzhykov, Vladimir A. Yerokhin, and Max Zolotorev, Atomic Physics Studies at the Gamma Factory at CERN,
Ann. Phys. (Berlin) 2020, 2000204
DOI: 10.1002/andp.202000204

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Eine internationale Forschungskollaboration unter Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA⁺ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat am Paul Scherrer Institut (PSI) eine Eigenschaft des Neutrons so genau wie noch nie vermessen. Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Teilchen ein deutlich kleineres elektrisches Dipolmoment hat als bisher bekannt. Das Ergebnis erzielten die Wissenschaftler mithilfe der Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI in der Schweiz. Sie veröffentlichen es heute im Fachblatt Physical Review Letters.

Beim Urknall entstand sowohl die Materie des Universums als auch die sogenannte Antimaterie – so zumindest die gängige Theorie. Da sich die beiden allerdings gegenseitig auslöschen, muss ein Überschuss an Materie entstanden sein, der bis heute übrig geblieben ist. Die Ursache für diesen Materie-Überschuss ist eines der großen Rätsel der Physik und Astronomie. Einen Hinweis auf das dahinterliegende Phänomen hoffen Forschende unter anderem mithilfe von Neutronen zu finden, den elektrisch ungeladenen Bausteinen der Atomkerne. Die Vermutung: Hätte das Neutron ein sogenanntes elektrisches Dipolmoment (kurz: nEDM) mit einem messbaren Betrag ungleich null, könnte dahinter das gleiche physikalische Prinzip stecken, das auch den Überhang an Materie nach dem Urknall erklären würde.

50.000 Messungen

Die Suche nach dem nEDM lässt sich alltagssprachlich ausdrücken als die Frage, ob das Neutron ein elektrischer Kompass ist oder nicht. Schon lange ist klar, dass das Neutron ein magnetischer Kompass ist und auf ein Magnetfeld reagiert, oder im Fachjargon: ein magnetisches Dipolmoment besitzt. Sollte das Neutron zusätzlich auch ein elektrisches Dipolmoment haben, wäre dessen Wert sehr viel geringer – und daher ungleich schwieriger zu messen. Das haben bereits frühere Messungen anderer Forschungsgruppen ergeben. Daher musste die Forschungsgruppe bei ihrer jetzigen Messung am PSI das lokale Magnetfeld mit hohem Aufwand sehr konstant halten – und kleinste Störungen aus den Versuchsdaten herausrechnen. Das ist die Spezialität von Prof. Dr. Martin Fertl, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA⁺, und seiner Forschungsgruppe: „Um dies zu bewerkstelligen haben wir extrem empfindliche Magnetometer entwickelt und eingesetzt, die unter anderem auf dem Prinzip der gepulsten Kernspinresonanz basieren.“

Auch die Anzahl der beobachteten Neutronen musste entsprechend groß sein, um eine Chance zu haben, ihr nEDM zu messen. Am PSI liefen die Messungen daher über einen Zeitraum von zwei Jahren. Vermessen wurden sogenannte ultrakalte Neutronen, also Neutronen mit vergleichsweise langsamer Geschwindigkeit. Alle 300 Sekunden wurde für acht Sekunden ein Bündel mit über 10.000 Neutronen zum Experiment gelenkt und untersucht. Insgesamt vermaßen die Forschenden 50.000 solcher Bündel. Um die Neutronen entsprechend auf den rechten Weg zu bringen, musste zwischen der Neutronenquelle und der eigentlichen Speicherkammer eine Neutronenweiche installiert werden. „Diese Weiche wurde in der Kernchemie in Mainz konstruiert und anschließend der Aufbau am PSI eng begleitet“, berichtet Prof. Dr. Dieter Ries, ebenfalls vom Mainzer Exzellenzcluster PRISMA⁺. Er war darüber hinaus schon im Rahmen seiner Doktorarbeit maßgeblich an der Entwicklung und Charakterisierung der Quelle für ultrakalte Neutronen am PSI beteiligt.

Das neue Resultat hat ein Zusammenschluss von Forschenden an 18 Instituten und Hochschulen in Europa und den USA anhand von Daten ermittelt, die an dieser Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI gesammelt worden waren. Die Forschenden hatten die Messdaten in zwei getrennten Teams sehr sorgfältig ausgewertet und dadurch ein genaueres Ergebnis als je zuvor erhalten.

Suche nach „neuer Physik“

Ihr Fazit: „Unser jetziges Ergebnis zeigt, dass der wahre Wert für das nEDM zu klein ist, um ihn mit unserer bislang erreichten Messgenauigkeit zu erfassen – der Wert ist also weiter hin zur Null gerückt“, sagt Prof Dr. Werner Heil, ebenfalls von Mainzer Seite am nEDM-Projekt beteiligt. „Es bleibt aber spannend, ein endliches nEDM aufzuspüren, um zu erfahren, ob sich hierüber neue Physik entdecken lässt.“

Daher ist die nächste, noch genauere Messung bereits in Planung: Die neue Messreihe soll ab 2021 starten und die jetzige wiederum in ihrer Genauigkeit übertreffen. „Der Aufbau für die neue Messung basiert auf vielen Erfahrungen, die wir mit dem vorherigen Experiment gemacht haben. Er ist in vielerlei Hinsicht, zum Beispiel bezogen auf die Parameter der Neutronenquelle und auf die Minimierung systematischer Messfehler, optimiert und in diesem Sinne wegweisend“, so Dieter Ries abschließend.

Text: Erstellt auf der Grundlage einer Pressemitteilung des Paul Scherrer Instituts

Veröffentlichung:

C. Abel et al., Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron
Physical Review Letters 28. Februar 2020 (online)
Abstract: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.081803

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• Antimaterie

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des Exzellenzclusters PRISMA⁺ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) federführend beteiligt sind, zeigt nun: Das Rätsel der Neutrino-Massenordnung könnte bereits in den nächsten Jahren gelöst sein. Denn: Mit der kombinierten Leistungsfähigkeit zweier neuer Neutrino-Experimente am Horizont – dem Upgrade des IceCube Experiments am Südpol und dem Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in China – werden die Physiker bald Zugang zu sehr viel empfindlicheren und sich ergänzenden Messungen der Neutrino-Massenordnung haben.

Neutrinos sind die Chamäleons unter den Elementarteilchen

Neutrinos werden von natürlichen Quellen – etwa im Sonneninneren und anderen astronomischen Objekten – aber auch in Kernkraftwerken in riesigen Mengen erzeugt. Normale Materie – einschließlich unseren Körper – durchdringen sie jedoch völlig ungehindert. Das macht den Nachweis dieser „Geisterteilchen“ extrem aufwendig und erfordert gewaltige Detektoren, um wenigstens ein paar der seltenen Reaktionen nachzuweisen.

Neutrinos kommen in drei unterschiedlichen Arten vor – als Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich ineinander umwandeln; ein Phänomen, das die Forscher als Neutrinooszillationen bezeichnen. Aus dem beobachteten Oszillationsmuster lassen sich auch Rückschlüsse auf die Masse der Teilchen ziehen. Die Frage, die die Physiker seit Jahren umtreibt, ist: Welches der drei Neutrinos ist das leichteste, welches das schwerste? Prof. Dr. Michael Wurm, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA⁺ und am Institut für Physik der JGU, ist maßgeblich am Aufbau des JUNO Experiments in China beteiligt. Er sagt: „In der Beantwortung dieser Frage sehen wir einen wichtigen Schritt, um langfristig Informationen über die Verletzung der Materie-Antimaterie-Symmetrie im Neutrinosektor gewinnen zu können. Deshalb versprechen wir uns davon schlussendlich Antworten auf die Frage, weshalb sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht vollständig gegenseitig vernichtet haben.“

Weltweite Zusammenarbeit zahlt sich aus

Beide Groß-Experimente nutzen sehr unterschiedliche und komplementäre Wege, um das Rätsel der Neutrino-Massenordnung zu lösen. „Da liegt es nahe, die erwarteten Ergebnisse beider Experimente zu kombinieren“, erläutert Prof. Dr. Sebastian Böser, der ebenfalls am Exzellenzcluster PRISMA⁺ und am Institut für Physik der JGU an Neutrinos forscht und maßgeblich am IceCube Experiment beteiligt ist.

Gesagt, getan: In der aktuellen Ausgabe der Physical Reviews D beschreiben Forscher der IceCube und der JUNO Kollaboration eine kombinierte Analyse ihrer jeweiligen Experimente. Dazu gingen die Autoren zunächst davon aus, dass jedes Experiment eine bestimmte Zeit gelaufen war und simulierten dann die vorhergesagten experimentellen Ergebnisse. Diese Ergebnisse variieren je nachdem, ob die Neutrino-Massen einer normalen oder umgekehrten (invertierten) Ordnung folgen. Als nächstes führten die Physiker einen statistischen Test durch, in dem sie die simulierten Ergebnisse beider Experimente einer gemeinsamen Analyse unterzogen: Diese verriet ihnen die Empfindlichkeit dafür, dass beide Experimente kombiniert die korrekte Ordnung vorhersagen beziehungsweise die falsche Ordnung ausschließen können. Da die Ergebnisse von JUNO und IceCube sehr spezifisch von der tatsächlichen Neutrino-Massenordnung abhängen, hatte ihr kombinierter Test eine sehr viel stärkere Unterscheidungskraft als jedes der Einzelexperimente: In Kombination können die Experimente so die falsche Neutrino-Massenordnung innerhalb von drei bis sieben Jahren Messzeit definitiv ausschließen.

„Das Ganze ist in diesem Fall mehr als die Summe seiner Teile“, lautet das Fazit von Sebastian Böser. „Es unterstreicht eindrucksvoll die Bedeutung komplementärer experimenteller Ansätze zur Lösung der verbleibenden Rätsel der Neutrinos.“ „Weder das IceCube Upgrade noch JUNO können das alleine erreichen – und auch keines der anderen Experimente, die es derzeit gibt“, ergänzt Michael Wurm. „Darüber hinaus ist es ein schönes Beispiel für die Zusammenarbeit der Neutrinophysiker hier in Mainz.“

Über IceCube und seine Erweiterung:

IceCube ist der größte Teilchendetektor der Welt. Er wurde im Dezember 2010 fertiggestellt und sammelt seitdem Daten über Neutrinos aus dem Weltall. Er besteht aus einem Kubikkilometer Eis und liegt direkt bei der Amundsen-Scott-Station am geografischen Südpol. An 86 Kabeltrossen sind jeweils 60 Glaskugeln angebracht, die in Tiefen zwischen 1,45 und 2,45 Kilometer reichen. Diese Kugeln umschließen hochempfindliche Lichtsensoren, die das bläuliche Tscherenkow-Leuchten auffangen, das bei Neutrino-Reaktionen entsteht. Zu den bisher 5.160 Sensoren kommen mit dem Upgrade weitere 700 neue Sensoren hinzu, die in sehr engem Abstand an sieben Kabeltrossen befestigt sind. Sie werden unter dem Zentrum des jetzigen Detektors etwa 1,6 Kilometer tief installiert.

Über JUNO:

Der JUNO-Detektor (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) wird aktuell in einem eigens geschaffenen Untergrundlabor aufgebaut, das in etwa 50 Kilometer Abstand zu zwei Reaktorkomplexen an der südchinesischen Küste liegt. Die von den Reaktoren ausgesandten Neutrinos werden anhand kleiner Lichtblitze im Szintillatortarget des Detektors nachgewiesen. 20.000 Tonnen einer mineralölähnlichen Flüssigkeit befinden sich gut abgeschirmt von äußerer Strahlung in einer 35 Meter durchmessenden Plexiglassphäre im Zentrum des Detektors, dessen Oberfläche dicht mit Lichtsensoren bestückt ist.

Veröffentlichung:

M. G. Aartsen et al. (IceCube-Gen2 Collaboration, JUNO Collaboration Members), Combined sensitivity to the neutrino mass ordering with JUNO, the IceCube Upgrade, and PINGU, Physical Review D 101: 032006, 21. Februar 2020

DOI: 10.1103/PhysRevD.101.032006

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• Neutrinos

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Quelle: OHB SE Bremen.

Der Mainzer Spezialist für Antennen- und Teleskopanlagen, die MT Mechatronics GmbH (MTM), eine Tochtergesellschaft des Raumfahrtkonzerns OHB SE, hat jetzt mit dem Bau der ersten Testantenne für die Realisierung der Satelliten­kommunikations­mission Heinrich Hertz begonnen. Die Testantenne wird direkt vor dem Firmengebäude in Mainz errichtet und ab Juni diverse Testszenarien durchlaufen. Insgesamt fünf Antennen wird MTM für das Bodensegment der Mission fertigen und liefern.

„Zunächst werden wir mechanische, elektrische sowie Softwaretests durchführen“, sagt MTM-Projektleiter Dr. Rainer Krause. Vereinfacht gesagt, geht es darum, zu prüfen, ob die Hard- und Software, zur präzisen Positionierung der Antenne, sowie der Empfang einwandfrei funktionieren.

Der insgesamt neuneinhalb Meter hohe Stahlriese wird mit einem Reflektor von gut sieben Metern Durchmesser versehen. Anschließend wird die Antenne entsprechend der Kundenanforderungen getestet und die Funktionalität gemäß der spezifizierten Anforderungen sichergestellt. Dies beinhaltet unter anderem die Adaptierung der Steuerungssoftware mit deren Hilfe die Antenne akkurat auf den geostationären Satelliten ausgerichtet werden kann, um diesen in ca. 36000 km Entfernung zu treffen und eine fehlerfreie Kommunikation in beide Richtungen, zu garantieren.

Nach erfolgreicher Testphase geht es für MTM mit der Fertigung und Installation der fünf zu bauenden Antennen weiter. Diese werden einen Durchmesser zwischen 7,3 und 13 Metern aufweisen und übernehmen verschiedene Funktionen innerhalb des Bodensegmentes in Deutschland. Sie ermöglichen die Steuerung des Heinrich Hertz Satelliten, die Ausführung und Überwachung der Experimente und die Verwendung der Kommunikationsnutzlasten an Bord des Satelliten „Die Beteiligung an der Heinrich Hertz Mission ist für MTM ein gelungener Einstieg in das Satcom-Geschäft“, sagt Dr. Rainer Krause.   

Heinrich Hertz wird durch das DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) und unter Beteiligung des Bundesministeriums der Verteidigung (BMVg) gefördert.

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• Heinrich Hertz – H2Sat

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