Der Anfang vom Anfang war gemacht: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass unser Universum nicht ewig und unveränderlich in all seiner Pracht existiert, sondern dass es in ferner Vergangenheit zunächst entstanden ist. Dieses Ereignis bezeichnen wir heute als Urknall – aber was ist dann passiert?

In dieser Folge erzählt Franzi die Geschichte eines Physikers namens Ralph Alpher, der herausgefunden hat, wie das Weltall und alles in ihm entstanden ist: wie die Materie in unser Universum kam, allen voran die beiden häufigsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Diese Urknall-Nukleosynthese ist bis heute eine der stärksten Hinweise darauf, dass das Universum in einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand angefangen hat – und sie verrät uns außerdem, wie lange dieser Anfang vom Allem gedauert hat.

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.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Urknall

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Erbe des Urknalls – wie die Materie entstand erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2. August 2024.

2. August 2024 – BASE hat eine Falle entwickelt, mit der einzelne Antiprotonen wesentlich schneller abgekühlt werden als bisher, was die Forschenden nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erläutern.

Nach dem Urknall vor über 13 Milliarden Jahren war das Universum voll hochenergetischer Strahlung. Aus ihr entstanden ständig Paare von Materie- und Antimaterieteilchen – beispielsweise Protonen und Antiprotonen. Trifft ein solches Paar wieder zusammen, zerstrahlen die Teile erneut zu reiner Energie. In der Summe sollten also exakt gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstehen und wieder zerstrahlen, in der Summe sollte das Universum weitgehend materielos sein.

Offensichtlich gibt es aber ein Ungleichgewicht – eine Asymmetrie –, denn es gibt materielle Objekte. Es ist eine winzige Menge mehr Materie als Antimaterie entstanden, im Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik. Physiker suchen deshalb seit Jahrzehnten, das Standardmodell zu erweitern. Dafür benötigen sie auch präziseste Messung fundamentaler physikalischer Größen.

Hier setzt die BASE-Kollaboration („Baryon Antibaryon Symmetry Experiment“) an, an der die Universitäten in Düsseldorf, Hannover, Heidelberg, Mainz, Tokio und der ETH Zürich beteiligt sind sowie die Forschungslabore CERN in Genf, GSI in Darmstadt, das MPI für Kernphysik in Heidelberg, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und RIKEN in Wako / Japan.

„Die zentrale Frage, der wir nachgehen wollen: Sind Materie- und ihre zugehörigen Antimaterieteilchen exakt gleich schwer und haben sie die exakt gleichen magnetischen Momente, oder gibt es winzige Abweichungen?“, erläutert Prof. Dr. Stefan Ulmer, Sprecher von BASE. Er ist Professor am Institut für Experimentalphysik der HHU und forscht zusätzlich am CERN und am RIKEN.

Die Physiker wollen mit extrem hoher Auflösung den sogenannten Spin-Flip – Quantenübergänge des Protonenspins – bei einzelnen, ultrakalten und damit extrem energiearmen Antiprotonen messen; also das Umklappen des Eigendrehimpulses. „Aus den gemessenen Übergangsfrequenzen können wir unter anderem das magnetische Moment der Antiprotonen – also sozusagen deren winzige innere Stabmagnete – vermessen“, erläutert Ulmer, und: „Wir wollen so mit bisher unerreichter Genauigkeit schauen, ob diese Stabmagnete in Protonen und Antiprotonen dieselbe Stärke aufweisen.“

Einzelne Antiprotonen für die Messungen so zu präparieren, dass entsprechende Messgenauigkeiten erreicht werden, ist eine äußert aufwändige experimentelle Aufgabe. Hierbei hat die BASE-Kollaboration nun einen entscheidenden Fortschritt erzielt.

Dr. Barbara Maria Latacz vom CERN und Erstautorin der jetzt in Physical Review Letters als „editors suggestion“ erschienenen Studie: „Wir benötigen Antiprotonen mit einer maximalen Temperatur von 200 mK, also extrem kalte Teilchen. Nur so sind verschiedene Spin-Quantenzustände unterscheidbar. Mit bisherigen Techniken dauerte es 15 Stunden, um Antiprotonen, die wir aus dem Beschleunigerkomplex des CERN beziehen, so weit abzukühlen. Mit unserer neuen Kühlmethode verkürzen wir diese Zeit auf acht Minuten.“

Erreicht haben die Forschenden dies, indem sie quasi zwei sogenannte Penningfallen zu einem Gerät zusammenschlossen, zu einer „Maxwell-Daemon-Kühldoppelfalle“. Mit ihr ist es möglich, nur die kältesten Antiprotonen gezielt zu präparieren und für die nachfolgende Spin-Flip-Messung zu nutzen; wärmere Teilchen werden aussortiert. So entfällt die Zeit, um wärmere Antiprotonen abzukühlen.

Die erhebliche kürzere Kühlzeit ist notwendig, um die nötige Messstatistik in wesentlich kürzerer Zeit zu erhalten, so dass die Messunsicherheiten weiter gesenkt werden können. Latacz: „Wir brauchen mindestens 1.000 einzelne Messzyklen. Mit unserer neuen Falle heißt dies, dass wir rund einen Monat Messzeit benötigen – im Vergleich zu knapp zehn Jahren mit der alten Technik, was experimentell nicht realisierbar wäre.“

Ulmer: „Mit der BASE-Falle konnten wir bereits messen, dass sich die magnetischen Momente von Proton und Antiproton um maximal ein Milliardstel – wir sprechen von 10^-9 – unterscheiden. Wir konnten die Fehlerrate der Spin-Identifikation um mehr als einen Faktor 1.000 verbessern. In der nächsten Messkampagne hoffen wir, die Genauigkeit im magnetischen Moment auf 10^-10 verbessern zu können.“

Prof. Ulmer zu den zukünftigen Plänen: „Wir wollen eine mobile Teilchenfalle bauen, mit der wir am CERN in Genf erzeugte Antiprotonen in ein neues Labor an der HHU transportieren können. Dieses ist so eingerichtet, dass wir hoffen dürfen, die Messgenauigkeit um mindestens einen weiteren Faktor 10 zu verbessern.“

Hintergrund: Fallen für Elementarteilchen
Mithilfe von magnetischen und elektrischen Feldern können in Fallen einzelne elektrisch geladene Elementarteilchen, deren Antiteilchen oder auch Atomkerne für längere Zeit gespeichert werden. Speicherdauern von über zehn Jahren sind möglich. Innerhalb der Fallen können dann gezielte Messungen an ihnen vorgenommen werden.

Es gibt zwei grundlegende Bauweisen: Bei den sogenannten Paul-Fallen (die vom deutschen Physiker Wolfgang Paul in den 1950er-Jahren entwickelt wurden) erfolgt die Speicherung mithilfe von elektrischen Wechselfeldern. Die von Hans G. Dehmelt entwickelten „Penning-Fallen“ nutzen ein konstantes Magnetfeld und ein elektrostatisches Quadrupolfeld. Beide Physiker erhielten für ihre Entwicklungen 1989 den Nobelpreis.

Originalveröffentlichung
B. M. Latacz, M. Fleck, J. I. Jäger, G. Umbrazunas, B. P. Arndt, S. R. Erlewein, E. J. Wursten, J. A. Devlin, P. Micke, F. Abbass, D. Schweitzer, M. Wiesinger, C. Will, H. Yildiz, K. Blaum, Y. Matsuda, A. Mooser, C. Ospelkaus, C. Smorra, A. Soter, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, and S. Ulmer. Orders of Magnitude Improved Cyclotron-Mode Cooling for Non-Destructive Spin Quantum Transition Spectroscopy with Single Trapped Antiprotons, Physical Review Letters 133, 053201 (2024).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053201
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.053201
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.053201

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• Antimaterie

Der Beitrag HHU: Kalte Antimaterie für quanten-aufgelöste Präzisionsmessungen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Hamburg 10. Juni 2024.

10. Juni 2024 – Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Institut für Experimentalphysik (IEP) der Universität Hamburg beteiligen sich bereits seit 20 Jahren an dem sogenannten Compact-Muon-Solenoid-Experiment, kurz CMS – einem Detektor, der Teil des leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers der Welt ist, dem Large-Hadron-Collider am Europäischen Forschungszentrum CERN in der Schweiz. In dem internationalen Großprojekt geht es um die kleinsten Bausteine der Materie, die sogenannten Elementarteilchen, wie zum Beispiel das Higgs-Teilchen.

Aktuelle Forschungsvorhaben konzentrieren sich dabei auf eine mögliche Verbindung des Higgs-Teilchens mit den Prozessen des Urknalls sowie auf die Identifizierung von bisher unbekannten Teilchen der dunklen Materie, die einen Großteil der Materie im Universum ausmacht. Für diese Arbeit erhalten die Forschenden der UHH in den kommenden drei Jahren insgesamt 4,8 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Die Förderung ist Teil des Rahmenprogramms „Erforschung von Universum und Materie“. Beteiligt sind die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Erika Garutti, Prof. Dr. Peter Schleper, Prof. Dr. Johannes Haller, Prof. Dr. Konstantinos Nikolopoulos und Prof. Dr. Gregor Kasieczka, die alle Teil des Exzellenzclusters Quantum Universe sind.

Ein Teil der Mittel wird für den Betrieb des Detektors eingesetzt, zudem werden Stellen geschaffen und insbesondere der wissenschaftliche Nachwuchs soll gefördert werden. „So stellen wir sicher, dass wir die aufgezeichneten Daten in Hamburg auswerten können. Dafür sind neben Personal wegen der enormen Datenmengen auch große Rechner-Farmen notwendig“, sagt Dr. Matthias Schröder, Wissenschaftler im IEP und Experte im Bereich der Higgs-Physik. Mit den bewilligten Mitteln könne die dafür in Hamburg aufgebaute Infrastruktur auch in den kommenden drei Jahren effektiv betrieben werden, ergänzt Dr. Hartmut Stadie, verantwortlicher Wissenschaftler für den Bereich Computing im IEP.

Gleichzeitig geht der Blick der Hamburger Gruppen aber auch in die Zukunft: Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Karlsruher Instituts für Technologie, der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen und des Hamburger Helmholtz-Zentrums DESY werden sie den CMS-Detektor auf die Zeit ab 2029 vorbereiten.

In fünf Jahren soll die Leistungsfähigkeit des gesamten Beschleuniger-Komplexes noch einmal erheblich gesteigert werden, was die Anforderungen an den Detektor verändert. „In Hamburg haben wir uns seit Jahren auf diesen Umbau vorbereitet und neue Detektor-Konzepte entwickelt, die den neuen Bedingungen standhalten können. Die notwendigen Mittel zum Bau dieser Detektoren stehen uns nun zur Verfügung“, so Dr. Georg Steinbrück, leitender Wissenschaftler im Bereich Detektorentwicklung im IEP.

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• Large Hadron Collider

Der Beitrag UHH: 4,8 Millionen für Projekte zum Urknall und dem Higgs-Teilchen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 9. April 2024.

9. April 2024 – Unsere Elemente, die Bausteine allen Lebens, existieren bereits seit vielen Milliarden Jahren. Kurz nach dem Urknall gab es nur leichte, gasförmige Elemente. In gigantischen Gaswolken entstanden durch die Schwerkraft die ersten Sterne. Der Anfang für die Entstehung weiterer Elemente war gemacht. Bis zum Ende seines Lebens fusioniert ein Stern Elemente, wie etwa den für uns so unentbehrlichen Sauerstoff. Bei der Produktion von Eisen bricht der Stern jedoch unter seiner eigenen Schwerkraft zusammen und explodiert in einer Supernova.

Und was ist mit den zahlreichen noch schwereren Elementen? Einerseits werden sie in den extremen Bedingungen, die in einer Supernova herrschen, erzeugt. Andererseits existiert in den Supernova-Überresten oftmals ein Neutronenstern – ein unglaublich kompaktes Objekt, das sich mit rasender Geschwindigkeit um seine eigene Achse dreht. Wenn zwei dieser außergewöhnlichen Sterne miteinander kollidieren und verschmelzen, werden ungeheure Mengen Energie und Materie ins All geschleudert. Erst unter solch Bedingungen können schwere Elemente wie etwa Gold entstehen.

In der Vortragsreihe „Der Ursprung der Materie – Wie entstehen Elemente im Universum?“ gehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Clusterprojekt ELEMENTS und eingeladene Experten auf die Frage ein, welche Prozesse in extremen Zuständen von Materie ablaufen und unter welchen Bedingungen schwere Elemente entstehen. Die Federführung liegt bei Prof. Dr. Luciano Rezzolla und Prof. Dr. Dirk Rischke von der Goethe-Universität Frankfurt.

Eröffnet wird die Reihe
„Der Ursprung der Materie“
von Prof. Dr. Harald Lesch
am 21. April, 14:00 Uhr
im Audimax der Goethe-Universität
Theodor-W.-Adorno-Platz 5
60323 Frankfurt am Main

Harald Lesch ist Professor für Theoretische Astrophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Professor für Naturphilosophie an der Hochschule für Philosophie München. Seit 25 Jahren ist er als TV-Moderator tätig, aktuell bei „Leschs Kosmos“ und „Terra X“ im ZDF.

Eine Anmeldung ist aufgrund begrenzter Plätze unbedingt erforderlich unter https://www.terminland.de/KinderUniGoetheUniversitaet2026/online/Deutsche%20Bank%20Stiftungsgastprofessur/?m=37280. Der Vortrag wird in Deutsche Gebärdensprache übersetzt.

Weitere Termine der Reihe sind:

15.5. Prof. Dr. Camilla Juul Hansen (Goethe-Universität Frankfurt)
Das Universum vom Urknall bis heute
SKW Campus Westend – 1 

22.5. Prof. Dr. Laura Sagunski (Goethe-Universität Frankfurt)
Die dunklen Mächte des Universums
Physikalischer Verein – 2 

5.6. Prof. Dr. Hans-Thomas Janka (Max-Planck-Institut für Astrophysik)
Das spektakuläre Ende eines Sternenlebens
Physikalischer Verein – 2 

19.6. Prof. Dr. Michael Kramer (Max-Planck-Institut für Radioastronomie)
Alles relativ, oder was?
Casino Campus Westend – 3 

3.7. Prof. Dr. Luciano Rezzolla (Goethe-Universität Frankfurt)
Einsteins außerirdisches Laboratorium
Casino Campus Westend – 3 

17.7. Prof. Dr. Almudena Arcones (TU Darmstadt)
Auf der Jagd nach Neutronen
Casino Campus Westend – 3 

24.7. Prof. Dr. Tetyana Galatyuk (TU Darmstadt)
Kosmische Materie im Labor
Physikalischer Verein – 2

Beginn jeweils um 18:30 Uhr
Der Eintritt zu allen Vorträgen ist frei.
Zu diesen Terminen ist keine Anmeldung erforderlich. 

Veranstaltungsorte: 
1 Sprach- und Kulturwissenschaften (SKW), Hörsaal B, Campus Westend, Goethe-Universität Frankfurt, Rostocker Str. 2, 60323 Frankfurt am Main
2 Physikalischer Verein, Hörsaal, Robert-Mayer-Straße 2, 60325 Frankfurt am Main
3 Casino-Gebäude, Raum 1.811, Campus Westend, Goethe-Universität Frankfurt, Theodor-W.-Adorno-Platz 2, 60323 Frankfurt am Main 

Nach den Vorträgen im Physikalischen Verein ist ein Besuch der Sternwarte möglich. 

Weitere Informationen:
https://elements.science/ursprung-der-materie/

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Universität Bonn 1. Dezember 2023.

1. Dezember 2023 – Das Weltall dehnt sich aus. Wie schnell es das tut, wird durch die sogenannte Hubble-Lemaitre-Konstante beschrieben. Doch gibt es einen Streit um die Frage, wie groß diese Konstante eigentlich ist: Unterschiedliche Messmethoden liefern widersprüchliche Werte. Diese sogenannte „Hubble-Spannung“ stellt die Kosmologen vor ein Rätsel. Forscher der Universitäten Bonn und St. Andrews schlagen dafür nun eine neue Lösung vor: Unter Verwendung einer alternativen Gravitationstheorie lässt sich die Diskrepanz in den Messwerten problemlos erklären – die Hubble-Spannung verschwindet. Die Studie ist nun in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) erschienen.

Die Ausdehnung des Universums sorgt dafür, dass sich die Galaxien voneinander entfernen. Die Geschwindigkeit, mit der sie das tun, ist proportional zu dem Abstand, den sie voneinander haben. Wenn etwa Galaxie A doppelt so weit von der Erde entfernt ist wie Galaxie B, wächst ihre Distanz von uns auch doppelt so schnell. Der US-Astronom Edwin Hubble war einer der ersten, der diesen Zusammenhang erkannte.

Um zu berechnen, wie schnell sich zwei Galaxien voneinander entfernen, muss man daher einerseits ihren Abstand kennen. Andererseits benötigt man dazu eine Konstante, mit der man diesen Abstand multiplizieren muss. Das ist die sogenannte Hubble-Lemaitre-Konstante, eine fundamentale Größe der Kosmologie. Um ihren Wert zu bestimmen, kann man zum Beispiel die sehr weit entfernten Gebiete des Universums betrachten. Wenn man das tut, kommt man auf eine Geschwindigkeit von knapp 244.000 Stundenkilometern pro Megaparsec Abstand (ein Megaparsec sind gut drei Millionen Lichtjahre).

244.000 Stundenkilometer pro Megaparsec – oder 264.000?
„Man kann sich aber auch Himmelskörper ansehen, die deutlich näher zu uns liegen – sogenannte Supernovae der Kategorie 1a, das ist eine bestimmte Art explodierender Sterne“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Es ist möglich, den Abstand einer 1a-Supernova zur Erde sehr genau zu bestimmen. Zudem weiß man, dass leuchtende Objekte ihre Farbe ändern, wenn sie sich von uns wegbewegen – und zwar umso stärker, je schneller sie das tun. Es ist ähnlich wie bei einem Krankenwagen, dessen Martinshorn tiefer klingt, wenn er sich von uns entfernt.

Wenn man nun aus der Farbverschiebung der 1a-Supernovae ihre Geschwindigkeit berechnet und diese zu ihrer Distanz in Beziehung setzt, kommt man auf einen anderen Wert für die Hubble-Lemaitre Konstante – nämlich knapp 264.000 Stundenkilometer pro Megaparsec Abstand. „Das Universum scheint sich also in unserer Nähe – das heißt bis zu einer Entfernung von ungefähr drei Milliarden Lichtjahren – schneller auszudehnen als in seiner Gesamtheit“, sagt Kroupa. „Und das dürfte eigentlich nicht sein.“

Allerdings gibt es seit kurzem eine Beobachtung, die das erklären könnte. Demnach befindet sich die Erde in einer Region des Weltalls, in der es relativ wenig Materie gibt – vergleichbar etwa mit einer Luftblase in einem Kuchen. Um die Blase herum ist die Materiedichte höher. Von dieser umgebenden Materie gehen Gravitationskräfte aus, die die Galaxien in der Blase zum Rand des Hohlraums ziehen. „Daher entfernen sie sich schneller von uns, als eigentlich zu erwarten wäre“, erklärt Dr. Indranil Banik von der St. Andrews Universität. Die Abweichungen wären also schlicht durch eine lokale „Unterdichte“ zu erklären.

Tatsächlich hat eine andere Forschungsgruppe kürzlich die durchschnittliche Geschwindigkeit sehr vieler Galaxien gemessen, die 600 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sind. „Dabei wurde festgestellt, dass sich diese Galaxien viermal so schnell von uns wegbewegen, wie es das Standardmodell der Kosmologie erlaubt“, erklärt Sergij Mazurenko aus Kroupas Arbeitsgruppe, der an der aktuellen Studie beteiligt war.

Blase im Teig des Universums
Denn das Standardmodell sieht derartige Unterdichten oder „Blasen“ nicht vor – sie dürften eigentlich nicht existieren. Stattdessen sollte die Materie im All gleichmäßig verteilt sein. Falls dem so wäre, ließe sich aber nur schwer erklären, welche Kräfte die Galaxien zu ihrer hohen Geschwindigkeit treiben.

„Das Standardmodell fußt auf einer von Albert Einstein aufgestellten Theorie zur Natur der Gravitation“, sagt Kroupa. „Eventuell verhalten sich die Gravitationskräfte aber anders als von Einstein erwartet.“ Die Arbeitsgruppen der Universitäten Bonn und St. Andrews haben in einer Computersimulation eine abgewandelte Gravitationstheorie verwandt. Diese „Modifizierte Newton’sche Dynamik“ (Abkürzung: MOND) wurde vor vier Jahrzehnten vom israelischen Physiker Prof. Dr. Mordehai Milgrom vorgeschlagen. Sie gilt bis heute als Außenseiter-Theorie. „In unseren Berechnungen sagt MOND die Existenz derartiger Blasen jedoch exakt voraus“, sagt Kroupa.

Nähme man an, dass sich die Gravitation tatsächlich nach den Milgrom’schen Vorstellungen verhält, würde die Hubble-Spannung verschwinden: Es gäbe tatsächlich nur eine Konstante für die Ausdehnung des Universums, und die beobachteten Abweichungen wären auf Ungleichmäßigkeiten in der Materieverteilung zurückzuführen.

Förderung
An der Studie waren neben der Universität Bonn die Universität Saint Andrews (Schottland) sowie die Karls-Universität in Prag (Tschechische Republik) beteiligt. Die Arbeiten wurden durch das Britische Science and Technology Facilities Council gefördert.

Publikation
Sergij Mazurenko, Indranil Banik, Pavel Kroupa and Moritz Haslbauer: Simultaneous solution to the Hubble tension and observed bulk flow within 250 ℎ−1 Mpc; Monthly Notices of the Royal Astronomical Society;
https://arxiv.org/abs/2311.17988, DOI: dx.doi.org/10.1093/mnras/stad3357, https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4388/7337338, pdf: https://academic.oup.com/mnras/article-pdf/527/3/4388/53894662/stad3357.pdf.

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• Expansion des Universums

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Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn 3. August 2023.

3. August 2023 – Forschende aus der ganzen Welt suchen mit dem Kooperationsprojekt Belle II am japanischen Forschungszentrum KEK nach neuen Phänomenen in der Teilchenphysik. Nun wurde ein bedeutender Meilenstein für das internationale Belle II-Experiment erreicht: Ein Team installierte den neuen Pixel-Detektor erfolgreich an seinem endgültigen Standort in Japan. Der Detektor von der Größe einer Getränkedose wurde entwickelt, um die Signale bestimmter Teilchenzerfälle zu erkennen. Sie sollen Aufschluss über die Herkunft des beobachteten Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie im Universum geben. Die reibungslose Installation markiert einen wichtigen Schritt in der Weiterentwicklung des Experiments und der Forschungszusammenarbeit zwischen Deutschland und Japan.

Belle II ist ein internationales Kollaborationsprojekt von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, das am SuperKEKB-Beschleuniger des KEK-Forschungszentrums in Japan durchgeführt wird. Das Ziel dieses Experiments ist es, Antworten auf die vielen offenen Fragen hinsichtlich des Universums zu finden. Hierfür suchen die rund 1200 Mitglieder der internationalen Belle II-Kollaboration nach Hinweisen für neue Physikphänomene und unbekannte Teilchen jenseits des etablierten Standardmodells der Teilchenphysik.

Mit der Installation endete für den Detektor auch eine lange Reise: quer durch Deutschland von München, via mehrere deutsche Institute, darunter die Universität Bonn, nach Hamburg ans Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) und von dort aus schließlich tausende Kilometer ostwärts nach Japan zum Standort von Belle II, dem SuperKEKB-Elektron-Positron-Kollider. Die Luftreise brachte neue Herausforderungen mit sich: unerwartete Turbulenzen und unsachgemäße Handhabung während des Transports hätten leicht einen der empfindlichen Sensoren zerbrechen können. Ein eigens dafür angefertigter Koffer schützte deshalb den Detektor, um Vibrationen zu minimieren.

Beitrag der Universität Bonn
Mitglieder der Universität Bonn waren am Einbau des Detektors in Japan maßgeblich beteiligt. “Die Installation des Pixel-Detektors verlief äußerst zufriedenstellend und ohne größere Schwierigkeiten”, sagt Botho Paschen, technischer Koordinator des Pixel-Detektor-Projekts und Wissenschaftler der Universität Bonn. Der Erfolg sei das Ergebnis der harten Arbeit und des Engagements eines hervorragenden Teams, das über Jahre hinweg daran gearbeitet hat, den Detektor zu entwickeln und für die Installation vorzubereiten. Insbesondere der sehr begrenzte Platz machte den Einbau zu einer äußerst herausfordernden Aufgabe. Paschen: “Der nächste wichtige Schritt ist nun die Inbetriebnahme des Detektors, damit wir Anfang 2024 neue Kollisionsdaten aufzeichnen können.”

Prof. Dr. Florian Bernlochner, Belle II-Gruppenleiter an der Universität Bonn, betonte die Bedeutung des neuen Detektors für die physikalischen Ziele des Experiments: “Der Pixel-Detektor ist das entscheidende Instrument, um präzise Messungen von Lebensdauern von schweren Quarks zu ermöglichen. Mit diesen Messungen können wir die Verletzung einer der grundlegendsten Symmetrien der Natur, die Ladung-Parität-Symmetrie, genauer untersuchen.” Die Verletzung dieser Symmetrie ist eine von drei Bedingungen, die erfüllt sein müssen, um zu erklären, warum das heutige Universum fast ausschließlich aus Materie besteht. “Durch Belle II werden wir ein noch präziseres Verständnis entwickeln, warum sich Materie und Antimaterie unterschiedlich verhalten und ob es in den Zerfällen von schweren Quarks Beiträge von bisher noch nicht entdeckten Teilchen oder Kräften gibt”, ergänzt Bernlochner.

Die Zerfallsprodukte der schweren Quarks weisen eine relativ geringe Energie auf und werden leicht gestört, wenn sie das Detektormaterial durchqueren. Deshalb war es für Belle II notwendig, dass die dem Kollisionspunkt der Teilchenstrahlen am nächsten gelegenen Detektorelemente so leicht wie möglich sein müssen, was den Pixel-Detektor sehr fragil und seine Installation sehr anspruchsvoll machte. Der Detektor besteht aus 20 Silizium-Streifen, die 75 Mikrometer dick sind – das entspricht der Breite eines menschlichen Haares.

Die extrem dünnen DEPFET (DEPleted Field Effect Transistor)-Sensoren wurden am Halbleiter-Labor der Max-Planck-Gesellschaft entwickelt. Die Streifen sind in zwei konzentrischen zylindrischen Schichten angeordnet, wobei die innere Schicht nur 1,4 cm von der Strahllinie entfernt ist. Nach dem erfolgreichen Einbau ist Belle II nun mit dem weltweit dünnsten Pixel-Detektor instrumentiert, so das Team.

Der neuartige Detektor ist darauf ausgelegt, bis zu 50.000 hochauflösende Bilder pro Sekunde von den Zerfällen der reichlich produzierten schweren Quarks am SuperKEKB zu liefern. Die DEPFET Sensortechnologie des Pixel-Detektors lässt sich auch für weitere Zwecke vielfältig einsetzen: zum Beispiel für Röntgen-Satelliten-Missionen, für die Suche nach sterilen Neutrinos oder Dunkler Materie oder in der medizinischen Bildgebung.

Forschung, die die Struktur der Materie auf kleinsten Längenskalen vermisst, erfordert die Entwicklung immer leistungsfähigerer Detektoren. Das Forschungs- und Technologiezentrum für Detektorphysik (FTD) der Universität Bonn bietet den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hierfür ein ideales Umfeld mit moderner Infrastruktur. Im FTD befindet sich auch das Siliziumlabor (SILAB) der Universität Bonn, wo die Module für den Pixel-Detektor über mehrere Jahre hinweg charakterisiert und untersucht wurden. “Die erfolgreiche Installation des Detektors ist das Ergebnis einer langjährigen, fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Institutionen und Forschungszentren”, sagt FTD-Co-Sprecher und Leiter des SILAB Prof. Dr. Jochen Dingfelder, der gemeinsam mit Prof. Dr. Norbert Wermes an der Entwicklung des Pixel-Detektors über viele Jahre hinweg maßgeblich beteiligt war. “Es freut mich zu sehen, wie unsere gemeinsamen Anstrengungen zu einem solchen bahnbrechenden Erfolg geführt haben.” Die Bonner Gruppe dankt allen Beteiligten in Japan, Europa und Deutschland herzlich für ihre harte Arbeit und ihr Engagement.

Förderung
Der Pixel-Detektor wurde in enger Zusammenarbeit von führenden deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen im Rahmen der internationalen PXD-Kollaboration entwickelt. Die Universitäten Bonn, Mainz, Gießen, Göttingen, KIT, LMU und TUM sowie das Max-Planck-Institut für Physik (MPP), das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (MPG-HLL) und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) haben gemeinsam an der Entwicklung des Detektors gearbeitet. Die Entwicklungen wurden maßgeblich vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik 19. Juli 2023.

19. Juli 2023 – Ein internationales Astrophysik-Team unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Deutschland, der Harvard University in den USA und der Durham University im Vereinigten Königreich hat den ehrgeizigen Versuch unternommen, gleichzeitig die Entstehung von Galaxien und die großräumige Struktur im Kosmos in erstaunlich großen Regionen des Weltalls zu simulieren. Ihre Simulationen berücksichtigen zudem die geisterhaften Neutrinos und könnten dazu beitragen, die Masse dieser Elementarteilchen einzugrenzen. Die ersten Ergebnisse des „MillenniumTNG“-Projekts wurden soeben in einer Reihe von 10 Artikeln in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Die neuen Rechnungen tragen dazu bei, das kosmologische Standardmodell einem Präzisionstest zu unterziehen und die meisten Informationen aus den bevorstehenden kosmologischen Beobachtungen herauszuholen.

In der Kosmologie hat sich in den letzten Jahrzehnten die verblüffende Annahme etabliert, dass die Materie im Universum von einer rätselhaften ‚Dunklen Materie‘ dominiert wird und dass ein noch seltsameres Feld aus ‚Dunkler Energie‘ als eine Art Anti-Schwerkraft wirkt, und die Expansion des heutigen Kosmos beschleunigt. Die gewöhnliche baryonische Materie trägt mit weniger als 5 % zum kosmischen Gemisch bei, dennoch bildet sie die Grundlage für die Sterne und Planeten in Galaxien wie unserer eigenen Milchstraße. Dieses seltsam anmutende kosmologische Modell wird LCDM genannt. Es liefert eine hartnäckig erfolgreiche Beschreibung einer Vielzahl von Beobachtungsdaten: von der kosmischen Mikrowellenstrahlung – der Restwärme, die der heiße Urknall hinterlassen hat – bis hin zum „kosmischen Netz“, in dem die Galaxien entlang eines verschlungenen Netzes mit Filamenten aus Dunkler Materie angeordnet sind.

Die tatsächliche physikalische Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie ist jedoch immer noch nicht verstanden, weshalb Astrophysiker und Astrophysikerinnen nach Defiziten in der LCDM-Theorie suchen. Fänden sich Ungereimtheiten im Vergleich zu Beobachtungsdaten so könnte dies zu einem besseren Verständnis dieser grundlegenden Rätsel unseres Universums führen. Empfindliche Tests sind erforderlich, die beides brauchen: aussagekräftige neue Beobachtungsdaten und detailliertere Vorhersagen darüber, was das LCDM-Modell tatsächlich impliziert.

Forschenden am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) ist es nun zusammen mit einem internationalen Team der Harvard University und der Durham University sowie der York University in Kanada und des Donostia International Physics Center in Spanien gelungen, bei der theoretischen Beschreibung einen entscheidenden Schritt voranzukommen. Aufbauend auf ihren früheren Erfolgen mit den Projekten „Millennium“ und „IllustrisTNG“ entwickelten sie eine neue Reihe von Simulationsmodellen mit dem Namen „MillenniumTNG“, die die Physik der kosmischen Strukturbildung mit wesentlich höherer statistischer Genauigkeit nachzeichnen, als dies mit früheren Berechnungen möglich war.

Große Simulationen mit neuen physikalischen Details
Das Team nutzte den fortschrittlichen kosmologischen Rechen-Code GADGET-4, der speziell für diesen Zweck am MPA entwickelt wurde, um die bisher größten, hochaufgelösten Dunkle-Materie-Simulationen zu berechnen, die eine Region von fast 10 Milliarden Lichtjahren abdecken. Darüber hinaus verwendeten sie den hydrodynamischen Code AREPO, dessen Zellgröße sich dynamisch anpasst, um die Prozesse der Galaxienbildung direkt in so großen Volumina zu verfolgen, dass sie als repräsentativ für das gesamte Universum angesehen werden können. Aus dem Vergleich der beiden Arten an Simulation kann genau bewertet werden, wie sich baryonische Prozesse im Zusammenhang mit Supernova-Explosionen und supermassereichen Schwarzen Löchern auf die Gesamtverteilung der Materie auswirken. Dies wiederum erlaubt kommende Beobachtungen korrekt zu interpretieren, wie z. B. die so genannten schwachen Gravitationslinseneffekte. Diese reagieren auf Materie unabhängig davon, ob sie dunkel oder baryonisch ist.

Außerdem bezog das Team massereiche Neutrinos in seine Simulationen ein – zum ersten Mal in Simulationen, die groß genug sind, um kosmologische Beobachtungen aussagekräftig nachzustellen. In früheren kosmologischen Simulationen wurden Neutrinos meist der Einfachheit halber weggelassen, da sie höchstens 1-2 % der Masse der Dunklen Materie ausmachen und ihre nahezu relativistischen Geschwindigkeiten ein Zusammenklumpen verhindern. Nun aber werden künftige kosmologische Durchmusterungen des Universums (wie mit dem kürzlich gestarteten Euclid-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation) eine Genauigkeit erreichen, die einen Nachweis der damit verbundenen prozentualen Effekte ermöglicht. Dies eröffnet die verlockende Aussicht, die Neutrinomasse selbst zu bestimmen, eine grundlegende, offene Frage in der Teilchenphysik – es steht viel auf dem Spiel.

Für die bahnbrechenden MillenniumTNG-Simulationen nutzten die Forscher zwei extrem leistungsstarke Supercomputer: den SuperMUC-NG am Leibniz-Rechenzentrum in Garching und den Cosma8-Rechner, der von der Durham University im Auftrag der britischen DiRAC-Hochleistungsrechenanlage betrieben wird. Mehr als 120 000 Rechnerkerne arbeiteten am SuperMUC-NG fast zwei Monate lang, wobei die vom deutschen Gauß-Zentrum für Hochleistungsrechnen zur Verfügung gestellte Rechenzeit genutzt wurde, um das bisher umfassendste hydrodynamische Simulationsmodell zu erstellen. MillenniumTNG verfolgt die Entstehung von etwa einhundert Millionen Galaxien in einer Region des Universums mit einem Durchmesser von etwa 2400 Millionen Lichtjahren (siehe Abbildung 1). Diese Berechnung ist etwa 15 Mal größer als die bisher beste in dieser Kategorie, das TNG300-Modell des IllustrisTNG-Projekts.

Mit Cosma8 berechnete das Team ein noch größeres Volumen des Universums, das mit mehr als einer Billion Teilchen der Dunklen Materie und mehr als 10 Milliarden Teilchen gefüllt ist, um den massereichen Neutrinos zu folgen (siehe Abbildung 2). Obwohl diese Simulation die baryonische Materie nicht direkt verfolgte, können die Galaxien in MillenniumTNG mit Hilfe eines semi-analytischen Modells, das gegen die baryonische Berechnung des Projekts kalibriert wird, genau vorhergesagt werden. Dieses Verfahren führt zu einer detaillierten Verteilung der Galaxien und der Materie in einem Volumen, das zum ersten Mal groß genug ist, um für das gesamte Universum repräsentativ zu sein, so dass Vergleiche mit bevorstehenden Beobachtungen auf eine solide statistische Grundlage gestellt werden können.

Theoretische Vorhersagen für die Kosmologie
Die ersten Ergebnisse des MillenniumTNG-Projekts zeigen eine Fülle von neuen theoretischen Vorhersagen, die die Bedeutung von Computersimulationen in der modernen Kosmologie unterstreichen. Das Team hat zehn wissenschaftliche Paper für das Projekt verfasst und eingereicht. Acht davon sind soeben in der Fachzeitschrift MNRAS erschienen, die beiden anderen werden in Kürze folgen.

Eine der Studien beschäftigte sich mit der Form von Galaxien. Nahe Galaxien haben die subtile Tendenz, ihre Formen ähnlich auszurichten anstatt in willkürliche Richtungen zu zeigen – ein Effekt, der „intrinsische Galaxienausrichtung“ genannt wird. Dieser kaum erforschte Effekt verzerrt die Ergebnisse, die sich aus dem schwachen Gravitationslinseneffekt ergeben, der ja sein eigenes statistisches Ausrichtungssignal erzeugt. Im Rahmen des MillenniumTNG-Projekts konnten zum ersten Mal intrinsische Ausrichtungen mit einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis direkt bei den simulierten Galaxien gemessen werden, und zwar bis zu Entfernungen von mehreren hundert Millionen Lichtjahren. „Unsere Bestimmung der intrinsischen Ausrichtung von Galaxien kann vielleicht dazu beitragen eine Diskrepanz aufzulösen, die derzeit zwischen zwei Methoden herrscht, um die Amplitude zu messen, wie stark Materie klumpt“, sagt die Doktorandin Ana Maria Delgado, Erstautorin dieser Studie im MillenniumTNG-Team. „Die Materie-Anhäufung wird dabei einmal über den schwachen Gravitationslinseneffekt bestimmt und einmal aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet.“ Mit Hilfe der MillenniumTNG-Ergebnisse werden die Astronomen in der Lage sein, diesen wichtigen systematischen Effekt viel besser zu korrigieren.

Ein weiteres aktuelles Ergebnis bezieht sich auf die jüngste Entdeckung einer Population sehr massereicher Galaxien im jungen Universum mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST). Kurze Zeit nach dem Urknall sind die Massen dieser Galaxien unerwartet groß, was den theoretischen Erwartungen zu widersprechen scheint. Dr. Rahul Kannan analysierte die Vorhersagen von MillenniumTNG für diese frühe Epoche. Während die Simulationen bis zu einer Rotverschiebung von z=10 (als das Universum weniger als 500 Millionen Jahre alt war) mit den Beobachtungen übereinstimmen, bestätigte er, dass die neuen JWST-Ergebnisse bei einer noch höheren Rotverschiebung im Widerspruch zu den Vorhersagen der Simulationen stehen, falls sie Bestand haben. „Vielleicht ist die Sternentstehung kurz nach dem Urknall viel effizienter als zu späteren Zeiten, oder vielleicht sind damals massereiche Sterne in höheren Anteilen entstanden, was diese Galaxien ungewöhnlich hell macht“, erklärt Dr. Kannan.

Andere Arbeiten des Teams konzentrieren sich auf die Signale der Haufenbildung bei Galaxien. So erstellte die MPA-Doktorandin Monica Barrera extrem große und äußerst realistische Scheinkataloge von Galaxien auf dem rückwärtigen „Lichtkegel“ eines Referenzbeobachters (siehe Abbildung 3). In diesem Fall sind Galaxien, die weiter entfernt sind, automatisch auch jünger, was die Reisezeit des Lichts widerspiegelt, das unsere Teleskope erreicht. Anhand dieser virtuellen Beobachtungen untersuchte sie die so genannte baryonische akustische Oszillation (BAO) – ein kosmologisch wichtiges Standard-„Maßband“ – in der projizierten Zweipunkt-Korrelationsfunktion von Galaxien. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Messung dieser BAOs ein ziemlich kniffliges Unterfangen ist, das durch so-genannte kosmische Varianzeffekte erheblich beeinflusst werden kann – selbst wenn in Beobachtungen extrem große Volumina durchmustert und untersucht werden. Während man in Simulationen das modellierte Universum aus verschiedenen Blickwinkeln beobachten kann, um den korrekten statistischen Ensemble-Mittelwert zu ermitteln, ist dies für das reale Universum nicht ohne weiteres möglich. „Die MillenniumTNG-Simulationen sind so groß und enthalten so viele Galaxien – mehr als eine Milliarde in der größten Berechnung – dass es wirklich schwierig war, sie zu untersuchen“, sagt Monica Barrera. „Skripte, die für die Analyse kleinerer Simulationen gut funktionieren, brauchen für MillenniumTNG ewig.“

Analyse der kosmologischen Daten
Die Serie der ersten Ergebnisse der MillenniumTNG-Simulationen macht deutlich, dass die Berechnungen eine große Hilfe bei der Entwicklung besserer Strategien für die Analyse künftiger kosmologischer Daten sein werden. Der Leiter des Teams, Prof. Volker Springel vom MPA, führt an, dass „MillenniumTNG die jüngsten Fortschritte bei der Simulation der Galaxienentstehung mit dem Bereich der großräumigen kosmischen Struktur verbindet und eine verbesserte theoretische Modellierung ermöglicht, wie sich Galaxien mit dem Rückgrat der Dunklen Materie des Universums verbinden. Dies könnte sich als entscheidend für Fortschritte bei wichtigen Fragen in der Kosmologie erweisen, etwa wie die Masse von Neutrinos am besten mit Daten zur großräumigen Struktur eingeschränkt werden kann.“ Die MillenniumTNG-Simulationen lieferten mehr als 3 Petabyte an Simulationsdaten und bilden damit einen reichen Fundus für die weitere Forschung, die das Wissenschaftlerteam noch viele Jahre lang beschäftigen wird.

Wissenschaftliche Originalpublikationen:

• The MillenniumTNG Project: High-precision predictions for matter clustering and halo statistics
  C. Hernández-Aguayo, V. Springel, R. Pakmor, M. Barrera, F. Ferlito, S. D. M. White, L. Hernquist, B. Hadzhiyska, A. M. Delgado, R. Kannan, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10059)
• The MillenniumTNG Project: The hydrodynamical full physics simulation and a first look at its galaxy clusters
  R. Pakmor, V. Springel, J. P. Coles, T. Guillet, C. Pfrommer, S. Bose, M. Barrera, A. M. Delgado, F. Ferlito, C. Frenk, B. Hadzhiyska, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, R. Kannan, S. D. M. White
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10060)
• The MillenniumTNG Project: Semi-analytic galaxy formation models on the past lightcone
  M. Barrera, V. Springel, S. White, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, C. Frenk, R. Pakmor, F. Ferlito, B. Hadzhiyska, A. M. Delgado, R. Kannan, S. Bose
  MNRAS, submitted (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10419)
• The MillenniumTNG Project: The galaxy population at z ≥ 8
  R. Kannan, V. Springel, L. Hernquist, R. Pakmor, A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, C. Hernández-Aguayo, M. Barrera, F. Ferlito, S. Bose, S. D. M. White, C. Frenk, A. Smith, E. Garaldi
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10066)
• The MillenniumTNG Project: Refining the one-halo model of red and blue galaxies at different redshifts
  B. Hadzhiyska, L. Hernquist, D. Eisenstein, A. M. Delgado, S. Bose, R. Kannan, R. Pakmor, V. Springel, S. Contreras, M. Barrera, F. Ferlito, C. Hernández-Aguayo, S. D. M. White, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10068)
• The MillenniumTNG Project: An improved two-halo model for the galaxy-halo connection of red and blue galaxies
  B. Hadzhiyska, D. Eisenstein, L. Hernquist, R. Pakmor, S. Bose, A. M. Delgado, S. Contreras, R. Kannan, S. D. M. White, V. Springel, C. Frenk, C. Hernández-Aguayo, F. Ferlito, M. Barrera
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10072)
• The MillenniumTNG Project: The large-scale clustering of galaxies
  S. Bose, B. Hadzhiyska, M. Barrera, A. M. Delgado, F. Ferlito, C. Frenk, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, R. Kannan, R. Pakmor, V. Springel, S. D. M. White
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10065)
• The MillenniumTNG Project: Inferring cosmology from galaxy clustering with accelerated N-body scaling and subhalo abundance matching
  S. Contreras, R. E. Angulo, V. Springel, S. D. M. White, B. Hadzhiyska, L. Hernquist, R. Pakmor, R. Kannan, C. Hernández-Aguayo, M. Barrera, F. Ferlito, A. M. Delgado, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10075)
• The MillenniumTNG Project: Intrinsic alignments of galaxies and halos
  A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, S. Bose, V. Springel, L. Hernquist, M. Barrera, R. Pakmor, F. Ferlito, R. Kannan, C. Hernández-Aguayo, S. D. M. White, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2304.12346)
• The MillenniumTNG Project: The impact of baryons and massive neutrinos on high-resolution weak gravitational lensing convergence maps
  F. Ferlito, V. Springel, C. T. Davies, C. Hernández-Aguayo, R. Pakmor, M. Barrera, S. D. M. White, A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, L. Hernquist, R. Kannan, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, submitted (preprint: https://arxiv.org/abs/2304.12338)

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• Die großräumige Struktur des Universums

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Quelle: Joachim Herz Stiftung 3. Juli 2023.

Hamburg, 03.07.2023. Der US-amerikanische Physiker Edward Witten wird mit dem Hamburger Preis für Theoretische Physik 2023 ausgezeichnet. Der emeritierte Professor am Institute for Advanced Study in Princeton/USA wird für seine wegweisenden Beiträge zu einer vereinheitlichten mathematischen Beschreibung fundamentaler Naturkräfte geehrt. Mit seiner herausragenden Forschung zur String- und Quantentheorie hat Edward Witten das Verständnis von Raum, Zeit, Materie und Struktur des Kosmos nachhaltig beeinflusst. Die Impulse seiner Arbeiten reichen weit in andere Fachgebiete, insbesondere die Mathematik, hinein.
Der Hamburger Preis für Theoretische Physik ist einer der höchstdotierten Wissenschaftspreise für Physik in Deutschland und wird von der Joachim Herz Stiftung gemeinsam mit dem Wolfgang Pauli Centre des DESY und der Universität Hamburg, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY sowie den beiden Exzellenzclustern „CUI: Advanced Imaging of Matter“ und „Quantum Universe“ an der Universität Hamburg verliehen. Die Preisverleihung findet am 8. November 2023 in Hamburg statt.

Edward Witten zählt zu den renommiertesten und am häufigsten zitierten theoretischen Physiker:innen unserer Zeit. Seit Jahrzehnten gibt er wichtige Impulse für die Entwicklung einer großen vereinheitlichten Theorie der Physik, die alle Kräfte und Bausteine des Universums beschreibt. Als aussichtsreicher Kandidat dafür gilt seit den 1970er Jahren die Stringtheorie, weil sie eine Brücke zwischen zwei etablierten Grundpfeilern der Physik baut: Die Quantentheorie, die das Zusammenspiel subatomarer Partikel bestimmt, sowie Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die Gravitation als Folge der Krümmung des Raumes beschreibt und die Entwicklung von Sternen, Galaxien und Schwarzen Löchern vorhersagt.

Brückenschlag zwischen zwei Grundpfeilern der Physik
Der Stringtheorie zufolge lassen sich Quanten- und Gravitationstheorie unter dem Dach eines neuen mathematischen Formalismus vereinigen. Dabei werden Elementarteilchen als winzige linienförmige Objekte betrachtet, die Strings. Quarks, Elektronen und alle anderen bekannten Elementarteilchen sind demzufolge nichts anderes als verschiedene Schwingungsmuster desselben Urteilchens. In den 1980er Jahren kristallisierte sich unter maßgeblicher Mitwirkung Edward Wittens heraus, dass sich durch diesen Paradigmenwechsel alle vier fundamentalen Naturkräfte – Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, starke Kernkraft – durch eine vereinheitlichte quantenmechanische Feldtheorie beschreiben lassen.

Ein Rätsel blieb jedoch, dass zu diesem Zeitpunkt fünf mögliche Versionen der Stringtheorie bekannt waren. Wenn eine davon unser Universum beschreibt, wer lebt dann in den anderen vier Welten? Ausgehend von den Arbeiten zahlreicher Kolleginnen und Kollegen präsentierte Witten 1995 auf einer Konferenz in Kalifornien eine Lösung für dieses Problem: Wenn man quantenmechanische Effekte vollständig berücksichtigt, schmelzen die Unterschiede zwischen den fünf Stringtheorien dahin. Sie alle entpuppen sich als Grenzfälle einer grundlegenderen Theorie, genannt M-Theorie. Sie besagt, dass die Strings Erscheinungsformen schwingender Membranen sind und gilt als Kandidat für die große Vereinheitlichung der Naturgesetze.

„Mit Edward Witten zeichnen wir in diesem Jahr einen Wissenschaftler aus, dessen Arbeiten wegweisend für die Entwicklung der Stringtheorie und der Quantenfeldtheorie waren und auch weit darüber hinaus wichtige Impulse gaben. Diese Leistung und sein Wirken an der Schnittstelle zwischen Physik und Mathematik möchten wir mit dem Hamburger Preis für Theoretische Physik würdigen“, so Sabine Kunst, Vorstandsvorsitzende der Joachim Herz Stiftung.

Impulse für Spitzenforschung in Hamburg
Der Hamburger Preis für Theoretische Physik wird seit 2010 an international renommierte Forscher:innen vergeben. Er ist einer der höchstdotierten Wissenschaftspreise für Physik in Deutschland. Das Preisgeld beträgt 137.036 Euro, eine Anspielung auf die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante, die in der Theoretischen Physik eine wichtige Rolle spielt.

Der Physikpreis für Edward Witten ist mit einem Forschungsaufenthalt in Hamburg verbunden. „Edward Wittens bahnbrechende Arbeiten knüpfen eng an die Science City Hamburg Bahrenfeld an, zum Beispiel durch die Forschungsschwerpunkte im Exzellenzcluster „Quantum Universe“ und insbesondere auch am Hamburger Zentrum für Mathematische Physik, das DESY und Universität Hamburg seit 2004 gemeinsam aufgebaut haben. Wir blicken dem Austausch mit dieser Koryphäe daher mit großer Spannung und Vorfreude entgegen“, äußert sich Volker Schomerus, Leitender Wissenschaftler bei DESY und Sprecher des Wolfgang Pauli Centres.

Herausragende Leistungen an der Schnittstelle zwischen Physik und Mathematik
Im Lauf seiner Karriere hat sich Edward Witten nicht nur als führender Stringtheoretiker einen Namen gemacht. Auch in anderen Bereichen der mathematischen Physik gab er wichtige Impulse, von der Quantentheorie bis zur Physik der kondensierten Materie, teilweise mit Anwendungen in der Gravitationstheorie und Astronomie. Seine Arbeiten zur topologischen Quantenfeldtheorie beispielsweise eröffneten Mathematiker:innen Ende der 1980er Jahre neue Horizonte beim Verständnis der geometrischen Strukturen und Gesetzmäßigkeiten von Knoten. Edward Wittens außergewöhnliche Fähigkeit, abstrakte Konzepte wie Richard Feynmans berühmte Pfadintegrale aus der Physik auf die Mathematik zu übertragen, macht ihn zu einer herausragenden Figur an der Schnittstelle beider Disziplinen. Edward Witten wurde vielfach ausgezeichnet, u. a. erhielt er 1990 als erster Physiker überhaupt die Fields-Medaille. Sie gilt als höchste Auszeichnung für Mathematiker.

Über Edward Witten
Edward Witten wurde 1951 in Baltimore/Maryland geboren. Nach einem Bachelor-Abschluss an der Brandeis University in Massachusetts studierte er Angewandte Mathematik und Physik an der Princeton University/New Jersey. Der Betreuer für seine Promotion über Quanteneichtheorien war David Gross, der für seinen Beitrag zur Theorie der starken Wechselwirkung 2004 den Nobelpreis für Physik erhielt. Nach einer Postdoc-Position an der Harvard University wurde Edward Witten 1980 Professor an der Princeton University und 1987 Professor für Mathematische Physik am Institute for Advanced Study in Princeton.

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• Ehrungen

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Quelle: Julia Weiler Ruhr-Universität Bochum (RUB), mit besonderer Genehmigung, 30. Mai 2023.

„Es ist die größte Mission, an der ich je beteiligt war“, stellt Prof. Dr. Hendrik Hildebrandt fest, als er über den Start des Weltraumteleskops Euclid spricht. Rund 1.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Europa, Nordamerika und Japan sind Teil des Forschungskonsortiums, das die Mission vorbereitet hat. Mit Spannung fiebert Hildebrandt nun dem Start entgegen. Im Juli 2023 wird es so weit sein.

Euclid will nichts weniger, als eine der größten physikalischen Fragen unserer Zeit beantworten. Nämlich warum sich die Expansion des Universums beschleunigt. „Das Phänomen ist seit über 20 Jahren bekannt“, sagt Hildebrandt, Leiter des Lehrstuhls Beobachtende Kosmologie an der Ruhr-Universität Bochum. „Aber warum tut unser Universum das? Steckt zum Beispiel ein bestimmtes Teilchen dahinter? Es gibt viele Theorien, die alle unter dem Sammelbegriff der Dunklen Energie zusammengefasst werden.“ Die Natur dieser mysteriösen kosmologischen Größe will das Euclid-Team ergründen.

Euclid erfasst die Geschichte der Weltallexpansion
Voraussichtlich sechs Jahre wird das Teleskop Daten sammeln. Eine Rakete des Unternehmens SpaceX befördert es an einen Ort, der rund viermal weiter entfernt als der Mond auf der sonnenabgewandten Seite der Erde liegt. Von hier aus wird Euclid ein Drittel des Himmels beobachten. Anders als das Hubble-Weltraumteleskop, das nur einen winzigen Ausschnitt des Himmels sieht, hat Euclid quasi ein Weitwinkelobjektiv. Bilder von rund zehn Milliarden Galaxien soll es aufnehmen. Dabei schaut es in bis zu zehn Milliarden Lichtjahre Entfernung und somit auch in die Vergangenheit des Universums. Da das Licht eine gewisse Zeit braucht, um die Erde zu erreichen, sehen die Kosmologinnen und Kosmologen, je weiter sie schauen, immer frühere Zustände des Universums.

Anhand der Euclid-Daten kann das Team herausfinden, wie die Materie im Weltall im Lauf der Zeit verteilt war und wie sich Strukturen daraus gebildet haben. „Nach dem Urknall war die Materie relativ gleichmäßig verteilt“, sagt Hendrik Hildebrandt. „Durch Dichtefluktuationen gab es aber Bereiche, die ein wenig dichter waren als andere – und die Gravitation hat dafür gesorgt, dass sie im Lauf der Zeit immer dichter wurden.“ So entstanden Strukturen wie die Galaxien oder Galaxienhaufen.

Um die Materieverteilung zu bestimmen, nutzen die Forschenden den Gravitationslinseneffekt. Dazu müssen sie auch die Entfernung aller Galaxien zur Erde messen, was mithilfe der Rotverschiebung erfolgt: Das Licht von weiter entfernt liegenden Galaxien ist zu röteren Wellenlängen verschoben.

Experte für die Datenkalibrierung
Hier kommt die Expertise von Hendrik Hildebrandts Team ins Spiel. Denn die Rotverschiebung ist gar nicht so leicht zu detektieren. Üblicherweise dienen spektroskopische Messungen als Grundlage. In einem Spektrum wird exakt aufgetragen, wie viel Licht eine Galaxie bei verschiedenen Wellenlängen aussendet, sodass präzise bestimmt werden kann, wie stark das Licht in den roten Bereich verschoben ist. Spektroskopische Messungen sind allerdings aufwendig und unmöglich für Milliarden von Galaxien zu machen. Euclid nutzt daher ein vereinfachtes Verfahren: Es nimmt Bilder der Galaxien in verschiedenen Farbbändern auf, zum Beispiel eines im blauen, eines im grünen und eines im roten Bereich. Dann ermitteln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Helligkeit der Galaxie in den verschiedenen Bildern. So lässt sich die ungefähre Rotverschiebung messen.

Damit das Verfahren möglichst exakt funktioniert, muss es kalibriert werden. Genau hierfür ist Hendrik Hildebrandt weltweit als Experte gefragt. Seit 2011 ist er in die Vorbereitungen zur Euclid-Mission involviert. In Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen in Genf, Marseille, Barcelona, Bologna, München und Pasadena nutzt er Daten von anderen Beobachtungsprogrammen, die in kleinen Himmelsbereichen spektroskopische Messungen durchgeführt haben. „In diesen Bereichen gibt es also Galaxien, über die wir sehr viel wissen“, erklärt der Kosmologe. Dieses Wissen können die Forschenden mit den neuen Aufnahmen von Euclid zusammenbringen und so eine Kalibrierung vornehmen, die es erlaubt, die Rotverschiebung auch von neu aufgenommenen Galaxien zuverlässig zu bestimmen. Denn nur wenn die Entfernungen der Galaxien bekannt sind, kann das Euclid-Team die Expansionsgeschichte und das Wachstum der Strukturen des Universums rekonstruieren – und so ergründen, was es mit der Dunklen Energie auf sich hat.

Relativitätstheorie im Test und Neutrinos auf der Waage
Nebenbei widmet sich Euclid noch anderen Fragen, testet zum Beispiel Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in Bereichen, in denen sie noch nie zuvor auf den Prüfstand gestellt worden ist. Oder versucht, die bislang unbekannte Masse von Neutrinos – einer Sorte von Elementarteilchen – zu ermitteln. Aber das ist noch nicht alles.

„Euclid wird an so viele Stellen des Universums gucken, wo wir noch nie zuvor hingeschaut haben“, schwärmt Hendrik Hildebrandt. „Wenn wir in 20 bis 30 Jahren auf die Mission zurückschauen, wird sie uns eventuell gar nicht für die Erkenntnisse in Erinnerung geblieben sein, für die sie ursprünglich gestartet wurde – sondern für Dinge, die wir jetzt gar nicht erwarten. Das ist vielleicht das Tollste an dieser Mission: Ich bin mir fast sicher, dass wir etwas Neues finden werden. Etwas, womit wir jetzt noch gar nicht rechnen.“

Kooperationspartner
Für die Kalibrierung der Rotverschiebung arbeitet Hendrik Hildebrandt mit Partnerinnen und Partnern der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, der Universität Genf, dem Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, der Universitat Autònoma de Barcelona, dem Osservatorio di Astrofisica di Bologna sowie dem California Institute of Technology in Pasadena, USA, zusammen.

Mission Euclid
Euclid ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, kurz für European Space Agency. Auch die US-Organisation NASA ist involviert. Im Juli 2023 wird die Mission ein Weltraumteleskop ins All befördern, das eine vergleichbare Auflösung wie das Hubble-Teleskop haben wird, aber einen viel größeren Ausschnitt des Himmels betrachten kann. Euclid schaut quasi überall hin, wo der Blick nicht durch die Milchstraße oder die Ekliptik – die Ebene, in der Sonne und Planeten aus Sicht der Erde liegen – versperrt ist. Es wird aber noch etwas Zeit vergehen, bis es an seinem Bestimmungsort angekommen ist, Daten gesendet hat und diese prozessiert und analysiert sind. Die Forschenden rechnen mit den ersten kosmologischen Auswertungen frühestens in der ersten Jahreshälfte 2025.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 22. März 2023.

Bis Ende Oktober 2023 sind es insgesamt acht Vorträge zu unterschiedlichen astronomischen Themen. Sie reichen in diesem Jahr von komplexen Molekülen über Jets in den Zentren aktiver Galaxien im Universum und extrasolare Planeten bis zum Abschlussvortrag über die fliegende Sternwarte SOFIA, die leider ihren Betrieb im Herbst des vergangenen Jahres eingestellt hat.

Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie bietet seit einer Reihe von Jahren in Zusammenarbeit mit der Kurverwaltung/Tourist-Information eine öffentliche Vortragsreihe in Bad Münstereifel an. Die Vorträge finden zwischen April und November einmal pro Monat jeweils an einem Mittwoch (meist der 1. Mittwoch im Monat), statt und beginnen um 19:30 Uhr.

Die Vorträge werden im Rats- und Bürgersaal im 1. Stock des Rathauses von Bad Münstereifel (Marktstraße 15) durchgeführt. Der Eintritt zu den Vorträgen ist frei. Eine vorherige Anmeldung für die Vorträge ist nicht erforderlich.

Das Programm für 2023 umfasst wiederum eine Vielzahl von unterschiedlichen Themen, die vom Urknall und der frühen Geschichte der Radioastronomie in Bonn bis zu komplexen Molekülen im Universum, der Erforschung von Planeten um andere Sonnen und neuen Ergebnissen mit dem weltumspannenden Event-Horizon-Teleskop reichen. Es geht dabei um Jets in den Zentren von aktiven Galaxien, um die Untersuchung der Galaxienentwicklung durch radioastronomische Beobachtungen von Wasserstoff, um eine Darstellung des Universums als Ganzes und schließlich, im Abschlussvortrag des diesjährigen Programms, um ein Fazit der erfolgreichen Untersuchungen des Kosmos mit dem Flugzeugobservatorium SOFIA, das bis Herbst letzten Jahres in einer Höhe von über 13 km in der Stratosphäre zum Einsatz kam.

Neben den Themenvorträgen in Bad Münstereifel finden bereits ab Samstag, 1. April 2023, wiederum Vorträge für Besuchergruppen in einem Pavillon in direkter Sichtweite des 100-m-Radioteleskops statt. Sie werden von dienstags bis samstags für Besuchergruppen ab acht Personen durchgeführt (Anmeldung unter 02257-301101, Mo-Fr vormittags, oder per Internet via public(at)mpifr.de). Vom Besucherpavillon aus führt ein Zugangsweg zum Aussichtsplateau unmittelbar vor dem großen Teleskopspiegel von 100 Metern Durchmesser und von dort über einen kurzen Pfad durch den Wald bis zum zweiten Radioteleskop vor Ort, der Effelsberg-Station des europäischen LOFAR-Teleskopnetzwerks.

Vortragsprogramm Bad Münstereifel 2023

• 5. April 2023 Laura Ann Busch, M. Sc.: Interstellare komplexe Moleküle und wo sie zu finden sind
• 26. April 2023 Joana Anna Kramer, M. Sc.: Jets in den Zentren von aktiven Galaxien
• 31. Mai 2023 Dr. Norbert Junkes: Planeten um andere Sonnen
• 6. Juli 2023 Priv.-Doz. Dr. Helmut Kühr: Unser Universum
• 2. August 2023 Prof. Dr. Uli Klein: Die fünf Säulen des Urknalls
• 23. August 2023 Dr. Gyula I. G. Józsa: Galaxienentwicklung und Wasserstoffgas beobachtet mit Radioteleskopen
• 4. Oktober 2023 Priv.-Doz. Dr. Jürgen Kerp: Wie kam die Radioastronomie nach Bonn?
• 25.Oktober 2023 Dr. Alessandra Roy: SOFIA – die fliegende Sternwarte im Ruhestand

https://www.mpifr-bonn.mpg.de/vortraege/bme2023

Eröffnungsvortrag
Interstellare komplexe Moleküle und wo sie zu finden sind
Eröffnungsvortrag am Mittwoch, 5. April 2023, 19:30 Uhr
Laura Ann Busch, M. Sc., MPIfR Bonn

Die Zahl neu detektierter Moleküle im interstellaren Medium steigt in den letzten Jahren dank immer empfindlicherer Teleskope rasant und sie wurden mittlerweile in allen Phasen der Sternentstehung entdeckt. Es stellen sich somit die Fragen: Wie komplex kann die Materie zwischen den Sternen werden? Wie entwickelt sich die komplexe interstellare Chemie von der dunklen Wolke bis hin zur Entstehung des Sterns und seiner Planeten? Und welche Rolle spielen diese Moleküle als Bausteine noch komplexerer Moleküle und letztlich der Entstehung von Leben?

Biographische Angaben:
Laura Ann Busch hat in Bonn Physik und Astrophysik studiert und promoviert jetzt am Max-Planck-Institut für Radioastronomie im Rahmen des DFB-Sonderforschungsbereichs 956 und der „International Max Planck Research School for Astronomy and Astrophysics“ (IMPRS). Ihre Arbeit dreht sich dabei rund um Moleküle, wie sie entstehen und zerstört werden und was sie über die Region, in der sie beobachtet werden, verraten.

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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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: Eberhard Karls Universität Tübingen 26. Oktober 2022.

26. Oktober 2022 – Der leichteste bisher bekannte Neutronenstern steht im Zentrum des Supernovaüberrests HESS J1731-347. Dr. Victor Doroshenko, Dr. Valery Suleimanov, Dr. Gerd Pühlhofer und Professor Andrea Santangelo von der Abteilung Hochenergieastrophysik am Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen entdeckten das ungewöhnliche Objekt mithilfe von Röntgenteleskopen im All. Nach Berechnungen des Forschungsteams besitzt er nur etwa die Hälfte der Masse eines typischen Neutronensterns. Als Berechnungsgrundlage nutzte es neue Entfernungsmessungen zu einem Begleitstern, den das gleiche Team bereits früher entdeckt hatte. So konnten die Astrophysiker Masse und Radius des Neutronensterns mit bisher unerreichter Genauigkeit angeben. Ihre Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Neutronensterne werden geboren, wenn normale Sterne mit großer Masse in der Explosion einer Supernova ‚sterben‘, berichtet Victor Doroshenko, der Hauptautor der Studie. Sie seien extreme Objekte, die sozusagen als Himmelslabore für Studien der physikalischen Grundlagenforschung genutzt werden können. „Neutronensterne weisen noch unbekannte Eigenschaften von Materie auf, sie haben eine viel höhere Dichte als Atomkerne“, sagt der Forscher. Solche Bedingungen könnten in irdischen Laboren nicht nachgebildet werden. „Beobachtungen von Neutronensternen im All mit Röntgen- oder anderen Teleskopen werden uns erlauben, die Rätsel der superdichten Materie zu lösen – zumindest, wenn wir Herausforderungen wie die bei der Beobachtung entstehende Unschärfe bei den Entfernungsmessungen in den Griff bekommen. Genau das ist uns nun gelungen.“

Präzise Berechnungen
Der Neutronenstern im Zentrum des Supernovaüberrests HESS J1731-347 war einer von einer Handvoll von Objekten, die bei Messungen der Gammastrahlung mit den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia entdeckt und anschließend durch Röntgenteleskope aus dem All untersucht wurden, berichtet Doroshenko. „Erst dadurch wurde der sich abkühlende Neutronenstern sichtbar“, setzt Gerd Pühlhofer hinzu. Die Besonderheit dieses Objekts ist, wie das gleiche Forschungsteam bereits früher festgestellt hatte, dass es mit einem weiteren Stern physikalisch verbunden ist. Er beleuchtet die Staubhülle um den Neutronenstern und taucht sie in infrarotes Licht. Der Begleitstern wurde kürzlich durch das Gaia-Weltraumteleskop der Europäischen Raumfahrtagentur beobachtet, was dem Forschungsteam eine akkurate Entfernungsmessung zu beiden Objekten lieferte. Bei der Gaia-Mission wird der Himmel hochgenau dreidimensional optisch durchmustert. „Dadurch konnten wir vorherige Ungenauigkeiten beheben und unsere Modelle verbessern. Masse und Radius des Neutronensterns ließen sich viel genauer bestimmen, als es bisher möglich war“, erklärt Valery Suleimanov aus der Theoretischen Astrophysik.

Noch sei nicht klar, wie sich das ungewöhnliche Objekt gebildet hat. Auch gebe es Zweifel, ob es sich tatsächlich um einen Neutronenstern handelt oder ob das Objekt Kandidat für ein noch viel exotischeres Objekt ist, das aus seltsamer Quark-Materie besteht, sagt Andrea Santangelo und setzt hinzu: „Das ist aktuell der vielversprechendste Quarkstern-Kandidat, den wir bisher kennen, auch wenn seine Eigenschaften mit denen eines ‚normalen‘ Neutronensterns übereinstimmen.“ Doch selbst in dem Fall, dass es sich bei dem Objekt im Zentrum von HESS J1731-347 um einen Neutronenstern handele, bleibe es ein besonders interessantes Objekt. „Es erlaubt uns, den noch unerforschten Teil des Parameterraums in der Masse-Radius-Ebene von Neutronensternen zu untersuchen. So erhalten wir wertvolle Hinweise auf die Zustandsgleichung der dichten Materie, mit der sich ihre Eigenschaften beschreiben lassen“, schließt Santangelo.

Publikation:
Victor Doroshenko, Valery Suleimanov, Gerd Pühlhofer and Andrea Santangelo: A strangely light neutron star within a supernova remnant. Nature Astronomy, 24. Oktober 2022, doi.org/10.1038/s41550-022-01800-1, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01800-1.

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 28. Juni 2022.

Am 4. Juli 2012 – vor zehn Jahren – wurde am europäischen Großforschungszentrum CERN in Genf die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt gegeben. An dieser Entdeckung war das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit vielen wissenschaftlichen Gruppen und Technologien beteiligt – und die Forschenden des KIT beschäftigen sich auch weiterhin mit diesem Teilchen. Einblick in die laufende Forschung bietet die populärwissenschaftliche Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“ am 4. Juli 2022 ab 18:00 Uhr.

„Das Higgs-Teilchen verleiht allen anderen Teilchen ihre Masse und ist das letzte Puzzlestück, das im Standardmodell der Teilchenphysik zur Beschreibung der Materiebausteine und ihrer Wechselwirkungen noch gefehlt hatte“, sagt der Teilchenphysiker Professor Markus Klute, der mit seiner Gruppe in den USA wesentlich zur Entdeckung des Higgs-Bosons beigetragen hat. Seit dem vergangenen Jahr forscht er als Humboldt-Professor am KIT.

Beendet sei die Forschung zu dem Teilchen aber noch lange nicht, so Klute. „Wir wollen das Higgs-Teilchen besser und vor allem breit verstehen: Welche Eigenschaften hat es? Welche Prozesse unterstützt es? Wie koppelt es sich an andere Teilchen? Gibt es Teilchen, die ihm gleichen?“ Inzwischen können die Forschenden das Higgs-Boson bis in den Prozentbereich hinein vermessen. Doch es gehe noch um mehr: „Am Ende möchte ich herausfinden, wo die Grenzen unseres Verständnisses liegen“, sagt Klute.

Was aber kommt nach dem Standardmodell? „Es gibt Phänomene, die es nicht abbildet. Ein Beispiel ist die dunkle Materie, die für den Aufbau unseres Universums mit seinen Galaxien fundamental wichtig ist“, erläutert Klute. Dass es sie geben muss, zeigten Gravitationsmessungen – gesehen habe man sie jedoch noch nicht. Auch Wechselwirkungen zwischen dunkler und sichtbarer Materie seien bislang nicht nachweisbar. „Meine Hoffnung ist, dass wir durch das Higgs-Boson mehr darüber lernen können“, sagt Klute.

Markus Klute und sein Team sind in der Hochenergiephysik unterwegs. Sie designen Maschinen, die auf Lichtgeschwindigkeit gebrachte Teilchen bei der Kollision aufspüren, entwickeln die Analysewerkzeuge für die gemessenen Daten und haben den Einsatz moderner Techniken des Maschinellen Lernens in der Hochenergiephysik etabliert. Das derzeit wichtigste Projekt von Klute ist das internationale Großforschungs-Experiment Compact Muon Solenoid, kurz CMS, am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Genf. Der Physiker gehört zu dem Team das im Laufe der CMS-Messungen das Higgs-Boson entdeckt hat.

Populärwissenschaftliche Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“
Medien und interessierte Öffentlichkeit sind zur Veranstaltung „10 Jahre Higgs-Boson“ am 4. Juli 2022 ab 18:00 Uhr im Gerthsen-Hörsaal (Gebäude 30.21), Engesserstraße 9, am Campus Süd des KIT in Karlsruhe eingeladen. Vertreterinnen und Vertreter der Medien melden sich bitte per E-Mail an presse@kit.edu an.

Programm

• 18:00 Uhr: Begrüßung durch den Moderator Martin Besinger (SWR)
• 18:05 Uhr: Liveschaltung ans CERN und Unterhaltung mit Dr. Frank Hartmann, Institut für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
• 18:15 Uhr: „Das Higgs-Boson: Eine Erfolgsgeschichte”, Prof. Markus Klute, Leiter des Instituts für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
• 18:45 Uhr: Podiumsdiskussion
  mit Prof. Ulrich Husemann, Institut für Experimentelle Teilchenphysik des KIT
  Jun.-Prof. Felix Kahlhöfer, Institut für Theoretische Teilchenphysik des KIT
  Dr. Belina von Krosigk, Institut für Astroteilchenphysik des KIT
  und Prof. Anke-Susanne Müller, Leiterin des Instituts für Beschleunigerphysik und Technologie des KIT.
  Mit Fragen aus dem Publikum.

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 8. Juni 2022.

8. Juni 2022 – Überall im Universum werden Neutronensterne in Supernova-Explosionen geboren, die das Ende des Lebens massereicher Sterne markieren. Manchmal sind Neutronensterne in Doppelsternsystemen gebunden und werden schließlich miteinander kollidieren. Diese hochenergetischen, astrophysikalischen Phänomene zeichnen sich durch so extreme Bedingungen aus, dass sie die meisten schweren Elemente wie Silber und Gold erzeugen. Daher sind Neutronensterne und ihre Kollisionen einzigartige Laboratorien zur Untersuchung der Eigenschaften von Materie bei Dichten, die weit über den Dichten in Atomkernen liegen. Experimente mit Schwerionen-Kollisionen, die mit Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, sind eine Möglichkeit, Materie bei hohen Dichten und unter extremen Bedingungen zu erzeugen und zu untersuchen.

„Die Kombination von Erkenntnissen aus der theoretischen und experimentellen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen ist unerlässlich, um die Eigenschaften neutronenreicher Materie über den gesamten Dichtebereich, der in Neutronensternen vorkommt, zu verstehen“, erklärt Sabrina Huth, Institut für Kernphysik an der Technischen Universität Darmstadt, Erstautorin der Veröffentlichung. Peter T. H. Pang, ein weiterer Erstautor vom Institut für Gravitations- und subatomare Physik (GRASP) der Universität Utrecht, fügt hinzu: „Wir stellen fest, dass die Teilchenbeschleuniger-Daten von Goldionen-Kollisionen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit astrophysikalischen Beobachtungen aufweisen, obwohl sie mit völlig anderen Methoden gewonnen wurden.“

Dank der jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie konnte das internationale Team, an dem Forschende aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Schweden beteiligt sind, neue Erkenntnisse über die grundlegenden Wechselwirkungen in der Kernmaterie gewinnen. In einer interdisziplinären Studie haben die Wissenschaftler*innen Informationen aus Schwerionenkollisionen mit astronomischen Beobachtungen elektromagnetischer Signale, Messungen von Gravitationswellen und astrophysikalischen und kerntheoretischen Berechnungen zusammengebracht. Ihre systematische Studie kombiniert erstmals all diese Informationen und deutet auf einen höheren Druck bei mittleren Dichten in Neutronensternen hin.

Die Autor*innen haben die Informationen aus Goldionen-Kollisionsexperimenten, die am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA durchgeführt wurden, in ihre mehrstufige Analyse einfließen lassen, welche auf Informationen aus der theoretischen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen basiert. Dazu gehören Messungen der Masse von Neutronensternen durch Radiobeobachtungen, Informationen von der „Neutron Star Interior Composition Explorer“ (NICER) Mission auf der Internationalen Raumstation sowie Multi-Messenger-Beobachtungen von Verschmelzungen zweier Neutronensterne.

Die Einbeziehung der Daten von Schwerionen-Kollisionen in die Analysen hat zusätzliche Einschränkungen im Dichtebereich ermöglicht, wo die Kerntheorie und astrophysikalische Beobachtungen weniger sensitiv sind. Dies hat dazu beigetragen, ein vollständigeres Verständnis der dichten Materie zu gewinnen. In Zukunft können verbesserte Daten aus Schwerionenkollisionen eine wichtige Rolle bei der Verknüpfung von Kerntheorie und astrophysikalischen Beobachtungen spielen, indem sie ergänzende Informationen liefern. Insbesondere Experimente, die höhere Dichten erforschen und gleichzeitig die experimentellen Unsicherheiten verringern, haben ein großes Potenzial, neue Hinweise auf die Eigenschaften von Neutronensternen zu liefern. Neue Informationen auf beiden Seiten können leicht in die Berechnungen integriert werden, um das Verständnis dichter Materie in den kommenden Jahren weiter zu verbessern.

Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.
Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.
Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.

Originalpublikation
Sabrina Huth, Peter T. H. Pang, Ingo Tews, Tim Dietrich, Arnaud Le Fèvre, Achim Schwenk, Wolfgang Trautmann, Kshitij Agarwal, Mattia Bulla, Michael W. Coughlin, Chris Van Den Broeck: „Constraining Neutron-Star Matter with Microscopic and Macroscopic Collisions“, DOI 10.1038/s41586-022-04750-w,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

11. April 2022 – Die ALMA-Beobachtungen der molekularen Wolke L1544 im Sternbild Stier zeigten nicht nur eine Konzentration von Staubkörnchen zum Zentrum hin, sondern auch, dass stickstoffhaltige Moleküle sowie Kohlenstoff, Sauerstoff und alle weiteren Elemente schwerer als Helium in dicken Eishüllen um die Staubkörner gespeichert sind. Diese Eishüllen sind reich an Wasser und organischen Molekülen, den Vorläufern prä-biotischer Moleküle. Die Häufigkeiten ähneln denen, die in Resten der Entstehung unseres Sonnensystems beobachtet wurden.

Eine der zentralen Fragen der modernen Astrophysik ist, wie Planeten und Sterne entstehen. Während die groben Züge bekannt sind – eine kalte Molekülwolke kollabiert unter ihrer eigenen Schwerkraft, eine Akkretionsscheibe entsteht und in ihrem Zentrum ein Protostern – steckt der Teufel im Detail. Ein entscheidender Schritt ist die Phase des so genannten prästellaren Kerns, wenn sich die interstellare Gaswolke zusammenzieht und abflacht (um schließlich eine proto-planetare Scheibe zu bilden), aber noch bevor die Gravitationskraft einen zentralen Protostern erzeugt.

Astronomen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben nun mit den ALMA-Radioteleskopen einen solchen prästellaren Kern mit der Bezeichnung L1544 im Sternbild Stier in noch nie dagewesener Auflösung beobachtet. „Studien von prästellaren Kernen in nahen Wolken haben bereits Hinweise auf ihre physikalische und chemische Struktur geliefert, aber es war immer noch unklar, was im Zentrum passiert“, erklärt Paola Caselli, Hauptautorin der jetzt im Astrophysical Journal veröffentlichten Studie. „Jetzt können wir die Strukturen innerhalb der zentralen 2000 Astronomischen Einheiten (AE) untersuchen, wo das zukünftige Sternsystem entstehen wird.“ Zum Vergleich: Neptun, der äußerste bekannte Planet in unserem eigenen Sonnensystem befindet sich in einer Entfernung von 30 AE zur Sonne, während sich der Kuiper-Gürtel und die so genannten transneptunischen Objekte, kurzlebige Kometen und andere Eiskörper, auf etwa 200 AE erstrecken.

Die Beobachtungen umfassten sowohl die Kontinuumsemission von Staubkörnchen in diesem prästellaren Kern als auch Beobachtungen der Spektrallinien von deuteriertem Ammoniak, d. h. einem Molekül aus Stickstoff und Wasserstoff, bei dem ein Wasserstoffatom durch ein Deuteriumatom ersetzt ist (NH2D). Während die Kontinuumsemission des Staubes eine kompakte zentrale Region mit einer Masse von etwa 1/6 der Masse unserer Sonne erkennen ließ, war die Analyse der Moleküllinien die eigentliche Überraschung. Zum ersten Mal lieferten die Beobachtungen Beweise für ein fast vollständiges Ausfrieren: so gut wie alle (99,99%) Moleküle und Atome, die schwerer als Helium sind, verschwinden aus dem Gas und kondensieren auf den Staubkörnchen in den zentralen 2000 AE.

„Dies deutet auf eine ‚vollständige Leerzone‘ hin, in Übereinstimmung mit Vorhersagen astrochemischer Modelle für den prästellaren Kern“, führt Olli Sipilä aus, der die theoretische Modellierung durchführte. Das hochmoderne chemische Modell sagt voraus, dass das Ausfrieren bereits bei 7000 AE beginnt und dass Strahlungstransfereffekte dafür sorgen, dass die Emission einiger Moleküle auf das Zentrum konzentriert zu sein scheint. „Dies hat verhindert, dass das Ausfrieren in früheren Beobachtungen, bei denen das Zentrum nicht aufgelöst werden konnte, entdeckt wurde“, fügt er hinzu.

Die Staubkörner in einem solchen prästellaren Kern sind also von dicken Eishüllen umgeben, reich an Wasser und organischen Molekülen, welche die Bausteine für zukünftige Planeten bilden. Eine kürzlich durchgeführte Untersuchung des Kometen 67P/CG zeigte tatsächlich, dass die relativen Häufigkeiten der Moleküle dort ähnlich sind zu denen von prästellaren Kernen und jungen Sternentstehungsgebieten.

„Wir konnten zeigen, dass prästellare Moleküle vor der Bildung eines Sternsystems ähnlich dem unserem im Eis ‚gespeichert‘ werden“, betont Jaime Pineda, Zweitautor der Studie. Einige dieser prästellaren Eiskörper, insbesondere die Eiskörnchen im äußeren Teil der Scheibe, könnten spätere Stadien der Planetenbildung überleben und die chemische Signatur dieser frühen Phasen kurz vor dem Aufleuchten eines neuen Sterns konservieren. „Eisige Objekte an den Rändern unseres Sonnensystems könnten tatsächlich die ‚eingefrorene‘ chemische Geschichte unseres präsolaren Kerns enthalten, der Wolke, aus der alles entstanden ist, was wir heute in unserem Sonnensystem sehen – einschließlich uns selbst“, fasst Paola Caselli abschließend zusammen. „Da wir wissen, dass im jungen Sonnensystem einige der eisigen Körnchen in Richtung der Entstehungszone der terrestrischen Planeten gedriftet sind, könnten diese sogar zu den flüchtigen Molekülen, einschließlich Wasser und organischen Stoffen, auf unserer Erde beigetragen haben. D. h. sie könnten wertvolle Zutaten für den Ursprung des Lebens auf unserem Planeten geliefert haben.“

Originalveröffentlichung
The Central 1000 au of a Pre-stellar Core Revealed with ALMA. II. Almost Complete Freeze-out
Paola Caselli, Jaime E. Pineda, Olli Sipilä et al.
ApJ 929 13, 2022
The Central 1000 au of a Prestellar Core Revealed with ALMA. II. Almost Complete Freeze-out

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• Planetenentstehung

Der Beitrag Eisiger Speicher für Moleküle kurz vor Stern- und Planetenentstehung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.