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: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 6. Oktober 2023.

6. Oktober 2023 – Einer Gruppe von theoretischen Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es gelungen ihre im Jahr 2021 publizierten Berechnungen des elektrischen Ladungsradius des Protons noch einmal deutlich zu verbessern und erstmals ein hinreichend präzises Ergebnis komplett ohne die Hinzuziehung experimenteller Daten zu erhalten. In der Diskussion um die Größe des Protons favorisieren auch diese neuen Rechnungen den kleineren Wert. Zugleich haben die Physiker erstmals eine stabile Theorie-Vorhersage für den magnetischen Ladungsradius des Protons veröffentlicht. Alle neuen Erkenntnisse sind in drei auf dem arXiv-Server publizierten Preprints zu finden.

Sämtliche bekannten Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen – und doch sind viele Eigenschaften dieser allgegenwärtigen Nukleonen noch nicht verstanden. So gibt insbesondere der Radius des Protons seit einigen Jahren Rätsel auf: Im Jahr 2010 sorgte eine neue Messung des Proton-Radius mithilfe der Laserspektroskopie von myonischem Wasserstoff für Aufsehen – in diesem „besonderen“ Wasserstoff ist das Elektron in der Hülle des Atoms ersetzt durch seinen schweren Verwandten, das Myon, wodurch sich die Genauigkeit der Messung erheblich steigern ließ. Die Forscher ermittelten einen deutlich kleineren Wert, als er aus entsprechenden Messungen an „normalem“ Wasserstoff und der Bestimmung des Protonradius aus Elektron-Proton-Streuexperimenten bekannt war. Die große Frage, die Physikerinnen und Physiker seitdem umtreibt: Verbirgt sich hinter der Abweichung eine neue Physik jenseits des Standardmodells oder handelt es sich „lediglich“ um systematische Unsicherheiten der verschiedenen Messmethoden?

Ist das Proton-Radius Rätsel gelöst?
In den letzten Jahren gab es immer mehr Anhaltspunkte, dass der kleinere experimentelle Wert der richtige ist, sich also keine neue Physik hinter dem Proton-Radius Rätsel verbirgt. Theoretische Berechnungen leisten einen bedeutenden Beitrag, um diese Frage endgültig beantworten zu können. Bereits im Jahr 2021 gelang es Forschenden um Prof. Dr. Hartmut Wittig vom Mainzer Exzellenzcluster PRISMA+ so genannte Gitterrechnungen hinreichend präzise durchzuführen, um einen weiteren verlässlichen Hinweis auf den kleineren Protonradius zu bekommen. „Inzwischen sind wir nochmals einen großen Schritt vorangekommen“, erläutert Hartmut Wittig. „So hat Miguel Salg, Doktorand in meiner Arbeitsgruppe, sehr schöne Ergebnisse erzielt, die unsere frühere Rechnung nochmals deutlich verbessern und ausweiten.“

Konkret hatte die Mainzer Forschungsgruppe vor zwei Jahren „nur“ den sogenannten Isovektor-Radius berechnet, was nicht dasselbe ist wie der Proton-Radius. Den damals publizierten Wert für den Proton-Radius bestimmten sie unter Hinzuziehung experimenteller Daten für den Neutron-Radius. „Mittlerweile haben wir die damals noch fehlenden Anteile ebenfalls berechnet, unsere Statistik erhöht und die systematischen Fehler besser eingegrenzt, so dass wir nun auf experimentelle Daten erstmals vollständig verzichten können“, beschreibt Miguel Salg. „Außerdem konnten wir überprüfen, inwieweit unser Resultat von 2021 der kompletten direkten Berechnung standhält — mit dem Ergebnis, dass wir auch 2021 mit dem Wert richtig lagen.“ „Im Hinblick auf das Proton-Radius Rätsel können wir sicher sagen, dass sich auch durch die neuen Rechnungen die Hinweise immer weiter verdichten, dass der Protonradius durch den kleineren Wert richtig beschrieben ist“, ordnet Hartmut Wittig das Ergebnis ein.

Die Rechnungen der Mainzer Physiker basieren auf der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD). Sie beschreibt das Kräftespiel im Atomkern: Dort bindet die starke Wechselwirkung die Quarks als elementare Bausteine der Materie zu Protonen und Neutronen zusammen und wird durch Gluonen als Austauschteilchen vermittelt. Um diese Vorgänge mathematisch simulieren zu können, greifen die Mainzer Wissenschaftler auf die sogenannte Gitterfeldtheorie zurück. Ähnlich wie in einem Kristall werden die Quarks dabei auf die Punkte eines Raum-Zeit-Gitters verteilt. Mit speziellen Simulationsverfahren lassen sich dann bestimmte Eigenschaften von Nukleonen unter Einsatz von Supercomputern berechnen: in einem ersten Schritt die sogenannten elektromagnetischen Formfaktoren. Diese beschreiben die Verteilung von elektrischer Ladung und Magnetisierung innerhalb des Protons. Aus ihnen wiederum lässt sich der Proton-Radius bestimmen.

Erstmals stabile Theorievorhersage für den magnetischen Ladungsradius
Neben dem elektrischen Ladungsradius, von dem bisher die Rede war, besitzt das Proton auch einen magnetischen Ladungsradius, der ebenfalls Rätsel aufgibt. Auch diesen haben die Mainzer Theoretiker auf Basis der QCD berechnet. „Man könnte die unterschiedlichen Radien ganz vereinfacht durch die Ausdehnung einer durch das Proton gegebenen Ansammlung elektrischer bzw. magnetischer Ladung veranschaulichen, die ein einfliegendes Elektron im Streuprozess ‚sieht‘“, erläutert Hartmut Wittig. Auch für den magnetischen Ladungsradius erhielt die Mainzer Gruppe erstmals eine stabile Vorhersage, die rein auf theoretischen Berechnungen basiert. „Aus der präzisen Kenntnis der elektrischen und magnetischen Formfaktoren konnten wir darüber hinaus erstmals den sogenannten Zemach-Radius des Protons rein aus der QCD herleiten, der für die experimentellen Messungen an myonischem Wasserstoff eine wichtige Input-Größe ist. Dies zeigt einmal mehr, wie weit die Qualität von Gitter-QCD Rechnungen inzwischen fortgeschritten ist“, so Hartmut Wittig abschließend.

Veröffentlichungen:
D. Djukanovic, G. von Hippel, H. B. Meyer, K. Ottnad, M. Salg, and H. Wittig, Electromagnetic form factors of the nucleon from Nf = 2 + 1 lattice QCD, arXiv: 2309.06590.

D. Djukanovic, G. von Hippel, H. B. Meyer, K. Ottnad, M. Salg, and H. Wittig, Precision calculation of the electromagnetic radii of the proton and neutron from lattice QCD, arXiv: 2309.07491.

D. Djukanovic, G. von Hippel, H. B. Meyer, K. Ottnad,M. Salg, and H. Wittig, Zemach radius of the proton from lattice QCD, arXiv: 2309.17232.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: JGU 10. August 2023.

10. August 2023 – Die Myon g-2 Kollaboration hat heute ein mit Spannung erwartetes brandneues Ergebnis ihrer Messung des anomalen magnetischen Moments des Myons bekannt gegeben. Das Resultat ist konsistent mit dem Ergebnis der ersten Messrunde, die Genauigkeit des früheren Ergebnisses wird jedoch um den Faktor 2 verbessert. Diese bisher präziseste Messung des anomalen magnetischen Moments des Myons wurde im Rahmen eines Seminars am Fermilab (FNAL) vorgestellt und bei der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters zu Publikation eingereicht.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Fertl, der seit 2019 im Bereich der Niederenergieteilchenphysik am Exzellenzcluster PRISMA⁺ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) forscht, ist die Einzige in Deutschland, die mit experimentellen Beiträgen an der Myon g-2 Kollaboration beteiligt ist. Martin Fertl selbst hat bereits im Jahr 2014 als Postdoktorand an der University of Washington, Seattle, begonnen am Myon g-2 Experiment zu arbeiten, heute ist für ihn ein ganz besonderer Tag. „Der neue Wert, den wir heute verkünden konnten, untermauert das erste Ergebnis, das wir im April 2021 bekannt gegeben haben“, so Martin Fertl. „Er bringt die Teilchenphysik näher an den ultimativen Showdown zwischen Theorie und Experiment, der neue Teilchen oder Kräfte aufdecken könnte. Hierauf warten wir seit über 20 Jahren.“

Neues Ergebnis verdoppelt Präzision
Das neue experimentelle Ergebnis für g-2 (Erklärung s. unten) basiert auf den Daten der ersten drei Jahre seit 2018. Es enthält also die neu ausgewerteten Daten aus der zweiten und dritten Messrunde, sowie die bereits in 2021 publizierten Daten der ersten Runde. Insgesamt wurden dazu mehr als 40 Milliarden Myonen vermessen.
Das Resultat lautet:
g-2 = 0.00233184110  +/- 0.00000000043 (stat.) +/- 0.00000000019  (syst.)

Die Messung von g-2 entspricht damit einer Genauigkeit von insgesamt 200 Teilen in einer Milliarde – gegenüber 460 Teilen in einer Milliarde, die mit der Auswertung der ersten 6 Prozent der Daten erreicht und im April 2021 bekannt gegeben wurde. Mit der neuesten Messung hat die Myon g-2 Kollaboration bereits vorzeitig eines ihrer wichtigsten Ziele erreicht, nämlich eine bestimmte Art von Unsicherheit zu verringern: die durch experimentelle Unzulänglichkeiten verursachte Unsicherheit, die so genannte systematische Unsicherheit.

„Das ist eine großartige experimentelle Leistung“, freut sich Dr. René Reimann, Postdoc in der Arbeitsgruppe von Martin Fertl und gemeinsam mit Doktorand Mohammad Ubaidullah Hassan Qureshi maßgeblich an der Analyse des Magnetfelds in dem experimentellen Aufbau beteiligt. Während die systematische Unsicherheit mit 68 Teilen in einer Milliarde damit bereits unter dem gesteckten Ziel liegt, wird der größere Aspekt der Unsicherheit – die statistische Unsicherheit – durch die Menge der analysierten Daten bestimmt. So ergänzt das heute bekannt gegebene Ergebnis das erste Resultat bereits um weitere zwei Jahre an Daten. Das Fermilab-Experiment wird seine endgültige statistische Unsicherheit erreichen, wenn die Forschenden alle sechs Jahre an Daten in ihre Analyse einbezogen haben werden, was in den nächsten Jahren abgeschlossen werden soll. „Unser Ziel, am Ende mit dem neuen Myon g-2 Experiment eine insgesamt um den Faktor vier höhere Genauigkeit von 140 Teilen zu 1 Milliarde gegenüber dem Vorgängerexperiment am Brookhaven National Laboratory zu erzielen, erscheint damit sehr realistisch“, resümiert Mohammad Ubaidullah Hassan Qureshi.

Myonen als Testobjekte für Neue Physik – Was bedeutet g-2?
Physikerinnen und Physiker beschreiben die Funktionsweise des Universums auf seiner fundamentalsten Ebene mit einer Theorie, die als Standardmodell bekannt ist. Indem sie theoretische Vorhersagen auf der Grundlage des Standardmodells machen und sie mit experimentellen Ergebnissen vergleichen, können sie feststellen, ob die Theorie vollständig ist – oder ob es Physik jenseits des Standardmodells gibt. Das anomale magnetische Moment des Myons ist in dem Zusammenhang eine sehr wichtige Präzisionsgröße, welche einen der vielversprechendsten Tests des Standardmodells ermöglicht. Seit vielen Jahren gibt es hier eine Diskrepanz und die große Frage ist, ob diese „echt“ oder „lediglich“ Folge systematischer Unsicherheiten in Theorie und Experiment ist.

Myonen sind fundamentale Teilchen im Standardmodell, die den Elektronen ähneln, aber etwa 200 Mal so schwer sind und nur für den millionstel Bruchteil einer Sekunde leben. Wie das Elektron besitzt das Myon ein magnetisches Moment, eine Art inneren Miniatur-Stabmagnet, der in Gegenwart eines Magnetfelds wie die Achse eines Kreisels präzessiert oder wackelt. Die Präzessionsgeschwindigkeit in einem bestimmten Magnetfeld hängt vom magnetischen Moment des Myons ab, das in der Regel durch den Buchstaben g dargestellt wird; im einfachsten Fall sagt die Theorie voraus, dass g gleich 2 sein sollte.

Das Myon g-2-Experiment hat seinen Namen daher, dass das „g“ des Myons immer ein wenig – um etwa 0,1 Prozent – von der einfachen Erwartung g=2 abweicht. Diese Anomalie wird gemeinhin als das anomale magnetische Moment des Myons bezeichnet (a = (g-2)/2). Die Differenz von g zu 2 – oder g minus 2 – ist auf die Wechselwirkungen des Myons mit virtuellen Teilchen in einer Art Quantenschaum zurückzuführen, der es umgibt. Diese Teilchen, die in Sekundenbruchteilen ständig entstehen und wieder zerfallen greifen wie subatomare „Tanzpartner“ nach der „Hand“ des Myons und verändern die Art und Weise, wie das Myon mit dem Magnetfeld wechselwirkt. Das Standardmodell umfasst alle bekannten „Tanzpartner“-Teilchen und sagt voraus, wie der Quantenschaum g verändert. Aber es könnte noch mehr geben. Die Physik-Welt ist begeistert von der möglichen Existenz bisher unentdeckter Teilchen, die zum Wert von g-2 beitragen – und das Fenster zur Erforschung neuer Physik öffnen würden.

Rennbahn für Myonen
Das Myon g-2 Experiment vermisst die Rotationsfrequenz der „internen Kompassnadel“ der Myonen in einem Magnetfeld, sowie das Magnetfeld selbst und bestimmt daraus das anomale magnetische Moment. Der Myonenstrahl wird am Myonen-Campus des FNAL speziell für das Experiment erzeugt – er weist eine bisher nicht erreichte Reinheit auf.

Zur Durchführung der Messung schickte die Myon g-2 Kollaboration wiederholt diesen Strahl von Myonen in einen supraleitenden magnetischen Speicherring mit einem Durchmesser von 14 Metern, wo sie im Durchschnitt etwa 1.000 Mal mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umliefen. Mit Hilfe von Detektoren, die den Ring auskleiden, konnten die Forschenden feststellen, wie schnell sich die Kompassnadeln der Myonen relativ zu deren Flugbahnen bewegten. Die Physiker müssen auch die Stärke des Magnetfelds genau messen, um den Wert von g-2 zu bestimmen. Und genau hier liegt die Expertise von Martin Fertl und seiner Arbeitsgruppe: die extrem präzise Vermessung des Magnetfelds im Myonen-Speicherring über die gesamte mehrjährige Messzeit. Bereits an seiner früheren Wirkungsstätte leitete Martin Fertl dazu die Entwicklung einer Anordnung hochempfindlicher Magnetometer, die auf dem Prinzip der gepulsten Kernspinresonanz basieren. Mehrere hundert dieser Messköpfe sind in den Wänden der die Myonen umgebenden Vakuumkammern installiert. Weitere 17 Messköpfe umrunden ferngesteuert den Speicherring, der einen Durchmesser von 14 Metern hat, um das angelegte Magnetfeld noch umfassender zu vermessen. „Um unser Präzisions-Ziel zu erreichen, müssen wir in der Lage sein, das Magnetfeld, in dem sich die Myonen bewegen, auf 70 Teile zu 1 Milliarde genau zu vermessen“, rechnet Martin Fertl vor. Für das Fermilab-Experiment wurde ein Speicherring wiederverwendet, der ursprünglich für das Vorgängerexperiment am Brookhaven National Laboratory gebaut wurde, das 2001 abgeschlossen wurde. Im Jahr 2013 transportierte das Team den Speicherring 3.200 Meilen von Long Island, New York, nach Batavia, Illinois. Nach vierjährigen Aufbauarbeiten startete die Datennahme im Jahr 2018. Seither wurde das Experiment ständig weiter verbessert.

Neben den nun publizierten Messungen aus den ersten drei Jahren sammelte das Experiment für weitere drei Jahre Daten. Am 9. Juli 2023 schließlich schaltete die Kollaboration den Myonenstrahl ab und beendete das Experiment nach sechs Jahren der Datenerfassung. Im Ergebnis haben sie das Ziel erreicht, einen Datensatz zu sammeln, der mehr als 21 Mal so groß ist wie der Datensatz von Brookhaven.

Gibt es eine Abweichung von Theorie und Experiment?
Physikerinnen und Physiker können die Auswirkungen der bekannten „Tanzpartner“ des Standardmodells auf das anomale magnetische Moment des Myons mit unglaublicher Präzision berechnen. Die Berechnungen berücksichtigen die elektromagnetischen, schwachen und starken Kernkräfte, einschließlich Photonen, Elektronen, Quarks, Gluonen, Neutrinos, W- und Z-Bosonen und das Higgs-Boson. Wenn das Standardmodell korrekt ist, sollte diese ultrapräzise Vorhersage mit den experimentellen Messungen übereinstimmen. Die Berechnung der Vorhersage des Standardmodells für das Myon g-2 ist eine große Herausforderung. In der „Myon g-2 Theorie Initiative“ haben sich im Jahr 2017 daher mehr als 130 Physikerinnen und Physiker weltweit zusammengeschlossen, um sich dieser Herausforderung gemeinsam zu stellen, unter ihnen auch Prof. Dr Hartmut Wittig, theoretischer Physiker und zugleich Sprecher des Exzellenzclusters PRISMA⁺, der als Mitglied des Steering Committee die Mainzer Aktivitäten im Bereich der Theorie-Vorhersage vertritt. Im Jahr 2020 gab die Initiative die beste Vorhersage des Standardmodells für das Myon g-2 bekannt, die zu diesem Zeitpunkt verfügbar war. Doch eine neue experimentelle Messung der Daten, die in die Vorhersage einfließen, und eine neue Berechnung, die auf einem anderen theoretischen Ansatz – der Gittereichtheorie – basiert, stehen im Widerspruch zu der Berechnung von 2020. Die „Myon g-2 Theory Initiative“ strebt an, in den nächsten Jahren eine neue, verbesserte Vorhersage zu erstellen, die beide theoretischen Ansätze berücksichtigt.

Die Myon g-2 Kollaboration
An der Myon g-2-Kollaboration sind fast 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 33 Einrichtungen in sieben Ländern beteiligt, darunter fast 40 Studierende, die auf der Grundlage ihrer Arbeit an dem Experiment promoviert haben. Die Kollaboration wird nun die nächsten Jahre damit verbringen, die Daten der letzten drei Jahre zu analysieren und geht davon aus, die Präzision dabei nochmals um einen Faktor zwei zu verbessern. Sie rechnet mit der Veröffentlichung dieser endgültigen, präzisesten Messung des magnetischen Moments des Myons im Jahr 2025 – und damit mit dem ultimativen Showdown zwischen Theorie und Experiment des Standardmodells. Bis dahin werden die Physikerinnen und Physiker über eine neue und verbesserte Messung des g-2-Myons verfügen, die einen wichtigen Schritt in Richtung des endgültigen physikalischen Ziels darstellt.

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• physikalische Grundlagenforschung

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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: JGU 23. März 2023.

23. März 2023 – Das W-Boson ist ein Elementarteilchen, das 1983 am CERN entdeckt wurde und das für die Vermittlung der sogenannten schwachen Wechselwirkung verantwortlich ist. Die Bestimmung seiner Masse ist von besonderer Bedeutung, etwa als präziser Test für die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik. Nach einer ersten Bestimmung und Veröffentlichung der Masse im Jahr 2017, hat die ATLAS Kollaboration jetzt ein neues Ergebnis für diese Masse vorgelegt. Das vorläufige Resultat wurde heute von Prof. Matthias Schott, Experimentalphysiker am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) im Rahmen des „57. Rencontres de Moriond“, einer der bedeutendsten Konferenzen für Teilchenphysik, vorgestellt.

Neue W-Boson Masse ist Ergebnis einer Neuanalyse
Im Ergebnis beträgt die Masse des W-Bosons 80360 Megaelektronenvolt (MeV) mit einer Unsicherheit von 16 MeV. Sie basiert auf einer Neuanalyse von 14 Millionen W-Boson-Kandidaten, die bereits 2011 in Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) des CERN aufgezeichnet wurden. Sie stimmt mit der Erwartung des Standardmodels der Teilchenphysik überein und steht damit im direkten Widerspruch zur jüngsten Messung des CDF-Experiments am Tevatron, welches im Frühjahr 2022 für großes Aufsehen sorgte.

Die theoretische Vorhersage der Masse des W-Bosons im Rahmen des Standardmodells beträgt 80354 MeV, mit einer Unsicherheit von 7 MeV. Sie steht in engem Zusammenhang mit der Stärke der elektroschwachen Kopplungen und den Massen der schwersten Elementarteilchen, darunter das Z-Boson, das Top-Quark und das Higgs-Boson. In Theorien, die das Standardmodell erweitern, ist die Masse des Teilchens jedoch auch mit zusätzlichen, noch unbekannten Teilchen oder Wechselwirkungen verbunden. Die Messung der Masse des W-Bosons ist daher ein wichtiger Test des Standardmodells und eine Abweichung zwischen Theorie und Experiment könnte auf neue Physik hindeuten.

Erste Masse des W-Bosons in 2017 veröffentlicht
2017 veröffentlichte ATLAS seine erste Messung der Masse des W-Bosons, die anhand von Daten aus dem Jahr 2011 bestimmt wurde. Die Masse des W-Bosons betrug 80370 MeV, mit einer Unsicherheit von 19 MeV. Das Ergebnis stimmte schon damals gut mit der Vorhersage des Standardmodells und allen früheren experimentellen Ergebnissen überein.

Im letzten Jahr gab die CDF-Kollaboration am Fermilab eine noch präzisere Messung bekannt, die auf einer Analyse ihres gesamten am Tevatron gesammelten Datensatzes beruht. Das Ergebnis, 80434 MeV mit einer Unsicherheit von 9 MeV, weicht erheblich von der Vorhersage des Standardmodells und von den anderen experimentellen Ergebnissen ab, so dass weitere Messungen erforderlich sind, um die Ursache für diese Abweichung zu ermitteln.

In der neuen Studie analysierte ATLAS erneut die W-Bosonen-Stichprobe aus dem Jahr 2011 und verbesserte damit die Präzision seiner früheren Messung. Die neue Masse des W-Bosons, 80360 MeV mit einer Unsicherheit von 16 MeV, ist 10 MeV niedriger als das vorherige ATLAS-Ergebnis. Auch dieses Ergebnis steht im Einklang mit dem Standardmodell.

„Die Messung der W-Boson-Masse gehört zu den schwierigsten und anspruchsvollsten Messungen, die an Hadronen-Collidern durchgeführt werden. Sie erfordert eine äußerst präzise Kalibrierung der mit dem ATLAS-Detektor gemessenen Teilchenenergien und -impulse sowie eine sorgfältige Bewertung und ausgezeichnete Kontrolle der Modellierungsunsicherheiten“, sagt ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker. „Dieses aktualisierte Ergebnis ist ein strenger Test und bestätigt die Konsistenz unseres theoretischen Verständnisses der elektroschwachen Wechselwirkungen.“

Um es zu erzielen, verwendete die ATLAS Kollaboration eine signifikant verbesserte Analysemethode und berücksichtige zudem neue Erkenntnisse über die Struktur des Protons aus den vergangenen Jahren. Diesen neuen Ansatz verfolgte die Gruppe um Matthias Schott innerhalb des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA+ seit vielen Jahren und er konnte nun zum vorläufigen Abschluss gebracht werden. „Ich bin mehr als glücklich nach so vielen Jahren dieses Ergebnis nun präsentieren zu können“, erklärt Matthias Schott. „Aber nun steht für uns schon die Analyse von speziellen Datensätzen an, welche wir im Jahr 2018 aufgezeichnet haben. Diese werden uns helfen, herauszufinden, warum die CDF-Messung von allen anderen Messungen abweicht.“

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 2. März 2023.

2. März 2023 – Mit einem zweitägigen Workshop, zugleich ein Kick-off Meeting, haben die Universitäten Mainz und Würzburg die deutsche Beteiligung am NASA-Satelliten COSI vorbereitet. Aus Mainz ist die Gruppe von Prof. Dr. Uwe Oberlack vom Exzellenzcluster PRISMA+ beteiligt, aus Würzburg die Gruppe um den Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

Das Gammastrahlenteleskop mit dem Namen Compton Spectrometer and Imager (COSI) wird die jüngste Geschichte der Sternentstehung, von Sternexplosionen und der Bildung chemischer Elemente in der Milchstraße untersuchen, die für die Entstehung der Erde selbst entscheidend waren. Es wird vom Space Sciences Laboratory der University of California Berkeley geleitet und soll 2027 als neueste „kleine Astrophysik-Mission“ (Small Explorer) der NASA starten. Im Oktober 2021 hatte die NASA COSI aus 18 eingereichten Vorschlägen als neues Weltraumteleskop ausgewählt.

COSI wird die Gammastrahlung radioaktiver Atome untersuchen, die bei der Explosion massereicher Sterne entstehen, um zu kartieren, wo in der Milchstraße chemische Elemente entstanden sind. Die Mission wird auch den mysteriösen Ursprung der Positronen in unserer Galaxie erforschen, die auch als Antielektronen bekannt sind – subatomare Teilchen, die die gleiche Masse wie Elektronen, aber eine positive Ladung haben. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Suche nach Strahlung, die von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.

Die deutsche Beteiligung an COSI ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert. Besonders interessant an der Mission ist die neue Thematik der „Megaelektronenvolt (MeV)-Gammaastronomie“, denn sie erlaubt die Beobachtung des Himmels in einem Bereich der elektromagnetischen Strahlung, der noch weitgehend unerforscht ist. Frühere Missionen unter führender deutscher Beteiligung, wie das erste Compton-Teleskop COMPTEL auf dem Compton Gamma-ray Observatory der NASA in den 90er-Jahren und das europäische Teleskop INTEGRAL in den letzten 20 Jahren, haben im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Himmelsdurchmusterung nur die hellsten Quellen sehen können. COSI wird hier deutlich empfindlicher.

Dieser Energiebereich ist aber nicht nur wenig erforscht, er ist auch besonders interessant, weil er den Bereich der Energieniveaus in Atomkernen darstellt, die Ruheenergie der Positronen umfasst, sowie die Suche nach Dunkler Materie in einem bisher nicht zugänglichen Bereich ermöglicht. Kürzliche Hinweise auf astrophysikalische Neutrinos könnten auf Quellen hindeuten, die im MeV-Energiebereich sichtbar sein könnten. „COSI wird dutzende Quellen innerhalb und außerhalb der Milchstraße detektieren und dadurch den Weg frei machen für noch größere Weltraumteleskope”, sagt der Würzburger Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

„Die COSI Mission hat vielfältige Anknüpfungspunkte zum Forschungsprogramm von PRISMA+“, erläutert der Mainzer Experimentalphysiker Prof. Dr. Uwe Oberlack. „Einer von ihnen ist das Forschungsfeld der Antimaterie – mit Blick auf die Suche nach galaktischen Positronen -, ein anderer die Suche nach Dunkler Materie. Das ist deshalb spannend, da als Alternative zu schwereren hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie, sogenannten WIMPs, zunehmend auch Teilchen bei leichten Massen im MeV-Bereich als Kandidaten für diese exotische Materieform diskutiert werden. Hier wird COSI ein neues Beobachtungsfenster für die Suche nach Dunkler Materie mit Gammastrahlen öffnen. Auch die Multimessenger-Astronomie im Hinblick auf die Suche nach kosmischen Neutrinos, die wir bei PRISMA+ mit dem IceCube Experiment betreiben, könnte von der neuen Mission profitieren.“

Dr. Thomas Siegert ergänzt: „Der Würzburger Lehrstuhl für Astronomie ist mit seinen vielfältigen Arbeitsgruppen passgenau für dieses Vorhaben aufgestellt. Mit COSI können wir die Jets von Mikroquasaren untersuchen, also Doppelsterne mit einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch. So stellen wir fest, ob diese Quellen auch große Mengen an Positronen erzeugen. In Würzburg arbeiten wir gemeinsam an Jet-Modellen auf allen Größenskalen — von kleinsten schwarzen Löchern bis hin zu aktiven Galaxienkernen. Des Weiteren interessieren wir uns für die Bildung chemischer Elemente in Sternen und durch Supernovae. Diese kann mittels COSI besonders detailliert untersucht werden, da die radioaktiven Elemente charakteristische Gammastrahlen aussenden, die sich dank COSIs hoher spektraler Auflösung voneinander unterscheiden lassen. So lernen wir, warum die Verteilung der Elemente in der Milchstraße so ist, wie sie ist.“

Beim Workshop in Mainz wurden zunächst die COSI-Kollaboration und der Status der Vorbereitungen zum Beispiel im Hinblick auf die Datenanalyse vorgestellt. Anschließend diskutierten die Teilnehmer die geplanten Arbeitspakete, aktuelle Forschungsfragen und den momentanen Stand der Vorbereitung. Im Ergebnis war es ein sehr guter Start, um das COSI-Team in Deutschland zu formen und die nächsten Schritte abzusprechen. Eines ist jetzt schon klar: Der Start der Mission wird von allen Teilnehmenden mit großer Spannung erwartet.

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• Gammastrahlung

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 23. Januar 2023.

23. Januar 2023 – Die Dunkle Materie ist nach wie vor eines der größten Rätsel der modernen Physik. Es ist klar, dass es sie geben muss, denn ohne Dunkle Materie lässt sich etwa die Bewegung von Galaxien nicht erklären. Aber noch nie ist es gelungen, Dunkle Materie in einem Experiment direkt nachzuweisen. Aktuell gibt es viele Vorschläge für neue Experimente: Sie zielen darauf ab, die Dunkle Materie über ihre Streuung an Protonen und Neutronen, den Bestandteilen des Atomkerns, direkt nachzuweisen.

Ein Autorenteam, zu dem Gilly Elor, Postdoktorandin am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg Universität-Mainz sowie Robert McGehee und Aaron Pierce von der University of Michigan in Ann Arbor (USA) gehören, hat nun einen neuen Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen – und ihm den Namen HYPER, für „HighlY Interactive ParticlE Relics“, gegeben. Der Clou: Im HYPER Modell erhöht sich einige Zeit nach der Entstehung der Dunklen Materie im frühen Universum schlagartig die Stärke ihrer Wechselwirkung mit normaler Materie – was sie einerseits heute potentiell nachweisbar macht und gleichzeitig die Menge an Dunkler Materie erklären kann. Das HYPER Dark Matter Modell und den darin erstmals enthaltenen Phasenübergang stellen die Forschenden nun in der aktuellen Ausgabe des renommierten Journals Physical Review Letters vor.

Die neue Vielfalt im Dunkle Materie Sektor
Nachdem die Suche nach schweren Dunkle Materie-Teilchen, so genannten WIMPs, bisher nicht zum Erfolg geführt hat, sucht die Forschergemeinde nach alternativen, vor allem auch leichteren Dunkle Materie-Teilchen. Gleichzeitig würde man im Allgemeinen Phasenübergänge auch im dunklen Sektor erwarten, schließlich gibt es mehrere im sichtbaren Sektor. Doch bisherige Studien haben sie eher vernachlässigt. „Für den Massenbereich, den einige geplante Experimente zugänglich machen wollen, gab es bisher noch kein konsistentes Dunkle Materie Modell“, sagt Gilly Elor. „Unser HYPER-Modell zeigt nun, dass ein Phasenübergang tatsächlich dazu beitragen kann, die Dunkle Materie leichter nachweisbar zu machen.“

Die Herausforderung für ein passendes Modell: Wenn die Dunkle Materie zu stark mit normaler Materie wechselwirkt, wäre ihre (genau bekannte) Menge, die sich im frühen Universum gebildet hat, zu klein und würde astrophysikalischen Beobachtungen widersprechen. Wenn Dunkle Materie jedoch in der richtigen Menge produziert würde, wäre die Wechselwirkung umgekehrt zu schwach, um sie in heutigen Experimenten nachweisen zu können.

„Unsere zentrale Idee, die dem HYPER Modell zugrunde liegt, ist, dass sich die Wechselwirkung einmalig sprunghaft ändert – so haben wir das Beste aus beiden Welten: die richtige Menge an Dunkler Materie und eine große Wechselwirkung, so dass wir sie nachweisen können“, erläutert Robert McGehee. Und das stellen sich die Forschenden so vor: In der Teilchenphysik wird eine Wechselwirkung in der Regel über ein bestimmtes Teilchen, einen so genannten Mediator, vermittelt – so auch die Wechselwirkung von Dunkler Materie mit normaler Materie. Sowohl die Entstehung der Dunklen Materie als auch deren Detektion funktionieren über diesen Mediator, wobei die Stärke der Wechselwirkung von dessen Masse abhängt: Je größer die Masse, desto schwächer die Wechselwirkung.

Dabei muss der Mediator zunächst schwer genug sein, damit sich die korrekte Menge an Dunkler Materie bilden kann und später leicht genug, damit Dunkle Materie überhaupt nachweisbar ist. Die Lösung: Es gab nach der Entstehung der Dunklen Materie einen Phasenübergang, bei dem sich die Masse des Mediators plötzlich verkleinerte. „So wird einerseits die Masse an Dunkler Materie konstant gehalten und anderseits die Wechselwirkung derart geboostet oder verstärkt, dass Dunkle Materie direkt nachweisbar sein sollte“, berichtet Aaron Pierce.

Neues Modell deckt fast den kompletten Parameterbereich geplanter Experimente ab
Mehr noch: „Das HYPER Modell der Dunklen Materie ist in der Lage beinahe den gesamten Bereich, den die neuen Experimente zugänglich machen, abzudecken“, ergänzt Gilly Elor.

Konkret hat sich das Forscherteam zunächst überlegt, wie groß die durch den Mediator vermittelte Wechselwirkung mit den Protonen und Neutronen eines Atomkerns maximal sein kann, um im Einklang mit astrophysikalischen Beobachtungen und bestimmten teilchenphysikalischen Zerfällen zu stehen. Im nächsten Schritt galt es zu überlegen, ob es ein Modell für Dunkle Materie gibt, das diese Wechselwirkung aufweist. „Und hier kam uns die Idee des Phasenübergangs“, beschreiben die Autoren im aktuellen Artikel. „Wir haben dann die Menge an Dunkler Materie berechnet, die es im Universum gibt, und anschließend den Phasenübergang mit unseren Rechnungen simuliert.“ Dabei gibt es sehr viele Rahmenbedingungen zu beachten, zum Beispiel eine konstante Menge an Dunkler Materie. „Hier müssen wir systematisch sehr viele Szenarien bedenken und einbeziehen, zum Beispiel die Frage stellen, ob wirklich sicher ist, dass unser Mediator nicht doch plötzlich zur Bildung neuer Dunkler Materie führt, was natürlich nicht sein darf“, so Gilly Elor. „Aber am Ende konnten wir uns davon überzeugen, dass unser HYPER Modell funktioniert!“

Veröffentlichung:
Gilly Elor, Robert McGehee, Aaron Pierce, Maximizing Direct Detection with Highly Interactive Particle Relic Dark Matter, Phys. Rev. Lett. 130, 031803, 20. Januar 2023
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.031803

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• Dunkle Materie

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 4. November 2022.

Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat erstmals Beweise für die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Galaxie NGC 1068, auch bekannt als Messier 77, gefunden. NGC 1068 ist eine aktive Galaxie im Sternbild Cetus und einer der bekanntesten und am besten untersuchten Galaxien überhaupt. Sie wurde erstmals 1780 entdeckt, ist 47 Millionen Lichtjahre von uns entfernt und kann mit einem großen Fernglas beobachtet werden. Die Ergebnisse, die heute in Science veröffentlicht werden, wurden in einem wissenschaftlichen Online-Webinar vorgestellt, an dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Medien aus der ganzen Welt teilnahmen.

Die Entdeckung wurde am von der National Science Foundation unterstützten IceCube-Neutrino-Observatorium gemacht, einem gewaltigen Neutrinoteleskop, das eine Milliarde Tonnen instrumentiertes Eis in einer Tiefe von 1,5 bis 2,5 Kilometern unter der Oberfläche der Antarktis in der Nähe des Südpols umfasst. Dieses einzigartige Teleskop, das mit Hilfe von Neutrinos die entlegensten Bereiche unseres Universums erforscht, meldete die erste Beobachtung einer hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoquelle im Jahr 2018. Bei der Quelle, TXS 0506+056, handelt es sich um einen bekannten Blazar, der sich in der linken Schulter des Sternbilds Orion in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung befindet. Damals war noch eine Bestätigung durch optische Teleskope notwendig, um die Quelle sicher zu identifizieren. Diesmal wurden jedoch über einen Zeitraum von 10 Jahren genug Neutrinos von IceCube alleine entdeckt.

„Ein einziges Neutrino kann eine Quelle ausmachen. Aber nur eine Beobachtung mit mehreren Neutrinos kann den verborgenen Kern der energiereichsten kosmischen Objekte aufdecken“, erläutert dazu Francis Halzen, Physikprofessor an der University of Wisconsin-Madison und leitender Forscher von IceCube. Er fügt hinzu: „IceCube hat etwa 80 Neutrinos mit einer Energie im Bereich von Teraelektronenvolt aus NGC 1068 gesammelt, die noch nicht ausreichen, um alle unsere Fragen zu beantworten, aber sie sind definitiv der nächste große Schritt zur Verwirklichung der Neutrinoastronomie.“

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Sebastian Böser und früher Prof. Dr. Lutz Köpke vom Institut für Physik und vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gehören bereits seit 1999 dem IceCube-Konsortium an, das auch durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. „Die Herkunft von Neutrinos bis in die Tiefen des Weltalls zurückverfolgen zu können – genau hierfür wurde IceCube ursprünglich geplant. Nach dieser langen Zeit ist es ein tolles Gefühl, unsere Ziele verwirklicht zu sehen. Wir sind sehr stolz, dass wir nach einer ganzen Reihe bemerkenswerter Resultate nun auch dieses herausragende Ergebnis als Kollaboration erreicht haben“, freut sich Prof. Dr. Sebastian Böser.

Neutrinos bewegen sich ungehindert im Weltall
Anders als Licht können Neutrinos in großer Zahl aus extrem dichten Umgebungen im Universum entweichen. Sie erreichen die Erde weitgehend ungestört von Materie und elektromagnetischen Feldern, die den extragalaktischen Raum durchdringen und behalten dabei ihre ursprüngliche Flugrichtung immer bei. Obwohl Wissenschaftler die Neutrinoastronomie bereits vor mehr als 60 Jahren ins Auge gefasst haben, ist der Nachweis der geisterhaften Teilchen aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie und Strahlung äußerst schwierig. Wenn er gelingt, könnten Neutrinos jedoch der Schlüssel sein, um Einblicke in die extremsten Objekte im Kosmos zu erhalten.

Wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist auch NGC 1068 eine Balkenspiralgalaxie mit locker gewundenen Armen und einem relativ kleinen zentralen Wulst. Im Gegensatz zur Milchstraße ist NGC 1068 eine aktive Galaxie, bei der die meiste Strahlung nicht von Sternen erzeugt wird, sondern von Material, das in ein Schwarzes Loch fällt, das Millionen Mal massiver ist als unsere Sonne und sogar noch massiver als das inaktive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. NGC 1068 ist eine Galaxie vom Typ Seyfert II die aus einem solchen Winkel betrachtet wird, dass der zentrale Bereich, in dem sich das Schwarze Loch befindet, verdeckt ist. In einer Seyfert-II-Galaxie verdeckt ein Torus aus Kernstaub den größten Teil der hochenergetischen Strahlung, die von der dichten Gas- und Teilchenmasse erzeugt wird, die sich langsam spiralförmig zum Zentrum der Galaxie bewegt.

In vielen Modellen würde man erwarten, dass die Neutrinos von hoch-energetischen Gamma-Strahlen begleitet werden. Dies wurde – in Übereinstimmung mit aktuellen Modellen – aber nicht beobachtet. „Neuere Modelle der Umgebung von Schwarzen Löchern in diesen Objekten legen nahe, dass Gas, Staub und Strahlung die Gammastrahlen blockieren sollten, die sonst die Neutrinos begleiten würden“, sagt Hans Niederhausen, ein Postdoktorand an der Michigan State University und Mitglied von IceCube. „Dieser Neutrinonachweis aus dem Kern von NGC 1068 wird unser Verständnis der Umgebung von supermassiven Schwarzen Löchern verbessern.“

Im Gegensatz zur Quelle TXS 0506+056, die nur für eine kurze Zeit aktiv war, sendet NGC 1068 einen kontinuierlichen Fluss von Neutrinos. „Ich denke, NGC 1068 könnte eine Referenzgalaxie für zukünftige Neutrinoteleskope werden“, sagt daher Theo Glauch, ein Postdoktorand an der Technischen Universität München (TUM) und Mitglied von IceCube. „Sie ist ein astronomisch bereits sehr gut untersuchtes Objekt. Die Neutrinos werden es uns ermöglichen, diese Galaxie auf eine völlig andere Weise zu sehen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.“

„Dieses Ergebnis ist eine deutliche Verbesserung gegenüber einer früheren Studie über NGC 1068, die 2020 veröffentlicht wurde“, sagt Ignacio Taboada, ein Physikprofessor am Georgia Institute of Technology und Sprecher der IceCube Kollaboration. „Teils ist die Verbesserung auf optimierte Mess-Techniken , teils auf eine sorgfältige Aktualisierung der Detektorkalibrierung zurückzuführen. Die Arbeit der Teams für den Betrieb und die Kalibrierung des Detektors ermöglichte es die Neutrinorichtung besser zu rekonstruieren und so NGC 1068 genau lokalisieren zu können. Die Identifizierung dieser Quelle ist somit letztlich ein Ergebnis der harten Arbeit der IceCube-Kollaboration.“

„Das ist eine großartige Nachricht für die Zukunft unseres Fachgebiets. Es bedeutet, dass es mit einer neuen Generation von empfindlicheren Detektoren noch viel zu entdecken geben wird. Das zukünftige IceCube-Gen2-Observatorium könnte nicht nur viel mehr dieser extremen Teilchenbeschleuniger aufspüren, sondern auch ihre Untersuchung bei noch höheren Energien ermöglichen. Es ist, als ob IceCube uns eine Karte zu einer Schatzkammer übergeben hat“, sagt Marek Kowalski, leitender Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY).

Mit den Neutrinomessungen von TXS 0506+056 und NGC 1068 ist IceCube der Antwort auf die jahrhundertealte Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung einen Schritt näher gekommen. Noch interessanter ist, dass diese Ergebnisse auch darauf hindeuten, dass es noch viele weitere ähnliche Objekte gibt, die noch nicht identifiziert wurden. „Die Enthüllung des undurchsichtigen Universums hat gerade erst begonnen, und die Neutrinos werden eine neue Ära der Entdeckungen in der Astronomie einleiten“, sagt Elisa Resconi, Professorin für Physik an der TUM.

Originalartikel:
“Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068,”
The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al.
DOI:10.1126/science.abg3395
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395

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• Antarktis-Neutrinoteleskop IceCube

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität (JGU) Mainz 22. Oktober 2022.

22. Oktober 2022 – Seit 2010 sucht das IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol nach hochenergetischen Neutrinos aus dem Weltall. Das Experiment besteht aus 5.160 optischen Sensoren, den sogenannten digitalen optischen Modulen (DOMs), die bis zu 2,5 Kilometer tief in einem Kubikkilometer antarktischen Eises versenkt sind. Wenn ein Neutrino mit einem Molekül im Eis wechselwirkt, entsteht charakteristisches blaues Cherenkov-Licht. Dieses wandert durch das Eis und kann einige der DOMs erreichen, wo es nachgewiesen wird. Die Forschenden können dann die Energie und Richtung des Ursprungs-Neutrinos rekonstruieren; ein Prozess, der auf der Kenntnis der optischen Eigenschaften des Eises beruht.

Im Jahr 2013 meldete die IceCube-Kollaboration eine einzigartige Beobachtung, bei der die Helligkeit einer Lichtquelle im Eis von der Richtung des Lichts abhängt, aus der es beobachtet wird. Bislang haben Forscher versucht, diese sogenannte Anisotropie mit Variationen der durch Verunreinigungen verursachten Absorption und Streuung zu beschreiben – mit begrenztem Erfolg.

In einer aktuellen Studie, die heute bei der Zeitschrift The Cryosphere Discussions erschienen ist, berichtet die IceCube-Kollaboration erstmals über einen neuen optischen Effekt. Er ist das Ergebnis der doppelbrechenden Eigenschaften der länglichen Eiskristalle. Die neu gewonnenen Erkenntnisse flossen in ein neues, auf Doppelbrechung basierendes optisches Modell des Eises ein, welches die Interpretation der Lichtmuster, die sich aus den Teilchenwechselwirkungen im Eis ergeben, erheblich verbessert hat.

Es kommt auf die Eisstruktur an
Um frühere Versuche, die Anisotropie zu simulieren, zu verbessern, untersuchten die Forscher den Anisotropieeffekt genauer. Ihre Ergebnisse veranlassten sie zu der Annahme, dass die vielen zufällig angeordneten kleinen Kristalle, aus denen das Eis besteht – und nicht nur enthaltene Verunreinigungen – bei der beobachteten Anisotropie eine Rolle spielen.

„Dann erkannten wir, dass wir bei Annahme gekrümmter Lichtbahnen mit winzigen Ablenkungen von weniger als einem Grad pro Meter die IceCube-Daten plötzlich genau beschreiben können. Dies brachte die Dinge erst richtig ins Rollen.“, sagt Dr. Martin Rongen, Forscher am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und federführend bei der aktuellen Analyse. „Die nächste Frage war: Wie kommt diese Krümmung zustande? Die Antwort liegt in der Mikrostruktur des Eises: Denn in der Tat ergibt sich bei der Berechnung und Simulation der Lichtstreuung durch doppelbrechendes polykristallines Eis, wie es in IceCube vorkommt und wo die Kristalle im Durchschnitt entlang der Fließrichtung des Eises gestreckt sind, eine solche Ablenkung.“

Für die Studie simulierten die Forscher viele verschiedene Wege, die das Licht innerhalb des IceCube Detektors zurücklegen könnte – und legten dabei tausende unterschiedlicher Kristallkonfiguration im Eis zugrunde. Anschließend verglichen sie die simulierten Daten mit einem großen Kalibrierungsdatensatz. Dieser umfasst Daten von 60.000 LEDs, die an allen DOMs angebracht sind und konsistente Lichtpulse in das Eis aussenden. Aus dem Vergleich konnten die Forscher auf die durchschnittliche Form und Größe der Eiskristalle in IceCube schließen.

Um diese aufregende neue Entdeckung bei der Erforschung kosmischer Neutrinos nutzen zu können, erstellte die IceCube-Kollaboration neue Simulationen und passte die derzeitigen Rekonstruktionsmethoden an. Dieses neue Verständnis wird IceCube nicht nur dabei helfen, Neutrino-Wechselwirkungen noch besser zu rekonstruieren, sondern hat auch Auswirkungen auf das Gebiet der Glaziologie.

„Mich fasziniert der Gedanke, das Eis von Grund auf zu verstehen“, sagt Martin Rongen, „Eiskristalleigenschaften werden insbesondere untersucht, um die Mechanik des Eisflusses nachvollziehen zu können. Das wiederum ist Grundlage, um die antarktische Massenbilanz und den daraus resultierenden Anstieg des Meeresspiegels in einem sich ändernden Klima vorhersagen zu können.“

Originalartikel:
“In-situ estimation of ice crystal properties at the South Pole using LED calibration data from the IceCube Neutrino Observatory,” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al., The Cryosphere Discussions
https://tc.copernicus.org/preprints/tc-2022-174/

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• physikalische Grundlagenforschung
• Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“

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Quelle: JGU 21. Oktober 2022.

21. Oktober 2022 – Das anomale magnetische Moment des Myons ist eine wichtige Präzisionsgröße, um das Standardmodell der Teilchenphysik zu testen. Im letzten Jahr sorgte eine neue Messung für Aufsehen, da sie eine beträchtliche Abweichung zur theoretischen Vorhersage bestätigte: Das anomale magnetische Moment ist größer als erwartet.

Die theoretische Vorhersage berechnen Physikerinnen und Physiker auf Basis des aktuell gültigen Standardmodells der Teilchenphysik. Im Jahr 2020 hatte sich die „Myon g-2 Theorie Initiative“ – ein Zusammenschluss von 130 Physikerinnen und Physiker mit starker Mainzer Beteiligung – auf einen Wert verständigt, der seither die Bezugsgröße ist. Nun haben mehrere Gruppen – darunter die Gruppe von Prof. Dr. Hartmut Wittig vom Mainzer Exzellenzcluster PRISMA+ – neue und präzisere Berechnungen des Beitrags der starken Wechselwirkung auf Basis von Gitter QCD-Rechnungen vorgelegt und veröffentlicht. Im Ergebnis scheint sich der theoretische Wert dem Experiment anzunähern. „Wenn die Lücke zwischen theoretischer Vorhersage und Experiment tatsächlich kleiner ausfallen sollte, wäre das immer noch eine deutliche Abweichung“, ordnet Hartmut Wittig das Ergebnis ein. „Zunächst müssen wir aber vor allem verstehen, warum verschiedene theoretische Ansätze unterschiedliche Ergebnisse liefern.“

Es gibt etwas Neues zu verstehen
Mit Ausnahme der Schwerkraft tragen alle fundamentalen Wechselwirkungen zum anomalen magnetischen Moment des Myons bei. Die starke Kraft, die zwischen den elementaren Bausteinen der Materie, den Quarks, wirkt und durch Gluonen als Austauschteilchen vermittelt wird, ist besonders wichtig, um das Standardmodell zu testen. Sie trägt unter anderem in Form der hadronischen Vakuumpolarisation (HVP), bei der Quark-Antiquark-Paare ständig für Sekundenbruchteile aus dem Vakuum entstehen und wieder verschwinden, zum Magnetismus des Myons bei. „Sie ist allerdings extrem komplex und die Unsicherheit der theoretischen Vorhersage wird daher von den Effekten der starken Wechselwirkung dominiert“, erklärt Hartmut Wittig. Da die gängigen Rechenmethoden entweder nicht anwendbar sind oder bisher nicht genau genug waren, wurde der Beitrag der hadronischen Vakuumpolarisation in dem aktuellen Konsenspapier unter Zuhilfenahme experimenteller Daten bestimmt, die an verschiedenen Beschleunigern gemessen wurden.

Idealerweise möchte man hadronische Beiträge wie die HVP auf Basis der fundamentalen Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) berechnen. Dieser Ansatz kommt vollkommen ohne experimentelle Daten aus, benötigt aber ein Rechenverfahren, das die starke Wechselwirkung mathematisch exakt bei niedrigen Energien beschreiben kann. Dazu greifen die Mainzer Wissenschaftler auf die Gitterfeldtheorie zurück. Ähnlich wie in einem Kristall verteilen sie die Quarks auf die Punkte eines Raum-Zeit-Gitters. Mit numerischen Simulationsverfahren lassen sich dann die hadronischen Beiträge zum anomalen magnetischen Moment des Myons mit Supercomputern berechnen.

„Noch bis vor wenigen Jahren waren Gitter-QCD-Rechnungen aufgrund der hohen technischen Herausforderungen nicht in der Lage, die hadronischen Beiträge mit der nötigen Genauigkeit zu berechnen. Inzwischen haben wir große Fortschritte erzielt und die Methode soweit verfeinert, dass sie hinsichtlich der Präzision mit dem Ansatz, der auf experimentelle Daten zurückgreift, mithalten kann“, sagt Hartmut Wittig. In dem nun veröffentlichten Artikel rechnen sie einen Teil der hadronischen Vakuumpolarisation aus, der sich hervorragend dazu eignet, die Konsistenz verschiedener Gitterrechnungen untereinander zu prüfen und mit dem Ergebnis der traditionellen Methode unter Zuhilfenahme experimenteller Daten zu vergleichen. „Da unser Ergebnis genauso präzise wie die klassische Methode ist, können wir sagen, dass Gitter QCD Rechnungen inzwischen ihre Feuertaufe bestanden haben. Das alleine ist ein enormer Erfolg. Zudem verdichten sich die Hinweise, dass die Berechnung auf Basis der QCD in der Tat mit den kürzlich vorgestellten Ergebnissen anderer Gruppen übereinstimmen.“

Doch zurück zum anomalen magnetischen Moment des Myons: „Durch die neuen Gitter-Rechnungen verdichten sich die Hinweise, dass der Wert der theoretischen Vorhersage dichter an den gemessenen Wert heranrücken könnte. Das hat in Fachkreisen für großes Aufsehen gesorgt“, berichtet Hartmut Wittig. „Der Fokus liegt nun vor allem auf der Frage warum unterschiedliche Rechenmethoden unterschiedliche Ergebnisse liefern. Aber auch die Abweichung zwischen Theorie und Experiment verschwindet mit den neuen Rechnungen ja nicht. Egal wie man es betrachtet: Wir kommen nicht um die Tatsache herum, dass es eine erklärungsbedürftige Diskrepanz beim anomalen magnetischen Moment des Myons gibt. Für uns gibt es da noch viel Neues zu verstehen.“

Veröffentlichung:
M. Cè, A.Gérardin, G. von Hippel, R. J. Hudspith, S. Kuberski , H. B. Meyer, K. Miura, D. Mohler , K. Ottnad, S. Paul, A. Risch, T. San José, H. Wittig, Window observable for the hadronic vacuum polarization contribution to the muon g-2 from lattice QCD, arXiv:2206.06582v1 [hep-lat], https://arxiv.org/abs/2206.06582, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.06582.

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• physikalische Grundlagenforschung

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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: BASE-Kollaboration, JGU.

5. Januar 2022 – In Nature berichtet die BASE-Kollaboration am CERN über den weltweit genauesten Vergleich zwischen Protonen und Antiprotonen: Die Verhältnisse von Ladung zu Masse von Antiprotonen und Protonen sind auf elf Stellen identisch. Diese neue Messung verbessert die Genauigkeit des bisher besten Werts um mehr als einen Faktor vier. Der über einen Zeitraum von eineinhalb Jahren gesammelte Datensatz ermöglicht außerdem einen Test des schwachen Äquivalenzprinzips, das besagt, dass sich Materie und Antimaterie unter Schwerkraft gleich verhalten.

Symmetrie und Schönheit sind eng miteinander verbunden, nicht nur in der Musik, der Kunst und der Architektur, sondern auch in den grundlegenden physikalischen Gesetzen, die unser Universum beschreiben. Es ist in gewisser Weise ironisch, dass wir unsere Existenz einer gebrochenen Symmetrie in der besten fundamentalen Theorie, die es gibt, dem Standardmodell (SM) der Teilchenphysik, zu verdanken scheinen. Einer der Eckpfeiler des SM ist die Invarianz bei Umkehr von Ladung, Parität und Zeit (CPT). Auf die Gleichungen des SM angewandt, verwandelt die CPT-Transformation Materie in Antimaterie. Als Folge der CPT-Symmetrie haben Paare von Materie und Antimaterie die gleichen Massen, Ladungen und magnetischen Momente, die beiden letzteren mit entgegengesetztem Vorzeichen. Eine weitere Folge von CPT: Trifft ein Teilchen auf sein Antiteilchen, vernichten sie sich zu reiner Energie, was in zahlreichen Laborexperimenten bestätigt wurde. In diesem Sinne ist die Existenz unseres Universums keineswegs selbstverständlich. Wir haben Grund zu der Annahme, dass beim Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden sind. Warum nur die Materie übrig blieb, aus der unser Sonnensystem und die Himmelskörper im Universum bestehen, ist noch ungeklärt.

Ein weiteres heißes Thema in der modernen Physik ist die Frage, ob sich Materie und Antimaterie unter Schwerkraft gleich verhalten. In ihrem neuen Artikel vergleichen die BASE-Wissenschaftler die Ladung-zu-Masse-Verhältnisse von Antiprotonen und Protonen sowie – während des Umlaufs der Erde um die Sonne – die Ähnlichkeit von Uhren aus Antimaterie und Materie. Sie sind also beiden Fragen gleichzeitig mit einer Messung nachgegangen.

Haben Proton und Antiproton wirklich die gleiche Masse?
Für seine hochpräzisen Untersuchungen verwendete das Team um Stefan Ulmer, leitender Wissenschaftler am RIKEN in Japan und Sprecher der BASE-Kollaboration, eine Penning-Falle, also einen elektromagnetischen Behälter, der ein einzelnes geladenes Teilchen speichern und nachweisen kann. Ein Teilchen in einer solchen Falle schwingt mit einer charakteristischen Frequenz, die durch seine Masse definiert ist. „Abhören“ der Schwingungsfrequenzen von Antiprotonen und Protonen in derselben Falle ermöglicht es, deren Massen zu vergleichen. „Durch Beladen eines zylindrischen Stapels mehrerer solcher Penning-Fallen mit Antiprotonen und negativen Wasserstoffionen konnten wir einen Massenvergleich innerhalb von nur vier Minuten durchführen, also 50 Mal schneller als bei früheren Proton/Antiproton-Vergleichen anderer Gruppen“, erläutert Stefan Ulmer. „Seit unseren früheren Messungen haben wir außerdem den Versuchsaufbau technisch erheblich verbessert. Dies erhöht die Stabilität des Experiments und verringert systematische Verschiebungen in den Messwerten.“ Mit diesem optimierten Instrument hat das BASE-Team im Verlauf von eineinhalb Jahren einen Datensatz von rund 24.000 einzelnen Frequenzvergleichen erfasst. Durch Kombination aller Messergebnisse fanden die Forscher, dass das Ladung-zu-Masse-Verhältnis von Antiprotonen und Protonen identisch ist, und zwar mit einer Genauigkeit von 16 Teilen in einer Billion, also einer Zahl mit 11 signifikanten Stellen. Das verbessert die Genauigkeit der bisher besten Messung – ebenfalls von BASE – um mehr als einen Faktor vier: ein erheblicher Fortschritt in der Präzisionsphysik.

Und wie kommt nun die Schwerkraft ins Spiel?
Ein Teilchen, das in einer Penning-Falle schwingt, kann man als „Uhr“ betrachten, ein Antiteilchen als „Anti-Uhr“. Bei starker Gravitation gehen die Uhren schneller. Während der Langzeitmessung von eineinhalb Jahren war die Erde auf ihrer elliptischen Bahn unterschiedlich starker Anziehungskraft der Sonne ausgesetzt. Falls Antimaterie und Materie verschieden auf Schwerkraft reagieren, würden die Materie- und Antimaterie-Uhren entlang der Flugbahn der Erde unterschiedliche Frequenzverschiebungen erfahren. Die BASE-Wissenschaftler konnten bei der Analyse ihrer Daten aber keine derartige Frequenzanomalie feststellen. So konnten sie erstmals direkte und weitgehend modellunabhängige Grenzen für ein anomales Verhalten von Antimaterie unter Schwerkraft setzen – oder anders ausgedrückt: im Rahmen der Messgenauigkeit die Gültigkeit des schwachen Äquivalenzprinzips für Uhren bestätigen.

„Um mit noch höherer Präzision messen zu können, müssen wir die Antiprotonen aus der Beschleunigerumgebung der Antimaterie-Fabrik des CERN in ein ruhiges Labor bringen“, beschreibt Dr. Christian Smorra, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA+ der JGU und stellvertretender Sprecher der BASE-Kollaboration, die nächsten Schritte. „Dazu konstruiert das BASE-Team derzeit die transportable Antiprotonenfalle BASE-STEP.“ Zunächst ist geplant, die Antiprotonen in ein ruhiges Labor am CERN zu verlagern. Wenn das geklappt hat, können die Antiprotonen auch an andere Fallenlabore verteilt werden. „Wir werden die Transportfalle nutzen, um noch genauere Messungen mit Antiprotonen zu machen. So wollen wir sicherstellen, dass uns bei den Antiteilchen keine neue Physik durch die Lappen geht.“

Die BASE-Kollaboration besteht aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory, des European Center for Nuclear Research (CERN), des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM), der Universität Tokyo, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt, der Leibniz-Universität Hannover, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und der ETH Zürich. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Max-Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries durchgeführt.

Veröffentlichung:
M.J. Borchert et al., A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge–mass ratio, Nature, 05.01.2022,
DOI: 10.1038/s41586-021-04203-w
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04203-w

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