Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt. 27. Februar 2024.

27. Februar 2024 – Es ist Segen und Fluch zugleich: Weit oben in der Stratosphäre schützt Ozon die Erde vor übermäßiger UV-Einstrahlung, aber weiter unten ist es eine Gefahr für die Gesundheit der Menschen und für das Klima. Es bildet sich, wenn Schadstoffe wie etwa Stickoxide in der Luft mit Sonnenlicht wechselwirken. In hohen Konzentrationen reizt Ozon bei Menschen die Atemwege. Für das Klima wirkt es als schädliches Treibhausgas. Es ist daher immens wichtig, die Ozonkonzentration mit präzisen Messverfahren feinmaschig zu kontrollieren. Dazu wird die agile Zusammenarbeit zwischen Behörden, wie sie heute von vielen Bürgerinnen und Bürgern gewünscht wird, großgeschrieben: Dem Umweltbundesamt (UBA) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gelingt diese gemeinsame Qualitätssicherung der Ozonmessungen bereits seit 20 Jahren. Eine Erfolgsgeschichte, die immer wieder neue Herausforderungen meistert, wie die Experten in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts Gefahrstoffe berichten.

Ozon ist eigentlich ein Sommergas. Es bildet sich umso mehr, je intensiver die Sonne scheint. „So gesehen liegt das 20-jährige Jubiläum der Zusammenarbeit von PTB und UBA in der falschen Jahreszeit“, scherzt Jantje Kalin vom Geschäftsführungsteam des PTB-Innovationsclusters Umwelt und Klima der PTB. „Doch es ist wichtig, jetzt schon darauf hinzuweisen, dass Ozonmessungen zukünftig noch genauer werden und Ozon mit seinen schädlichen Wirkungen dadurch wieder öfter in den Fokus der Öffentlichkeit rücken könnte.“

Der Hintergrund: Der sogenannte Absorptionsquerschnitt von Ozon ist schon vor einigen Jahren neu vermessen worden. Er wird nun demnächst in alle Ozonmessungen eingehen, sodass diese genauer, aber damit auch höher werden. Der Absorptionsquerschnitt ist ein Maß für die Stärke einer Wechselwirkung zwischen Strahlung und Teilchen. In diesem konkreten Fall geht es um Ozonteilchen und die Strahlung, die bei ihrer Messung eingesetzt wird: In einem Photometer wird UV-Licht durch eine Absorptionszelle mit ozonhaltiger Luft geschickt. Die Ozonteilchen absorbieren Licht – je mehr Teilchen, desto mehr Absorption.

Durch die neue, metrologische Vermessung des Absorptionsquerschnitts werden die Messungen des Ozons genauer. Olav Werhahn, ebenfalls vom Geschäftsführungsteam des PTB-Innovationsclusters Umwelt und Klima, ergänzt: „Die Einführung des neuen Wertes zum 1. Januar 2025 wird dazu führen, dass sich weltweit alle Ozonmesswerte, die mittels Standard-Referenzphotometern bestimmt werden, schlagartig um 1,3 % nach oben ändern. Das kann zur Folge haben, dass die Grenzwerte häufiger überschritten werden.“

Dann könnte es im Sommer wieder öfter heißen: Vorsicht vor zu hohen Ozonwerten! Bitte möglichst keinen Sport im Freien treiben! Laut UBA haben die Ozon-Spitzenwerte in den letzten Jahren zwar etwas abgenommen – allerdings bei höherer Dauerbelastung. „Wenn die Grenzwerte jetzt wieder häufiger überschritten werden, tritt die Belastung durch Ozon wieder mehr ins Bewusstsein der Bevölkerung. Dies finde ich sehr wichtig, denn mit dem Bewusstsein des hohen Risikos von Ozon für die Gesundheit kann dagegen auch mehr getan werden“, erklärt Jantje Kalin. „Darum sind hochgenaue Messungen so wichtig.“
Zusammen sorgen PTB und UBA dafür, dass die Überwachung der Luftqualität in Deutschland auf einer sicheren Basis ruht. „Die Zusammenarbeit verbessert die kontinuierlichen Prüfungen der vielen entsprechenden Ozon-Messgeräte der Länder, aber auch derjenigen, die in der Industrie im Einsatz sind. Und es kommt allen Messungen weltweit zugute, denn die Referenzgeräte von PTB und UBA bringen ihre Messqualität über sogenannte Ringvergleiche in viele Länder auf allen Kontinenten“, erklärt Olav Werhahn. Das Ziel ist es, die internationale Vergleichbarkeit und die hohen Qualitätsanforderungen, wie sie in der Klimabeobachtung gebraucht werden, überall zu garantieren. Die Ergebnisse solcher Vergleiche werden vom Internationalen Büro für Maße und Gewicht (BIPM) veröffentlicht. Damit tragen die beiden Ozon-Standard-Referenzphotometer Deutschlands federführend zur Sicherstellung der Qualität internationaler Ozon-Messungen bei.

Für die PTB haben die Standard-Referenzphotometer darüber hinaus eine besondere Bedeutung. Als Gerätestandard sind sie ein Vorbild für die Entwicklung neuer optischer Gasstandards. Diese benötigen in Zukunft keine Vorkalibrierung mehr mit einem Referenzgas, sondern stützen sich wie die Ozon-Standards nur noch auf Spektraldaten sowie Messungen von Gasdruck und Gastemperatur. „Messgeräte wie die Ozon-Referenzphotometer sind die Zukunft für genaue Gasmessungen“, sagt Olav Werhahn. „Und diese werden für die Messung von Gasen immer wichtiger“.

PTB-Innovationscluster Umwelt und Klima
Sinnvolles Handeln braucht vertrauenswürdige, also qualitätsgesicherte Daten. Wer verlässliche Aussagen über Ökosysteme oder Klimaveränderungen machen will, braucht genaue Messungen. Die PTB ermöglicht solche Messungen in einzigartiger Genauigkeit und macht sie weltweit vergleichbar. Ihr Innovationscluster Umwelt und Klima ist eines von sechs übergreifenden Clustern, die die großen Fragen der Gegenwart und Zukunft im Blick haben.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Planet Erde

Der Beitrag PTB: 20 Jahre im Dienst der reinen Luft erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Forschungszentrum Jülich 10. August 2023.

10. August 2023 – Erste Messdaten werden Ende des Jahres erwartet. Mit ihrer Hilfe sollen unter anderem neue Erkenntnisse zum Klimawandel gewonnen werden.

ARCADE ist ein Mikrosatellit mit einem Volumen von etwa 27 Litern. Er trägt als wissenschaftliche Hauptnutzlast ein Fernerkundungsgerät aus Jülich, das mit einem neuartigen Spatial Heterodyne Interferometer (SHI) ausgestattet ist. Dabei handelt es sich um eine gemeinsame Entwicklung des Jülicher Instituts für Stratosphäre sowie des Instituts für Systeme der Elektronik, in die zahlreiche Student:innen des Instituts für Atmosphären- und Umweltforschung der Bergischen Universität Wuppertal eingebunden waren. Projektleiter ist Dr. Martin Kaufmann vom Institut für Stratosphäre. Das Instrument ermöglicht es, die mittlere und obere Atmosphäre (Mesosphäre und untere Thermosphäre) zu erforschen. Die gewonnenen Daten spielen eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung wertvoller Temperaturinformationen, die zu genaueren Erkenntnissen über die Dynamik der äquatorialen Breiten führen.

In Kombination mit den Daten der Compact Ionosphere Probe (CIP), einem von der National Central University in Taiwan entwickelten Gerät, werden diese Messungen Aufschluss über die Einwirkung der unteren Atmosphäre auf die Ionosphäre geben und wertvolle Informationen über Strukturen in der äquatorialen Ionosphäre liefern. Diese Erkenntnisse liefern einen wichtigen wissenschaftliche Beitrag, um die Auswirkungen des Klimawandels in dieser Region besser vorherzusagen und die Zuverlässigkeit von Satellitenkommunikationssystemen sowie die Genauigkeit von GNSS-Diensten für die Navigation verbessern zu können.

Das SHI-Projekt erhielt fachliche Unterstützung von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und wurde auch vom Europäischen Metrologie-Programm für Innovation und Forschung gefördert. Die Entwicklung von ARCADE erfolgte am Satellite Research Centre an der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur als wichtiger Bestandteil des International Satellite Program in Research and Education (INSPIRE). Neben der NTU sind auch Institutionen aus Deutschland, Taiwan, Indien und den USA an dieser faszinierenden Mission beteiligt.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• CubeSats

Der Beitrag Messgerät made in Jülich: Mit ARCADE ins All erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt 30. November 2022.

30. November 2022 – Die theoretische Beschreibung physikalischer Phänomene beruht auf einer grundlegenden Annahme: dass nämlich das Ergebnis eines Experiments nicht von seiner Ausrichtung in der Raumzeit abhängt. Einsteins Relativitätstheorie stützt sich in hohem Maße auf diese Annahme, und experimentelle Tests haben ihre Gültigkeit bisher bestätigt. Einige Theorien der Quantengravitation deuten jedoch darauf hin, dass diese Raumzeit-Symmetrie möglicherweise nicht vollständig gilt und eine kleine Verletzung experimentell beobachtet werden könnte. Ein Team der Forschungsgruppe QUEST 2 Quantenuhren und komplexe Systeme an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hat nun mit einem einzelnen gefangenen Ytterbium-Ion nach einer solchen Verletzung der Lorentz-Symmetrie gesucht. Das Ergebnis: Trotz doppelt so hoher Genauigkeit wie beim bislang besten Test fand sich kein signifikanter symmetriebrechender Effekt. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Bereits vor mehr als einem Jahrhundert haben Michelson und Morley gezeigt, dass sich Licht mit einer festen Geschwindigkeit ausbreitet, unabhängig von der Ausbreitungsrichtung. Diese sogenannte Lorentz-Symmetrie wurde später zu einem grundlegenden Prinzip in Einsteins Relativitätstheorie. Diese Theorie beschreibt die Schwerkraft erfolgreich auf makroskopischer Ebene, doch es fehlt eine Erklärung für ihr Verhalten auf quantenmechanischer Ebene. Bei dem Versuch, eine quantenkonsistente Beschreibung der Schwerkraft zu geben, wurde vorgeschlagen, dass die Lorentz-Symmetrie nicht für alle Teilchen gilt, d. h. dass sich Teilchen je nach ihrer Ausbreitungsrichtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortbewegen könnten, obwohl sie die gleiche Energie haben. Obwohl dieser Effekt am stärksten bei hohen Energien vorhergesagt wurde, kann er bei Präzisionsexperimenten mit niedriger Energie beobachtet werden – wenn er denn existiert.

Um die Lorentz-Symmetrie mit noch nie dagewesener Präzision zu untersuchen, verwendete das PTB-Team ein einzelnes kaltes gefangenes Ytterbium-Ion. Die Elektronen des Ions bewegen sich in Orbitalen, die sich in Bezug auf ein statisches Magnetfeld ausrichten, das im Labor in einer festen Richtung angelegt wird. Ihre absolute Orientierung im Universum ändert sich aber mit der Drehung der Erde. „Wenn die Lorentz-Symmetrie gebrochen würde und die Geschwindigkeit des Elektrons von der absoluten Richtung seines Orbitals abhängt, würde der Energieunterschied zwischen zwei orthogonalen, also rechtwinklig zueinander angeordneten Orbitalen periodisch mit der Rotationsfrequenz der Erde (23,9345 Stunden) variieren“, erläutert Physikerin Laura Dreissen.

Um solche kleinen, durch die Lorentz-Symmetrie verursachten Energieverschiebungen zu beobachten, müssen die viel größeren, durch Umgebungsrauschen verursachten Energieverschiebungen unterdrückt werden. In diesem Experiment wurde eine neuartige Methode angewandt, die den Quantenzustand des Ions dynamisch so manipuliert, dass es unempfindlich gegenüber Rauschen wird, während es empfindlich gegenüber Effekten bleibt, die von einer hypothetischen Lorentz-Verletzung herrühren. Das Ion konnte mehrere Sekunden lang abgefragt werden, bevor es durch Rauschen beeinflusst wurde. Damit wurde eine Weltrekord-Empfindlichkeit für einen Lorentz-Symmetriebruch-Effekt erreicht. Um nach periodischen Signalen mit der Frequenz der Erdrotation zu suchen, wurden Daten über einen Zeitraum von mehr als fünf Wochen aufgenommen. In dem Datensatz wurde keine eindeutige Signatur gefunden, aber eine Verletzung der Lorentz-Symmetrie konnte mit einer doppelt so hohen Genauigkeit wie beim vorherigen besten Test ausgeschlossen werden.

Für weitere Untersuchungen zur Gültigkeit der Lorentz-Symmetrie für Elektronen kann in Zukunft eine empfindlichere Messung durchgeführt werden, indem die Methode auf etwa 10 gefangene Ionen gleichzeitig angewendet wird.

Originalpublikation:
Laura Dreissen, Chih-Han Yeh, Henning Fürst, Kai Grensemann, Tanja Mehlstäubler: Improved bounds on Lorentz violation from composite pulse Ramsey spectroscopy in a trapped ion. Nature Communications 13, 7314 (2022).

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag Test der Raum-Zeit-Symmetrie in Atomen mit Weltrekord-Genauigkeit erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt.

29. März 2022 – Gibt es Wasser unter dem Eispanzer dreier großer Jupitermonde? War oder wäre sogar Leben möglich? Um solche Fragen zu klären, soll 2023 die ESA-Mission JUICE starten. Unter den zahlreichen Instrumenten der Jupiter-Sonde wird auch ein leistungsfähiges Radar namens RIME sein. Die Radarstrahlen sollen die Eisschichten der Monde bis in eine Tiefe von 9 km durchdringen. Jetzt wurde eine originalgroße Kopie der Antenne bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig auf Herz und Nieren getestet. Es waren, nach Simulationsrechnungen und Untersuchungen an einem kleineren Modell, die ersten Tests an einer großen Antenne – und gleichzeitig die abschließenden Tests vor ihrem Einsatz. Für die genauen Messungen der Impedanz, also des inneren Widerstandes der Antenne, nutzte die Firma SpaceTech im Auftrag von Airbus für die ESA das Antennenfreifeld der PTB. Es ist wegen seiner Größe und seiner guten Messbedingungen europaweit einzigartig.

Ein neun Meter hoher schwarzer Stab, befestigt an einem weißen Fahnenmast, ist das Objekt des Interesses. Es ist ein Monopol, und einer von zwei Armen der 16,6 m langen Dipolantenne, die letztlich an der Raumsonde montiert wird. Genau genommen ist es nur eine baugleiche Kopie. Aber seine Abmessungen und Eigenschaften entsprechen genau denjenigen der endgültigen Sende- und Empfangsantenne. Die Vermessung erfolgt mit Messgeräten, die im unterirdischen Messbunker neben der Freifläche verborgen sind. Das Radarsystem mit dem klangvollen Namen RIME (Radar for Icy Moons Exploration) arbeitet mit Radiowellen einer Frequenz zwischen 7,5 MHz und 10,5 MHz. Das entspricht Wellenlängen um die 30 Meter, also mit Kurzwelle – eher untypisch für Radar, das sonst eher mit Wellenlängen von einigen Zentimetern arbeitet. In dem unterirdischen Messplatz haben die Mitarbeiter der von der ESA beauftragten Firma SpaceTech GmbH auch die Messdaten erfasst. Der wichtigste Wert war dabei die Eingangsimpedanz, also der Fußpunktwiderstand der Antenne, gemessen in Ohm.

„Unser Antennenfreifeld ist das größte in Europa“, erklärt Thomas Kleine-Ostmann, Fachbereichsleiter bei der PTB. „Noch wichtiger: Es hat eine besonders ebene Oberfläche. Und es ist besonders frei gelegen; erst in mehr als 150 m Entfernung steht der Zaun zum angrenzenden Wohngebiet.“ Die Radarstrahlen werden also nur vom Boden, der mit einem Zinkbelag gut reflektierend gestaltet ist, zurückgeworfen, nicht aber von Gebäuden – die es ja schließlich im Weltraum auch nicht gibt. Wegen dieser guten Messbedingungen sind die SpaceTech-Mitarbeiter aus Immenstaad am Bodensee angereist; die PTB hat die Fläche für vier Tage an die Firma vermietet.

Vieles hängt daran, ob die Antenne die Erwartungen erfüllt. Daher laufen die Untersuchungen schon Jahre vor der eigentlichen Mission ab. Erst hat die ESA Simulations- und Modellrechnungen durchgeführt, dann in ihrem Testzentrum in den Niederlanden ein kleines Modell der Antenne getestet – und jetzt ist quasi das Original dran. Auch diese Messungen verliefen erfolgreich, sodass das Riesenprojekt weiter geplant werden kann.

JUICE (Jupiter ICy moons Explorer) wird die erste Raumsonde sein, die in die Umlaufbahn eines Mondes eines Planeten am äußeren Rand unseres Sonnensystems einschwenkt und ihn aus nächster Nähe analysieren wird. Dazu werden elf wissenschaftliche Hightech-Instrumente an Bord sein. Die Sonde soll 2023 starten, wird sieben Jahre und ein paar Monate für die Reise zu Jupiter brauchen und dann für 3,5 Jahre den Gasplaneten Jupiter und drei seiner insgesamt mehr als 60 Monde untersuchen. Sein Hauptziel ist der Jupitermond Ganymed, der größte Mond des Sonnensystems; er ist planetenähnlich und ein potenzieller Lebensraum. Mithilfe von JUICE will die ESA seine Oberfläche kartieren und bis tief in den Kern hinein untersuchen, woraus er besteht, ob sich seine Zusammensetzung im Laufe der Zeit verändert hat und ob es Hinweise auf Wasser gibt.

Aber auch die beiden anderen großen, eisbedeckten Jupitermonde Kallisto und Europa will die ESA mithilfe des RIME-Radarsystems unter die Lupe nehmen. Außerdem sollen die Atmosphäre, die Magnetosphäre, die Satelliten und die Ringe von Jupiter selbst untersucht werden. Davon erhofft man sich Erkenntnisse darüber, wie die Bedingungen für die Entstehung von Planeten und von Leben sind und wie unser Sonnensystem funktioniert.
es/ptb

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

Der Beitrag JUICE-Antenne der ESA bei der PTB vermessen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt.

Nach Tschernobyl wurden weltweit Netzwerke von Messstationen eingerichtet, um die Radioaktivität und Ortsdosisleistung in der Umwelt flächendeckend zu überwachen. Heute sind allein in Europa mehr als 5500 solcher Messstationen nationaler Frühwarnsysteme im Einsatz, die mit hochempfindlichen Dosimetern die Ortsdosisleistung überwachen und ihre Messdaten rund um die Uhr, im Stundentakt, an das Joint Research Center (JRC) der EU-Kommission nach Ispra (Italien) melden. Ein Großteil dieser Dosimeter wurde im Laufe der Jahre im Untertagelaboratorium für Dosimetrie und Spektrometrie (UDO) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) untersucht und kalibriert. Die Bedeutung der Überwachung der Radioaktivität in der Umwelt wurde 2011 durch die Reaktorunfälle in Fukushima Daiichi, mit massiven Freisetzungen von radioaktiven Stoffen und großflächigen Kontaminationen, noch einmal verdeutlicht. Das UDO-Labor, das inzwischen seit 30 Jahren besteht, bietet mit einem der weltweit niedrigsten Strahlungspegel in einem Messraum überhaupt beste Bedingungen für die Bestimmung der Eigenschaften von Dosimetern und Spektrometern, die heutzutage nicht nur für die Überwachung der Umweltradioaktivität und Ortsdosisleistung, sondern auch zunehmend für grundlegende Beobachtungen der Umwelt wie des Klimawandels und des Stoffkreislaufs von zentraler Bedeutung sind.

Wer ein empfindliches Dosimeter oder Spektrometer überprüfen will, braucht dazu eine Umgebung mit möglichst wenig natürlicher Strahlung (d. h. eine niedrige Ortsdosisleistung der Umgebungsstrahlung). Die bietet sich, wenn man möglichst weit in die Tiefe geht, weil die natürliche Höhenstrahlung tief untertage stark abgeschwächt ist. Und sie bietet sich insbesondere in einer Umgebung aus reinem Steinsalz (NaCl, Kochsalz), das extrem geringe natürliche Radioaktivitätskonzentrationen aufweist; sie sind mehr als hundertmal niedriger als in typischen Baumaterialien wie etwa Mauerziegeln. Aus diesen Gründen errichtete die PTB ihr Untertagelaboratorium für Dosimetrie und Spektrometrie (UDO) in 925 Metern Tiefe im Bergwerk Asse II. Am 30. April 1991 wurde es vom damaligen PTB-Präsidenten Dieter Kind zusammen mit Kollegen der Gesellschaft für Strahlenschutz (GSF), dem damaligen Betreiber des Bergwerks, dort offiziell eingeweiht. Im Jahr 2004 musste UDO wegen der zunehmenden Verfüllung der Asse allerdings auf die 490-Meter-Sohle umziehen. Und schließlich, nach Schließung des Bergwerks Asse II, fand die PTB im Jahr 2011 einen neuen Standort für ihr Labor: im Salzbergwerk Braunschweig-Lüneburg, das von der European salt company (esco) betrieben wird, in Grasleben nahe Helmstedt, in 430 Metern Tiefe. Mit einer Ortsdosisleistung von lediglich (1,4 ± 0,2) nSv/h (das entspricht ca. 2 % der mittleren Ortsdosisleistung in Deutschland über Tage) und einer sehr geringen Radon-Aktivitätskonzentration in der Luft herrschen hier ähnlich gute Bedingungen wie vormals im „UDO-Labor der Asse“. Der Betrieb von UDO II, wie das Labor seither heißt, startete im Herbst 2012 mit einem großen Messvergleich von Dosimetern aus europäischen Frühwarnsystemen.

Die Arbeiten im UDO waren durchwegs eine Erfolgsgeschichte. Hier gibt es eine auf Primärnormale rückführbare Kalibriereinrichtung für Photonenstrahlungsfelder für den Dosisleistungsbereich der natürlichen Umgebungsstrahlung (50 nSv/h bis 200 nSv/h); lange Zeit war sie weltweit die einzige Einrichtung dieser Art. Von 1998 bis 2011 verfügte UDO zudem über drei der empfindlichsten Gamma-Spektrometriesysteme in Europa, mit denen zahlreiche Proben auf deren radioaktive Nuklide (Radionuklid-Metrologie und Umweltradioaktivität) untersucht wurden. Die kleinste dabei gemessene Aktivität war die einer Vanadium-50-Probe mit etwa drei radioaktiven Zerfällen pro Tag (nachgewiesen durch ein Ereignis pro Tag im Photo-peak des Gammastrahlung-Spektrometers!). Solch eine Messung ist überhaupt nur in einer Umgebung mit sehr geringer Strahlung möglich. Nach einer Messzeit von 120 Tagen konnte die Halbwertszeit dieses Nuklides mit T½ = (2,29 ± 0,25) ¹⁰¹⁷ Jahren (10 Millionen-mal länger als das heutige Alter des Universums) genauer als jemals zuvor bestimmt werden. Die Kenntnis dieser Halbwertszeit ist wichtig für Doppel-Betazerfalls-Experimente und damit die Untersuchung der fundamentalen Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung. Messungen zur Aktivierung durch Neutronen wurden u. a. für Stahlproben aus Hiroshima, aktiviert durch den Atombombenabwurf 1945, und Tokaymura, Japan (wo 1999 ein nuklear-technischer Unfall passiert war) durchgeführt. Mit diesen Spektrometern wurde auch das Plasma des JET-Fusionsreaktors mittels Aktivierung untersucht; es waren die ersten direkten Messungen geladener Teilchen im Fusions-Plasma überhaupt. Daneben wurde die Radioaktivität von Meteoriten hochpräzise gemessen, und es gab zahlreiche zum Teil interdisziplinäre Forschungsvorhaben und Kooperationen mit Partnern aus ganz Europa.
Der Reaktorunfall in Fukushima machte deutlich, dass die Überwachung der Umgebung auf Radioaktivität und ionisierende Strahlung auch Jahrzehnte nach der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl keinen verzichtbaren Luxus darstellt. Im Gegenteil: Die Verbreitung von dosimetrischen und spektrometrischen Frühwarnsystemen hat weiter zugenommen, und auch private Initiativen („citizen science initiatives“) haben weltweit vernetzt damit begonnen, die ionisierende Strahlung in der Umwelt zu beobachten. Die Bereitstellung von rückführbaren und verlässlichen Kalibrierungen bei sehr geringen Dosisleistungen ist ein wesentliches Element der PTB mit dem Ziel der Harmonisierung der nationalen Frühwarnsysteme, der Unterstützung des radiologischen Notfallschutzes und der Weiterentwicklung der Metrologie für die Strahlenschutzgesetzgebung in Europa. Das Vertrauen der Öffentlichkeit in Messungen kann nur erreicht werden, wenn die nationalen Ortsdosisleistung-Werte an Ländergrenzen keine nennenswerten „Sprünge“ aufweisen. Nur in einer Messumgebung mit vernachlässigbarer Strahlung lässt sich hochempfindliche Strahlungsmesstechnik genau untersuchen und kalibrieren und können Elektronik- und radioaktivitätsbedingte „Eigennull-Effekte“ präzise bestimmt werden. Die PTB sorgt mit dem Betrieb dieser einzigartigen Einrichtung dafür, dass Menschen und Organisationen den staatlichen Messungen vertrauen können.

In den letzten Jahren hat die PTB mehrere europäische Forschungsprojekte mit bis zu 20 Partnerinstitutionen geleitet, bei denen die Mess- und Kalibriermöglichkeiten des UDO-Labors eine zentrale Rolle spielten. Auch in den nächsten Jahren und Jahrzehnten wird Europa ohne eine Einrichtung wie UDO im Bereich der Umweltüberwachung auf Radioaktivität (Strahlenschutzmetrologie in der Umwelt) sowie der Beobachtung des Klimawandels und seiner bestimmenden Parameter nicht auskommen.

Der Beitrag PTB: 30 Jahre Untertagelaboratorium UDO erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DESY.

28. Oktober 2019 – Heute wurde der erste von 24 supraleitenden Magneten für das internationaleForschungsprojekt ALPS II („Any light particle search“) bei DESY in Hamburg installiert. Mit diesem Magneten startet die Installation eines einzigartigen Experiments der Teilchenphysik zur Suche nach Dunkler Materie in einem Abschnitt eines Beschleunigertunnels am Forschungszentrum DESY in Hamburg. ALPS II wird nach Teilchen suchen, die Licht buchstäblich durch eine Wand scheinen lassen können und so Hinweise auf eine der größten Fragen der heutigen Physik geben können: Was sind die Eigenschaften von Dunkler Materie? „Es ist wirklich aufregend zu sehen, wie das Projekt, an dem viele von uns seit so vielen Jahren arbeiten, endlich im Tunnel Gestalt annimmt“, sagte ALPS-II-Sprecher Axel Lindner von DESY. „Wenn die Installation und Inbetriebnahme wie geplant verläuft, können wir die Messungen in der ersten Hälfte des Jahres 2021 starten.“

Die Natur der Dunklen Materie ist eines der größten Rätsel der Physik. Beobachtungen und Berechnungen der Bewegung von Sternen in Galaxien zeigen, dass es im Universum mehr Materie geben muss, als wir mit den uns heute bekannten Materieteilchen erklären können. Tatsächlich müsste die Dunkle Materie 85 % der gesamten Materie im Universum ausmachen. Allerdings wissen wir derzeit nicht, was die Bestandteile der Dunklen Materie sind. Aber wir wissen, dass sie quasi nicht mit der normalen Materie interagiert und im Wesentlichen unsichtbar ist, daher die Bezeichnung „dunkel“.

Es gibt viele Theorien, die versuchen, die Natur der Dunklen Materie und die Teilchen, aus denen sie bestehen könnte, zu erklären. Einige dieser Theorien besagen, dass die Dunkle Materie aus sehr leichten Teilchen mit sehr spezifischen Eigenschaften besteht. Ein Beispiel ist das Axion, das ursprünglich zur Erklärung von Aspekten der starken Wechselwirkung, einer der fundamentalen Naturkräfte, postuliert wurde. Es gibt auch rätselhafte astrophysikalische Beobachtungen in der Evolution von Sternensystemen, die sehr gut durch die Existenz von Axionen oder Axion-ähnlichen Teilchen erklärt werden können.

Hier setzt ALPS II an. Es wurde entwickelt, um diese Teilchen zu erzeugen und nachzuweisen. Ein starkes Magnetfeld kann Axionen dazu bringen, sich in Lichtteilchen, Photonen, umzuwandeln und umgekehrt. „Diese bizarre Eigenschaft wurde bereits im ersten ALPS I-Experiment, das wir von 2007 bis 2010 durchgeführt haben, genutzt. Trotz seiner geringen Größe erreichte es die weltweit besten Sensitivitäten für solche Experimente“, sagt Benno Willke, Leiter der ALPS- und Laserentwicklungsgruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein-Institut) und am Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover.

ALPS II wird in einem geraden Tunnelabschnitt des ehemaligen DESY-Teilchenphysikbeschleunigers HERA installiert. Vierundzwanzig supraleitende Beschleunigermagnete, zwölf auf beiden Seiten einer Wand, beherbergen zwei 120 Meter lange optische Resonatoren. Ein leistungsstarkes und komplexes Lasersystem erzeugt Licht, das durch den Resonator im Inneren des Magnetfeldes verstärkt und, so hoffen die Forscherinnen und Forscher, zu einem sehr kleinen Teil in Teilchen der Dunklen Materie umgewandelt wird. Eine lichtblockierende Barriere – eine Wand – steht vor der anderen Hälfte von ALPS II. Diese Wand ist allerdings keine Hürde für Axionen und ähnliche Teilchen, die sie leicht passieren können. Im zweiten Resonator würden die Teilchen der Dunklen Materie wieder in Licht umgewandelt. Das winzige Signal wird von speziellen Detektionssystemen erfasst.

Die mehr als 1.000fache Verbesserung der Empfindlichkeit von ALPS II wird durch die größere Länge der Magnetstrecke, aber auch durch signifikante Fortschritte in optischen Technologien ermöglicht. „Diese Fortschritte sind das Ergebnis der Arbeit an Gravitationswellen-Interferometern wie GEO600 und LIGO und zeigen auf schöne Weise, wie technologische Fortschritte in einem Bereich Fortschritte in anderen ermöglichen“, sagte Co-Sprecher Guido Müller von der University of Florida in Gainesville.

ALPS II ist auch ein Beispiel für das Recycling in der Forschung: Es nutzt nicht nur einen Tunnelabschnitt, in dem einst der Flaggschiff-Teilchenbeschleuniger von DESY untergebracht war, sondern es recycelt auch die Magnete, die bis 2007 Protonen durch den Ring trieben. Diese Magnete mussten umgebaut werden, um den ALPS-Zwecken gerecht zu werden: Die leichte Biegung, die für den Einsatz in einem Beschleunigerring nötig war, musste entfernt werden, damit sich Licht durch sie ungehindert ausbreiten kann.

Die ALPS II-Kooperation besteht aus etwa 25 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der folgenden Institute: DESY, das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein Institut) und das Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die University of Florida in Gainesville und die Cardiff University. Darüber hinaus wird die Zusammenarbeit von Partnern wie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland und dem National Institute of Standards and Technology in den USA unterstützt. Das Experiment wird hauptsächlich von DESY, der Heising-Simons Foundation, der US National Science Foundation, der Deutschen Volkswagenstiftung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert.

Bei DESY könnte ALPS II nur das erste Experiment innerhalb eines neuen strategischen Ansatzes auf der Suche nach der Dunklen Materie sein. „Internationale Kooperationen bereiten das IAXO-Experiment zur Suche nach den von der Sonne emittierten Axionen sowie den MADMAX-Detektor vor, der direkt nach Axionen als Bestandteilen der uns umgebenden lokalen dunklen Materie fahndet“, erklärte Joachim Mnich, Direktor für Teilchenphysik bei DESY.

Partnerinstitute und Geldgeber
Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)Institute for Gravitational Physics at Leibniz Universität of Hannover

Johannes Gutenberg-Universität MainzUniversity of Florida in Gainesville

Cardiff UniversityPhysikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

National Institute of Standards and Technology (NIST)Heising-Simons Foundation

National Science FoundationVolkswagen Stiftung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Der Beitrag Neuer Meilenstein auf der Suche nach Dunkler Materie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.