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

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• AstroGeo Podcast
• Urknall

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

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

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

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• AstroGeo Podcast
• Gamma Ray Bursts

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Der hellste Gammablitz aller Zeiten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

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

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• AstroGeo Podcast
• Das Erdmagnetfeld

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Das rätselhafte Erdmagnetfeld – vom Kompass zum Supercomputer erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

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

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• AstroGeo Podcast
• Unsere Sonne

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Fehlende Neutrinos – als die Sonne kaputt war erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag Weltrekord: Dünnsten Pixel-Detektor installiert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Rostock 1. Dezember 2022.

1. Dezember 2022 – Forschenden der Universität Rostock ist es gelungen, in einem unscheinbaren Stück Glas einen Schaltkreis für Licht entstehen zu lassen. Damit konnten sie grundlegende Eigenschaften aus der Welt der Elementarteilchen in einem System, das ausschließlich auf Licht basiert, nachbilden. Diese Entdeckung wird nun vom renommierten Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Um zu erkunden, was die Welt im Innersten zusammenhält, fahren Physikerinnen und Physiker üblicherweise große Geschütze auf: Kilometerlange unterirdische Beschleunigerringe lassen winzige Teilchen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallen, wobei unvorstellbar große Energiemengen freigesetzt werden. Aus den Überresten dieser Kollisionen versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Erkenntnisse über die fundamentalen Kräfte unseres Universums zu erlangen. Seit den 1970er Jahren wurde auf diese Weise nach und nach ein regelrechter Teilchenzoo von Elementarteilchen untersucht. Darin finden sich unter anderem so genannte Quarks-Teilchen – dabei handelt es sich um Bausteine von Protonen und Neutronen, die wiederum für den Aufbau von Atomen essentiell sind. Quarks unterscheiden sich von anderen Teilchen durch ihre seltsamen Eigenschaften, die gänzlich eigenen Gesetzmäßigkeiten unterliegen und in keiner anderen Form von Materie wieder zu finden sind.
Denn während es nur eine Art von elektrischer Ladung gibt, die sich abhängig von ihren Vorzeichen anziehen oder abstoßen, funktioniert die Welt der Quarks völlig anders, wie Professor Stefan Scheel, Gruppenleiter der Arbeitsgruppe Quantenoptik makroskopischer Systeme der Universität Rostock, zu berichten weiß: „Das Ungewöhnliche an Quarks ist, dass sie neben der elektrischen Ladung auch eine so genannte Farbladung besitzen, von der es nicht nur eine, sondern gleich drei Sorten gibt: rot, grün und blau.“

Licht und ein unscheinbares Stück Glas
Genau diese Farbladung ist es, die eine direkte Beobachtung von Quarks in ihrem natürlichen Umfeld so schwierig macht. Dem Rostocker Team am Institut für Physik ist es nun gelungen, die grundlegenden Symmetrieeigenschaften der Quarks mit Hilfe von Licht nachzubilden. Professor Alexander Szameit, Gruppenleiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Festkörperoptik der Universität Rostock, erklärt den experimentellen Ansatz: „Wir nutzen ultraintensive Laser, um in einem unscheinbaren Stück Glas einen Schaltkreis für Licht entstehen zu lassen. In einem solchen so genannten photonischen Chip lassen sich dann hochkomplexe Phänomene modellieren, beispielsweise die Farbladung von Quarks.“

Um die drei Farbladungen zu simulieren, griffen die Rostocker in die Trickkiste der Quantenoptik: Lichtteilchen (sogenannte Photonen) zeichnen sich nicht nur dadurch aus, dass sie sich an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten können – es können auch mehrere von ihnen zur gleichen Zeit am selben Ort sein. „Durch diese Eigenschaft können wir so genannte Holonomien erzeugen, indem wir Photonen durch den photonischen Chip schicken. Solche Holonomien haben äußerst spannende Eigenschaften. Zum Beispiel hängen sie überhaupt nicht von der Zeit ab; und das ist in der Physik etwas sehr Außergewöhnliches“, erklärt Vera Neef, eine Hauptautorin der Arbeit, die sich in ihrer Doktorarbeit mit Quantenoptik befasst. Julien Pinske, der zweite Hauptautor der Arbeit und Doktorand der theoretischen Physik, ergänzt: „Um nun die drei Farbladungen zu simulieren, haben wir eine dreidimensionale Holonomie erzeugt, was bisher nur in solchen künstlich erzeugten Licht-Systemen möglich ist. Das ist nichts, was in unserer Alltagserfahrung vorkommt.“

Von ihrer weltweit ersten experimentellen Realisierung eines solchen Effekts erhoffen sich die Forschenden tiefere Einblicke in die faszinierende Welt der roten, grünen und blauen Quarks-Teilchen. Jenseits der Grundlagenforschung versprechen die so gewonnenen Erkenntnisse wesentliche Verbesserungen im Bereich der Quantentechnologien, insbesondere bei einer neuen Generation von Quantencomputern, die weitaus stabiler laufen als ihre Vorgänger.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des SFB LiMaTi und der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung gefördert.

Originalveröffentlichung:
Neef, Vera; Pinske, Julien, et. al. „Three-dimensional non-Abelian quantum holonomy”, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01807-5, https://www.nature.com/articles/s41567-022-01807-5.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag Universität Rostock: Quantenoptik im Glas erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 1. November 2022.

Frankfurt, 1. November 2022 – Wenn einem massereichen Stern der Brennstoff ausgeht und dieser als Supernova explodiert, kann ein extrem kompaktes Objekt, ein sogenannter Neutronenstern, zurückbleiben. Neutronensterne sind außerordentlich dicht: Um die Dichte in einem Neutronenstern zu erreichen, müsste man unsere Sonne auf den Durchmesser einer Stadt wie Frankfurt zusammendrücken. Im Jahr 2017 konnten erstmals die kleinen Krümmungen in der Raumzeit – sogenannte Gravitationswellen, die bei der Kollision solch kompakter Sterne entstehen – auf der Erde gemessen werden.

Die Zusammensetzung des heißen und dichten Produkts dieser Kollisionen ist jedoch noch nicht genau bekannt. Es wird vermutet, dass etwa Quarks, die sonst in Neutronen gefangen sind, nach der Kollision in freier Form auftreten können. Ein Forschungsteam um Dr. Christian Ecker vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt und Dr. Matti Järvinen und Dr. Tuna Demircik vom Asia Pacific Center für Theoretische Physik in Pohang, Südkorea, hat nun ein neues Modell entwickelt, um der Antwort auf diese Frage einen Schritt näher zu kommen. Darin erweitern sie Modelle aus der Kernphysik, die bei hohen Dichten ihre Aussagekraft verlieren, mit einer Methode aus der Stringtheorie, die den Übergang zu dichter und heißer Quarkmaterie beschreiben kann. “In unserer Methode verwenden wir einen mathematischen Zusammenhang aus der Stringtheorie, nämlich die Korrespondenz zwischen fünfdimensionalen schwarzen Löchern und stark wechselwirkender Materie, um den Phasenübergang zwischen dichter Kern- und Quarkmaterie zu beschreiben”, erklären Dr. Demircik und Dr. Järvinen.

”Wir haben das neue Modell bereits in Computersimulationen verwendet, um damit das Gravitationswellensignal dieser Kollisionen zu berechnen und gezeigt, dass dabei sowohl heiße also auch kalte Quarkmaterie entstehen kann”, erläutert Dr. Ecker, der diese Simulationen in Zusammenarbeit mit den Doktoranden Samuel Tootle und Konrad Topolski aus dem Arbeitskreis von Prof. Luciano Rezzolla an der Goethe-Universität Frankfurt umgesetzt hat.

Als nächstes hoffen die Forscher*innen ihre Simulationen mit zukünftig gemessen Gravitationswellen aus dem Weltall vergleichen zu können, um somit weitere Erkenntnisse über Quarkmaterie in Neutronensternkollisionen zu gewinnen.

Publikation:
Dense and Hot QCD at Strong Coupling, Tuna Demircik, Christian Ecker, and Matti Järvinen, Phys. Rev. X 12, 041012 – Published 31 October 2022, https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041012, pdf: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.12.041012.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

Der Beitrag Dichter geht’s nicht: Neues Modell für Materie in Neutronensternenkollisionen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

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

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

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

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

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

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Teilchenumwandlung

Der Beitrag JGU: Neue Einblicke in die Struktur des Neutrons erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Bonn.

18. August 2021 – Eine internationale Studie unter Federführung der Universität Bonn hat in Beschleuniger-Daten Hinweise auf einen lang gesuchten Effekt gefunden. Die sogenannte „Dreiecks-Singularität“ beschreibt, wie Teilchen durch den Austausch von Quarks ihre Identität ändern und dabei ein neues Teilchen vortäuschen können. Der Mechanismus gibt auch neue Einblicke in ein Rätsel, das Teilchenphysiker schon lange umtreibt: Protonen, Neutronen und viele andere Teilchen sind viel schwerer, als man erwarten würde. Ursache sind Eigenheiten der starken Wechselwirkung, die die Quarks zusammenhält. Die Dreiecks-Singularität könnte dabei helfen, diese Eigenschaften besser zu verstehen. Die Publikation ist nun in den Physical Review Letters erschienen.

Die Forschenden analysierten in ihrer Studie Daten aus dem COMPASS-Experiment am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf. Darin werden bestimmte Teilchen, Pionen genannt, auf extrem hohe Geschwindigkeiten gebracht und auf Wasserstoff-Atome geschossen.

Pionen bestehen aus zwei Bausteinen, einem Quark und einem Anti-Quark. Diese werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten, ähnlich wie zwei Magnete, deren Pole sich anziehen. Wenn man Magnete voneinander entfernt, nimmt die Anziehung zwischen ihnen sukzessive ab. Bei der starken Wechselwirkung ist das anders: Sie steigt mit zunehmendem Abstand an, ähnlich wie die Zugkraft eines sich dehnenden Gummibands.

Der Aufprall des Pions auf den Wasserstoff-Kern ist jedoch so stark, dass dieses Gummiband reißt. Die in ihm gespeicherte „Dehnungs-Energie“ wird dabei auf einen Schlag frei. „Diese wird in Materie umgewandelt, wodurch neue Teilchen entstehen“, erklärt Prof. Dr. Bernhard Ketzer vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. „Mit derartigen Experimenten können wir also wichtige Informationen über die starke Wechselwirkung gewinnen.“

Ungewöhnliches Signal

Im Jahr 2015 registrierten die COMPASS-Detektoren nach einem solchen Crashtest ein ungewöhnliches Signal. Es schien darauf hinzudeuten, dass bei dem Zusammenprall für wenige Sekundenbruchteile ein exotisches neues Teilchen entstanden war. „Normalerweise bestehen Teilchen entweder aus drei Quarks — dazu zählen etwa die Protonen und Neutronen — oder aber wie die Pionen aus einem Quark und einem Antiquark“, sagt Ketzer. „Dieser neue kurzlebige Zwischenzustand schien dagegen aus vier Quarks zu bestehen.“

Zusammen mit seiner Arbeitsgruppe und Kollegen der TU München hat der Physiker die Daten nun einer neuen Analyse unterzogen. „Dabei konnten wir zeigen, dass sich das Signal auch anders erklären lässt — nämlich durch die besagte Dreiecks-Singularität“, betont er. Dieser Mechanismus wurde bereits in den 1950er Jahren vom russischen Physiker Lew Dawidowitsch Landau postuliert, bislang aber noch nicht direkt nachgewiesen.

Demnach entstand bei der Teilchenkollision keineswegs ein Vierer-Quark, sondern ein ganz normales Quark-Antiquark-Zwischenprodukt. Dieses zerfiel aber direkt wieder, allerdings auf ungewöhnliche Weise: „Dabei tauschten die beteiligten Partikel Quarks aus und änderten ihre Identität“, sagt Ketzer, der auch Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich „Bausteine der Materie und fundamentale Wechselwirkungen“ (TRA Matter) ist. „Das resultierende Signal sieht dann exakt so aus wie das von einem Vierer-Quark mit einer anderen Masse.“ Es ist das erste Mal, dass eine solche Dreiecks-Singularität direkt als vermeintliches neues Teilchen in diesem Massenbereich nachgewiesen wurde. Interessant ist das Ergebnis auch deshalb, weil es neue Einblicke in die Natur der starken Wechselwirkung erlaubt.

Nur ein kleiner Teil der Proton-Masse ist durch Higgs-Mechanismus erklärbar

Protonen, Neutronen, Pionen und andere Teilchen (die sogenannten Hadronen) haben eine Masse. Sie wird ihnen durch den sogenannten Higgs-Mechanismus verliehen, aber offensichtlich nicht ausschließlich: Ein Proton ist rund 20 Mal massereicher, als man es allein mit dem Higgs-Mechanismus erklären kann. „Der Großteil der Masse der Hadronen kommt durch die starke Wechselwirkung zustande“, erklärt Ketzer. „Wie genau die Massen der Hadronen zustandekommen, ist allerdings noch nicht geklärt. Unsere Daten helfen uns, die Eigenschaften der starken Wechselwirkung besser zu verstehen – und vielleicht auch, auf welche Weise sie zur Masse von Teilchen beiträgt.“

Förderung:

Die Studie wurde unter anderem aus Mitteln des BMBF, des DFG-Exzellenzclusters „Ursprung und Struktur des Universums“, der EU (im Rahmen ihres 7. Forschungsrahmenprogramms) sowie von Fördereinrichtungen in Tschechien, Frankreich, Indien, Israel, Italien, Japan, Polen, Portugal, Russland, Taiwan und den USA finanziert.

Publikation:

G. D. Alexeev u.a.: Triangle singularity as the origin of the a1(1420); Physical Review Letters 127, 082501 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.082501

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Teilchenumwandlung

Der Beitrag Verwandlung im Teilchenzoo erschien zuerst auf Raumfahrer.net.