Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT 12. Juni 2024.

12. Juni 2024 – Die Gravitationswellen entstehen zum Beispiel, wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren. Im zukünftigen Gravitationswellendetektor, dem Einstein-Teleskop, wird dafür die neueste Lasertechnologie genutzt werden.

Wie das Universum Gold macht
Im Sommer 2017 gab es für Astronomen einen extrem aufregenden Tag: Am 17. August registrierten drei Gravitationswellendetektoren ein neues Signal. Sofort wurden hunderte Teleskope auf der ganzen Welt auf den vermuteten Ursprungsort ausgerichtet und tatsächlich sah man dort einen aufleuchtenden Himmelskörper. Zum ersten Mal war es gelungen, die Kollision von zwei Neutronensternen sowohl als Gravitationswelle als auch optisch zu erfassen.

Neutronensterne sind etwas ganz Besonderes im Universum: Sie sind ausgebrannte Sterne, die schon lange nicht mehr leuchten. Sie wiegen etwas mehr als unsere Sonne, quetschen ihre Masse aber in eine Kugel von weniger als 20 km Durchmesser. Die Wucht bei ihrem Zusammenstoß ist so groß, dass Atomkerne zerrissen werden. Gigantische Mengen von Massen werden ausgestoßen und schwere Atome wie Gold können entstehen.

»Im Vergleich zur Masse der Neutronensterne ist es nicht viel Gold, das da entsteht – nur ein paar Mondmassen«, erklärt schmunzelnd Professor Achim Stahl, ein Astrophysiker von der RWTH Aachen University. »Aber die Forschung ist sich ziemlich sicher, dass das meiste Gold im Universum bei solchen gigantischen Explosionen entstanden ist.« Der goldene Ring, den wir am Finger tragen, hat also schon galaktische Geschichte erlebt.

Gravitationswellendetektoren eröffnen ein neues Kapitel in der Astronomie
Dank der Gravitationswellendetektoren wissen wir schon jetzt mehr über die Kollisionen von Neutronensternen. Für galaktische Verhältnisse sind das sehr schnelle Prozesse. Früher hat man mit viel Glück einen Gammablitz von weniger als einer Sekunde registriert. Wenn schwarze Löcher kollidieren, ist das mit den aktuellen Gravitationswellendetektoren messbare Signal sehr kurz. Etwas mehr als 0,2 Sekunden lang war das Signal der ersten Gravitationswelle, die 2015 gemessen wurde. Solche Wellen entstehen, wenn ultraschwere Objekte im Universum umeinanderkreisen und dann kollidieren.

Das im Sommer 2017 detektierte Signal war 100 Sekunden lang, womit sofort klar war, dass das etwas Neues sein musste. Kurz nach dem Ende des Gravitationssignals konnte der Gammablitz aufgezeichnet werden, später wurde das Nachglühen der Explosion in verschiedenen Wellenlängenbereichen beobachtet und Spuren schwerer Elemente wie Gold und Platin nachgewiesen. Das Ereignis wurde als Kollision zweier Neutronensterne identifiziert. Mit der gleichzeitigen Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen wurde ein neues Kapitel in der beobachtenden Astronomie begonnen. »Tatsächlich war das optische Signal entscheidend, um den Stern am Himmel zu finden«, erklärt der Astrophysiker Stahl den Vorteil.

Unsere »Ohren« zum Universum
Über Jahrhunderte hat sich die Astronomie auf Beobachtungen von sichtbarer Strahlung beschränkt. Mit dem besseren Verständnis des elektromagnetischen Spektrums kamen viele neue Beobachtungsmethoden hinzu, Radiowellen wurden aufgezeichnet und über Berechnungen und Simulationen wurde das Wissen der Menschheit deutlich erweitert.

Als Albert Einstein vor gut hundert Jahren seine allgemeine Relativitätstheorie postulierte, entstand auch der Gedanke, dass es Wellen geben könnte, die nichts mit dem elektromagnetischen Spektrum zu tun haben. Ähnlich wie eine Schallwelle sollten sie einen Probekörper in großem Abstand noch etwas »wackeln« lassen. Große beschleunigte Massen sollten solche Wellen durch den Raum schicken. Auf der Erde ist das Wackeln, das die Gravitationswellen verursachen, allerdings so schwach, dass die Bewegung wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Atoms ist. Inzwischen ist es tatsächlich gelungen, Gravitationswellen zu messen. Für Astronomen ist das ein neues Zeitalter.

Möglich wird das durch sogenannte Laserinterferometer. Sie bestehen aus zwei Armen mit Spiegeln an den Enden. Ein Laserstrahl kommt in das Interferometer und wird an einem Strahlteiler in der Mitte geteilt. Er läuft zu den Endspiegeln in den zwei Armen und wieder zurück zum Strahlteiler. Ändert sich die Position des Spiegels am Ende eines Arms, variiert die Laufzeit des jeweiligen Laserstrahls um einen winzigen Betrag. Dieser Betrag lässt sich messen, indem man den Laserstrahl vom betroffenen Spiegel mit einem Laserstrahl aus dem anderen Interferometerarm vergleicht, bei dem der Spiegel nicht bewegt wurde.

Die Präzision dieser Messung in den aktuellen Gravitationswellendetektoren ist auch für Physiker immer wieder erstaunlich: »Wir messen auf weniger als einem Zweitausendstel Protonendurchmesser genau«, erklärt Professor Stahl. Zu Erinnerung: Protonen sind die Bestandteile von Atomkernen. »Es ist schon ironisch, dass wir für den Nachweis der größten Ereignisse im Universum, der Vereinigung von schwarzen Löchern, eine Präzision brauchen, die sich an den kleinsten uns bekannten Teilchen misst«, ergänzt er nachdenklich.

Erste Versuche, Gravitationswellen zu messen, gab es schon in den 1960er Jahren. Aber erst die aktuelle zweite Generation von Laser-Messgeräten schafft die extreme Genauigkeit und hat inzwischen etwa 100 Kollisionen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen detektiert.

Das Einstein-Teleskop
Professor Stahl gehört der deutschen Einstein-Teleskop-Community an und arbeitet derzeit an der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren. Messgeräte dieser dritten Generation sollen noch zehn Mal empfindlicher sein als die derzeit genutzten. Nach dem Begründer der allgemeinen Relativitätstheorie wurde das geplante Gravitationswellenobservatorium »Einstein-Teleskop« genannt. »Wir wollen damit einen tausendfach größeren Bereich des Universums auf Gravitationswellen untersuchen. Und wir sollten dann erheblich mehr Quellen finden, für die die aktuellen Instrumente nicht empfindlich genug sind«, erklärt der Astrophysiker. Das betrifft dann auch noch schwerere Objekte, die Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen abstrahlen.

Das Einstein-Teleskop soll aus drei ineinander verschachtelten Detektoren bestehen. Zu jedem dieser Detektoren gehören zwei Laserinterferometer mit 10 km langen Armen. Damit möglichst viele Störungen abgeschirmt werden, soll das Observatorium 250 m unter der Erde gebaut werden.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler denken aber schon viel weiter: »Das Einstein-Teleskop wird zusammen mit einer neuen, innovativen Generation von Observatorien im elektromagnetischen Spektrum arbeiten, die den Bereich von Radio- bis zu Gammastrahlen abdecken. Wir nennen das Multimessenger-Astronomie«, beschreibt Professor Stahl die Vision. »Neben den ›Ohren‹ für die Gravitationswellen haben wir dann auch ›Augen‹, die ganz verschiedene Signale erfassen. Zusammen liefern diese dann eine Live-Übertragung kosmischer Ereignisse, wie sie noch niemand je gesehen hat.«

Bislang konnte man auf gut Glück den Himmel beobachten und auf einen kurzen Blitz hoffen. Die Gravitationswellendetektoren laufen in Zukunft ständig und »hören«, wenn ein Signal erscheint. Wenn mehrere solche Detektoren das Signal erfassen, kann seine Ursprungsregion berechnet und andere optische Teleskope darauf ausgerichtet werden. So wie bei der Neutronensternkollision im Sommer 2017 sind dann mehrere systematische Messungen möglich. Die Wissenschaft verspricht sich davon viele neue Erkenntnisse, zum Beispiel über das frühe Universum oder über solche Kollisionen, in denen alle Elemente gebildet wurden, die schwerer sind als Eisen.

Detektoren in Europa und der ganzen Welt
So komplexe Messungen setzen eine globale Zusammenarbeit voraus. Dementsprechend wird auch in den USA ein Detektorkonzept der dritten Generation entwickelt: Der »Cosmic Explorer« wird mit dem Einstein-Teleskop ein globales Detektornetz bilden. Die Europäer haben das Einstein-Teleskop 2021 in die Roadmap des European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI) aufgenommen. ESFRI wurde 2002 gegründet, damit nationale Regierungen, die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Europäische Kommission gemeinsam ein Konzept für Forschungsinfrastrukturen in Europa entwickeln und unterstützen können.

Mit der Aufnahme in die ESFRI Roadmap ist das Einstein-Teleskop in die Vorbereitungsphase eingetreten. Das Budget wurde auf 1,8 Milliarden Euro geschätzt. Etwa 40 Millionen Euro soll der Betrieb pro Jahr kosten. Der Baubeginn ist für 2026 geplant, die Beobachtungen sollen 2035 beginnen.

Gegenwärtig laufen Studien, um eine Standortauswahl zu treffen. Eine Entscheidung wird für 2024 erwartet. Zwei mögliche Standorte werden derzeit untersucht: einer auf Sardinien und einer in der Euregio Maas-Rhein im Dreiländereck Deutschland-Belgien-Niederlande. Bei der Bewertung der Standorte müssen die Durchführbarkeit des Baus berücksichtigt und die Auswirkungen der örtlichen Umgebung auf die Empfindlichkeit und den Betrieb des Detektors vorhergesagt werden.

Für die betreffende Region verspricht das Projekt einige Vorteile: Ein Großteil der Kosten von 1,8 Milliarden geht in Baumaßnahmen. Drei mal zehn km Tunnel und zwölf mal zehn km Vakuumrohre werden gebraucht, um nur zwei Beispiele zu nennen. Schon jetzt ist eine Vielzahl an Firmen an dem Projekt beteiligt.

An der eigentlichen Messapparatur arbeitet bereits ein großes Team an verschiedenen Standorten. Neben der RWTH Aachen University betrifft das in Aachen auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Dort entwickelt man derzeit neue Laser, ohne die die neuen Messungen nicht machbar wären. »Was wir hier für den potenziellen Einsatz im Einstein-Teleskop entwickeln, ist in dieser Ausführung einzigartig und ausschließlich zur Messung von Gravitationswellen gedacht«, bestätigt Dr. Patrick Baer vom Fraunhofer ILT, der als Research Unit Leiter in der Einstein-Teleskop Community Forschungsgruppen der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Produktionstechnologie IPT sowie der Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen University vertritt. »In einer vereinfachten Ausführung kann die für diesen Einsatzbereich entwickelte Lasertechnologie allerdings auch für andere Anwendungen z.B. in der Quantentechnologie interessant sein. Aber auch für die Entwicklung von Lasern in der Medizintechnik kann das erlangte Wissen hilfreich sein: die Wellenlänge von 2 µm ist beispielsweise für das Zertrümmern von Nieren- und Blasensteinen geeignet.« Letztlich ist es das, was das Fraunhofer ILT seit seiner Gründung macht: High-end-Laser aus der Forschung für Anwendungen in der Industrie fit machen.

Aktuell ist die Finanzierung noch nicht vollständig gesichert. In den nächsten zwei Jahren erwartet Professor Stahl eine endgültige Entscheidung. Dann kommen die Planer, die Tunnelbauer und am Ende die Laserphysiker. »Ich schätze, dass wir 2035 die ersten Messungen vornehmen können.«

Was fasziniert einen Forscher wie Achim Stahl? »Mit Gravitationswellen können wir sehr viel weiter hinausblicken als mit normalen Teleskopen« erklärt der Astrophysiker. »Weiter hinausschauen heißt in der Astrophysik vor allem, in der Zeit zurückzuschauen. Mit dem Einstein-Teleskop werden wir Signale aus der Zeit empfangen, wo sich die Galaxien formierten und die ersten Sterne bildeten. Das geht weiter zurück, als es mit optischen Mitteln möglich ist. Und wir werden mit den Gravitationswellen kosmische Explosionen live hören, bevor wir sie sehen.« Die empfindlicheren Detektoren des Einstein-Teleskops werden die Signale früher »hören« und den anderen Teleskopen mehr Zeit lassen, um sich auszurichten. Früher war es eher ein glücklicher Zufall, so ein Ereignis zu sehen. Jetzt sind erstmals systematische Messungen möglich. Da brechen spannende Zeiten an – nicht nur für Astrophysiker.

Die Arbeit wurde zum Teil von Interreg EMR, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), und zum Teil vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen unterstützt.

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• Gravitationswellen

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Quelle: RWTH 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Das Euclid-Konsortium veröffentlicht heute die ersten wissenschaftliche Arbeiten, die auf Beobachtungen des Euclid-Teleskops basieren. Forschende des Euclid-Konsortiums beobachteten und analysierten während der Early Release-Observationsphase eine Reihe wissenschaftlich interessanter Ziele. Sie geben einen Einblick in das beispiellose Potenzial des Teleskops, das die Aufgabe hat, die umfassendste und genaueste Karte unseres Universums zu erschaffen. An dem Großprojekt sind Professor Julien Lesgourgues und Dr. Santiago Casas vom Lehrstuhl für Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie und Institut für Theoretische Teilchenphysik und Kosmologie (TTK) der RWTH Aachen beteiligt.

„Diese erste beeindruckende Veröffentlichung von Euclid-Bildern bestätigt, dass die Mission in den kommenden Jahren in der Lage sein wird, eines ihrer Hauptziele zu erreichen: einen riesigen Katalog von Bildern von etwa einer Milliarde Galaxien erstellen – der größte Galaxienbildkatalog, der jemals kreiert wurde. Mit einem solchen Katalog werden wir in der Lage sein, den detaillierten Entstehungsprozess großer Strukturen unseres Universums – zum Beispiel Galaxienhaufen, kosmische Filamente und riesige Leerräume – während der letzten Milliarden Jahre zu verstehen“, erklärt Professor Lesgourgues.

Einsichten in die Verteilung der dunklen Materie – und vieles mehr
Zehn wissenschaftliche Publikationen präsentieren nun spannende Ergebnisse zur Entdeckung frei schwebender, neu entstandener Planeten sowie neuer Zwerggalaxien und Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit, zur Population von Kugelsternhaufen in der Nähe von Galaxien, zur Verteilung der dunklen Materie und des Lichts in Galaxienhaufen oder zu sogenannten gelinsten Galaxien mit hoher Rotverschiebung (high-redshift magnified lensed galaxies). Ebenso veröffentlicht das Konsortium heute weitere technische Informationen zur Mission, die die herausragenden Fähigkeiten von Euclid bestätigen sollen.

„Für mich als theoretischen Kosmologen ist es besonders spannend, dass wir nun in der Lage sein sollten, die Masse der leichtesten bekannten Teilchen, der Neutrinos, zu bestimmen und die Eigenschaften der beiden geheimnisvollsten Bestandteile des Universums, der dunklen Materie und der dunklen Energie, besser zu verstehen. Tatsächlich sind Neutrinos, dunkle Materie und dunkle Energie im Universum sehr häufig, und ihre Eigenschaften – wie eben die Masse von Neutrinos – bestimmen die Art und Weise, wie sich diese großen Strukturen bilden“, erläutert Lesgourgues. „Um die Masse von Neutrinos oder die Eigenschaften von dunkler Materie und dunkler Energie zu bestimmen, müssen wir die realen Daten mit vielen Computersimulationen des Universums vergleichen, die unter verschiedenen Annahmen durchgeführt wurden.“

Simulationen spielen für die Forschungsgruppe Kosmologie der RWTH Aachen eine wichtige Rolle. Die Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln Simulationscodes und stellen diese der internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Sie zeigen, wie das großräumige Universum unter anderem von den Eigenschaften der Neutrinos, der dunklen Materie und der dunklen Energie abhängt.

„Diese Instrumente werden eine wesentliche Rolle beim Vergleich zwischen den kosmologischen Modellen und den Beobachtungen von Euclid spielen. Wir haben uns seit vielen Jahren auf die Analyse der Euclid-Daten vorbereitet und freuen uns sehr darüber, dass die Satelliteninstrumente so gut funktionieren wie erwartet“, fügt Dr. Santiago Casas hinzu. „Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Bayes’sche Parameterschätzung, bei der wir hochentwickelte statistische Methoden einsetzen, um die Parameter unseres Modells an die Beobachtungsdaten anzupassen. Diese Methoden sind sehr rechenintensiv, so dass wir für Teile dieser Berechnungen auf das RWTH High Performance Computing Cluster zurückgreifen. Indem wir verschiedene Szenarien simulieren und unterschiedliche Annahmen untersuchen, prognostizieren wir die Leistungsfähigkeit der Euclid-Mission bei der Messung der kosmologischen Parameter unseres Universums, wie z.B. die Häufigkeit von dunkler Materie und dunkler Energie. An der RWTH Aachen haben wir zwei in der kosmologischen Gemeinschaft weithin anerkannte Codes entwickelt – CLASS und MontePython – die erheblich dazu beitragen, diese Analysen zu ermöglichen.“

Das Euclid-Konsortium
In Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ist das Euclid-Konsortium für die Durchführung der Mission verantwortlich. Das Konsortium hat die Mission des Weltraumteleskops Euclid geplant und die benötigten Instrumente gebaut. Ziel der Mission ist es, den extragalaktischen Himmel über einen Zeitraum von sechs Jahren zu kartieren und Daten zu liefern, die neue Erkenntnisse über dunkle Energie und dunkle Materie ermöglichen. Das Teleskop wurde am 1. Juli 2023 ins All gestartet und begann am 14. Februar 2024 mit der Durchmusterung des Himmels. Das Euclid-Konsortium umfasst mehr als 2.600 Mitglieder, darunter über 1.000 Forscher aus mehr als 300 Forschungseinrichtungen in 15 europäischen Ländern sowie Kanada, Japan und den Vereinigten Staaten. Die beteiligten Institute und Labore decken die verschiedenen Bereiche der Astrophysik, Kosmologie, theoretischen Physik und Teilchenphysik ab. Heute können die Arbeiten des Konsortiums durch eine erste Reihe von Publikationen nachgewiesen werden.

Während der ersten Monate von Euclid im Weltraum wurde ein Early Release-Observationsprogramm durchgeführt, das einen ersten Blick auf die Tiefe und Vielfalt der durch Euclid ermöglichten Forschung erlaubt. Hierzu nahm das Teleskop für einen Zeitraum von 24 Stunden ausgewählte Ziele in den Blick, um eindrucksvolle Bilder zu erstellen, die gleichzeitig wertvolle Erkenntnisse für die Wissenschaft liefern. Fünf dieser Bilder wurden im November 2023 veröffentlicht. Weitere fünf Bilder werden heute von der ESA publiziert. Die wissenschaftlichen Arbeiten, die einem internen Peer-Review-Prozess unterliegen, sind bei Euclid Consortium Publications erhältlich und werden als Vorabveröffentlichungen auf ArXiv erscheinen. Die Bilder und der so genannte Science-Ready Catalog stehen bei der ESA zum Download bereit.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: RWTH.

11. Februar 2022 – Satelliten der Zukunft sollen sich wie Lego-Steine auseinanderbauen und immer wieder neu zusammensetzen lassen können. Diese Vision ist internationaler Konsens in der Raumfahrt, denn nur so lässt sich das Problem Weltraumschrott und auch die damit verbundene Sicherheit im Weltraum anpacken, weil eine neue Generation von modularen Satelliten im Weltraum repariert werden könnte. Das Institut für Strukturmechanik und Leichtbau der RWTH – kurz SLA – leistete für die nächste Generation modularer Satelliten Forschung an maßgeblicher Stelle: ­an der Schnittstelle zwischen den Modulen eines Satelliten.

Vereinfacht formuliert entwickelten die Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den passenden Stecker, iSSI genannt. Die RWTH meldete ein Patent an, die Idee wurde über die Ausgründung iBOSS GmbH auf den Markt gebracht. Das System wird jetzt erstmals im Weltraum erprobt. Am 19. Februar starten die Testmodule mit einer US-Raumfahrt-Mission auf die internationale Raumstation ISS. Dort werden sie auf dem japanischen Teil der ISS erstmals von einem Roboter in einem Außeneinsatz miteinander verbunden und wieder gelöst. Dabei lassen sich im verbundenen Zustand über die Schnittstelle des Stecksystems Daten und Strom übertragen.

Revolutionärer Ansatz
Für Professor Kai-Uwe Schröder, Leiter des SLA, und sein Team ist dies ein Meilenstein: Satellitenmodule lassen sich überall und damit auch im Weltraum Dank einfacher Handhabe immer wieder neu zusammensetzen. „Unser Ansatz ist revolutionär, potenziell setzt unser System einen Standard wie beispielsweise der USB-Stecker. Eine erfolgreiche Demonstration unter Raumfahrtbedingungen, im Vakuum und unter kosmischer Strahlung, wäre der große Durchbruch“, erläutert Schröder. „Wir haben die Chance, die Raumfahrt endlich nachhaltiger zu gestalten.“

Defekte Bauteile ließen sich künftig austauschen, um die Lebensdauer und Funktion eines Satelliten deutlich zu steigern. So werden beispielsweise in Satelliten sogenannte Drallräder eingesetzt, um ihre Lage im Raum zu kontrollieren. Wenn die Drallräder nicht mehr funktionieren, lässt sich der Satellit nicht mehr ausrichten – er steht somit nur eingeschränkt oder gar nicht mehr zur Verfügung. Integrierte Drallräder in einem Baumodul können bei Defekt ersetzt werden. Letztlich sind Satelliten durch diesen möglichen On-orbit-Service sogar um weitere Bauteile und Funktionen erweiterbar.

Seit 2010 ist das RWTH-Institut an einem Forschungsprojekt der DLR zu modularen Satelliten beteiligt. Zwölf Jahre später wird die Idee realisierbar, Bausteine eines Satelliten auf der Erde zu erstellen und im Orbit zusammenzusetzen. Für ihren iSSI-Ansatz wurde die RWTH-Ausgründung „iBOSS“ jüngst mit dem „Innovation in Space“-Award ausgezeichnet.

Positive Erfahrungen sammelte das Aachener Forscherteam mit der iSSI bereits auf der Erde. So wird der Stecker im Projekt upBUS eingesetzt, einem hybriden Mobilitätskonzept, bei dem ein Fahrzeug zwischen einer Luftseilbahn und einem autonomen Busbetrieb wechselt. Bei diesem Übergang muss in die Seilbahntechnik ein- und ausgekoppelt werden. Mit der anstehenden Mission auf der ISS – die RWTH ist dort ebenfalls am AMS-Projekt beteiligt und ihr Alumnus Matthias Maurer wird als Astronaut dabei sein – steht der nächste große Schritt an. Vision ist eine extraterrestrische Anwendung – etwa bei der Installierung von Stationen auf fernen Planeten.

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: FH Aachen.

19. Januar 2022 – Beispielsweise werden Weltraumteleskope, wie „Hubble“ im Jahr 1990, mit einer Rakete in den Kosmos geschickt, um noch weiter entfernte Galaxien zu entdecken und so mehr über das frühe Universum zu lernen. Hubble sucht seitdem in der Dunkelheit des Universums nach Lichtquellen, vorrangig im sichtbaren und UV- Strahlungsbereich, aber auch im nahen Infrarotbereich. Es lieferte dadurch in den letzten dreißig Jahren Millionen Fotos von Planeten in unserem Sonnensystem, Sternen, Galaxien sowie noch exotischeren Objekten. Bis zu 13 Milliarden Lichtjahre tief kann Hubble dabei in den Weltraum schauen und bietet einzigartige Einblicke in die Vergangenheit des Kosmos.

Jetzt wird Hubble von seinem Nachfolger, dem James-Webb-Weltraumteleskop, abgelöst. Das neue Teleskop ist im Gegensatz zu Hubble auf Infrarotstrahlung spezialisiert und kann damit noch weiter entfernte Objekte erkennen, weil das Licht dieser Objekte aufgrund ihrer großen Entfernung und der Ausdehnung des Universums nur noch als infrarote Wärmestrahlung bei uns ankommt.

Kooperation der RWTH und FH Aachen
An den Aachener Hochschulen RWTH und FH Aachen werden Pläne für ein noch größeres Weltraum-Forschungsinstrument entwickelt: Im Gegensatz zu Hubble oder James-Webb geht es bei diesem Modell aber nicht um die Suche nach Licht, sondern um die Untersuchung von kosmischen Teilchen. Unter der Projektleitung von Prof. Dr. Stefan Schael der RWTH Aachen arbeiten unter anderem zwei Forscher der FH Aachen, Prof. Dr. Markus Czupalla und Prof. Dr. Bernd Dachwald, an einem neuen Modell eines Alpha-Magnet-Spektrometers.

Blick in die Vergangenheit
Teleskope wie Hubble oder das James-Webb suchen im Weltraum nach der Lichtstrahlung von Planeten, Sternen und Galaxien. Deren Licht benötigt die Zeit ihrer Entfernung in Lichtjahren, bis es von Teleskopen in unserem Sonnensystem wahrgenommen werden kann, also bis zu 13 Milliarden Jahre. Daher bieten diese Forschungsinstrumente einen Blick in die Vergangenheit, und je größer die Auflösung und der Spektralbereich der jeweiligen Teleskope ist, desto tiefer können sie in unser Universum blicken. Das James-Webb-Teleskop ist dabei das bisher ambitionierteste astronomische Projekt der Raumfahrt. Der Hauptspiegel des Forschungsinstruments hat einen Durchmesser von 6,5 Metern und eine Fläche von knapp 25 Quadratmetern. Der Spiegel bietet durch seine einzigartige Größe eine bisher noch nie da gewesene Qualität der Bilder und gleichzeitig eine hohe Sensitivität für Infrarotlicht. Mit dieser Ausstattung ist das James-Webb-Teleskop das größte aller Zeiten. Knapp drei Jahrzehnte lang haben die Forscherinnen und Forscher das Teleskop entwickelt und es allen erdenklichen Tests unterzogen.

Das James-Webb-Teleskop – nicht nur die Größe ist einzigartig
Prof. Dr. Markus Czupalla vom Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik der FH Aachen kennt die Herausforderungen bei der Entwicklung solcher Weltraumteleskope: „Ein großes Risiko für eine solche Mission ist der Raketenstart und die Inbetriebnahme im Orbit. Selbst wenn der Start erfolgreich ist, sind die beweglichen Komponenten beim James-Webb-Teleskop eine Herausforderung.“ Insgesamt 178 Auslösemechanismen mussten im Weltraum funktionieren, damit das James-Webb-Teleskop seine Arbeit aufnehmen kann, denn die Ingenieurinnen und Ingenieure mussten das Teleskop faltbar konstruieren, weil es durch die ungewöhnliche Größe in keine Rakete passt.

„Alles, was sich bewegt, birgt ein Risiko“, erklärt Prof. Czupalla, „anders als beim Hubble kann niemand dem Teleskop helfen, wenn die Technik versagt“. Hubble war in einem Orbit, der für die Astronauten mit dem Space Shuttle gerade noch erreichbar war, und konnte somit gewartet werden. Das James-Webb-Teleskop dagegen ist viel weiter entfernt von der Erde platziert, um von der thermischen Strahlung der Erde und dem reflektierten Sonnenlicht möglichst geschützt zu sein. Dieser Punkt liegt auf der Verbindungslinie von Erde und Sonne und befindet sich 1,5 Millionen Kilometer entfernt von unserem Planeten, auf der sonnenabgewandten Seite – dem sogenannten Lagrange-Punkt L2. Auch das unter der Leitung von Prof. Schael geplante Alpha-Magnet-Spektrometer soll wie das James-Webb-Teleskop in einen Orbit am Punkt-L2 platziert werden. Der Analyse der komplexen Orbits um den Punkt-L2 für das Forschungsprojekt widmet sich Prof. Dr. Bernd Dachwald in seiner raumflugdynamischen Forschung der FH Aachen.

Vorbild für FH-Forschung
Während das James-Webb-Teleskop die Infrarotstrahlung im Kosmos misst, sind Magnet-Spektrometer Teilchendetektoren. Das bedeutet: Sie untersuchen die Zusammensetzung von kosmischer Strahlung, wie sie in kosmologischen Modellen vorkommt und unter anderem als Relikt aus den Anfängen des Universums erwartet wird. Das neue Alpha-Magnet-Spektrometer „AMS-100“ soll der Nachfolger von AMS-02 werden, das derzeit auf der Internationalen Raumstation betrieben wird. AMS-100 wird in Kooperation der RWTH Aachen mit der FH Aachen sowie weiteren Partnern entwickelt.

Die Aufgabe von AMS-100
Kurz nach dem Urknall bestand das Universum nur aus Energie, die sich nach Einsteins berühmter Formel E = mc² in Materie umwandelte. Energie hat aber keine Ladung, daher wurde in diesen Prozessen genau so viel Materie wie Anti- Materie produziert. Das uns umgebende Universum besteht aber nur aus Materie. Was ist also mit der Anti-Materie nach dem Urknall passiert? Sind eventuell noch leichte Anti-Materie-Kerne, wie Anti-Helium in der kosmischen Strahlung vorhanden? Diese Fragen möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit dem Forschungsprojekt AMS-100 beantworten.

Bis jetzt wurde Antimaterie nur in Experimenten in Teilchenbeschleunigern, wie CERN, erzeugt. Prof. Schael und sein Team möchten jedoch einen Nachweis für Anti-Helium in der Natur – in unserem Kosmos – aufspüren. Momentan ist kein Spektrometer empfindlich genug, um den Nachweis zu erbringen. AMS-100 soll das nun ändern. Sollte das Teleskop einen Nachweis für Anti-Helium finden, würde es den Blick der Wissenschaft auf unser Universum verändern und maßgeblich zum Verständnis des Anfangs von unserem Universum beitragen.

Theorie und Praxis – ein Zusammenspiel
Prof. Czupalla befasst sich derzeit mit einer Möglichkeit zur raumfahrttechnischen Umsetzung des Forschungsprojekts: „Wir arbeiten an ähnlichen Problemen wie die Ingenieurinnen und Ingenieure vom James-Webb- Teleskop. Die Forschung zu James-Webb bietet daher für uns eine wissenschaftliche und technische Grundlage.“

Einer der vielen Herausforderungen für Prof. Czupalla liegt darin, den supraleitenden Magneten im Inneren von AMS-100 auf unter -220° C zu kühlen. Auch die Temperatur der Teilchendetektoren im inneren des Magneten ist entscheidend für eine erfolgreiche Forschungsmission. Diese muss konstant – 100° C betragen, um nicht zu viel Wärme an den supraleitenden Magneten abzugeben.

„Aus diesem Grund müssen wir, ähnlich wie bei James-Webb, einen Sonnenschild vor den Detektor von AMS-100 bauen. Außerdem benötigen wir einen großen entfaltbaren Radiator, der dafür sorgt, dass die überflüssige Wärme des Instruments in den Weltraum abgegeben wird. Denn anders als man vielleicht denken mag, ist es nicht so einfach, ein Gerät im All kontinuierlich so kalt zu halten“, erklärt Prof. Czupalla.

Theoretische Vorarbeit für langfristigen Erfolg
Bisher arbeiten Prof. Czupalla und Prof. Dachwald nur mit ihren Studierenden an dem Forschungsprojekt AMS-100: „Alle derzeit notwenigen Berechnungen und theoretischen Vorarbeiten finden in Zusammenarbeit mit Studierenden statt, um die prinzipielle technologische Machbarkeit zu demonstrieren und dann unser Projekt den Raumfahrtbehörden vorstellen zu können. Wenn wir eine Projektförderung erhalten, können wir ein Forschungsteam aufbauen“, so Prof. Czupalla. Die FH-Forscher sind dabei optimistisch, denn die Berechnungen zeigen, dass die Umsetzung des Weltraumteleskops AMS-100 wohl möglich ist, auch wenn viele einzigartige Lösungsansätze erforderlich sein werden. „Aber es ist genau diese Art von Herausforderungen, die mich an der Raumfahrt begeistern“, sagt Prof. Czupalla.

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• Alpha-Magnet-Spektrometer AMS-02

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Quelle: Universität Hamburg.

30. August 2021 – In den nächsten drei Jahren fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung die experimentelle Teilchenphysik an der Universität Hamburg mit 6,25 Millionen Euro. Das Geld fließt in Hamburger Forschungsaktivitäten rund um das „CMS-Experiment“ am CERN, dem europäischen Zentrum für Teilchenphysik in Genf.

Im Mittelpunkt stehen der Betrieb und Ausbau des Compact Muon Solenoid Detektors (CMS) am CERN sowie die Auswertung von Daten des CMS-Experiments. Dieses ist eines von vier internationalen Forschungsprojekten, mit denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Teilchenkollisionen am größten Beschleunigerring des CERN untersuchen und die kleinsten Bausteine der Materie erforschen. „Durch die Förderung wird unsere teilchenphysikalische Forschung am weltweit leistungsstärksten Beschleuniger, dem Large Hadron Collider, ganz erheblich unterstützt“, sagt Prof. Dr. Peter Schleper, dessen Arbeitsgruppe bereits seit einigen Jahren am CMS-Experiment forscht. Ebenso beteiligt sind die Teams seiner Kolleginnen und Kollegen Prof. Dr. Erika Garutti, Prof. Dr. Johannes Haller, Dr. Andreas Hinzmann und Juniorprofessor Dr. Gregor Kasieczka. Ihre Arbeit ist eng verzahnt mit den wissenschaftlichen Aktivtäten des Hamburger Exzellenzclusters Quantum Universe.

Im Frühjahr 2022 beginnt am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) eine neue Datennahmeperiode, die besonders interessante Einblicke in die Welt der Elementarteilchen erlauben wird. „Wir wollen vor allem das 2012 entdeckte Higgs-Teilchen genauer untersuchen und auch drängende Fragen zur Dunklen Materie angehen. Auf diesen Gebieten bieten die CMS-Daten faszinierende Möglichkeiten“, erklärt Prof. Johannes Haller.

Um die Zahl der Teilchenkollisionen im Beschleuniger zu erhöhen, ist ab 2025 ist ein mehrjähriger Umbau des LHC geplant. Deshalb müssen Teile des CMS-Experiments ausgetauscht werden gegen solche, die an die künftig höhere Leistung des Beschleunigers angepasst sind. Prof. Erika Garutti entwickelt diese Komponenten mit ihrem Team: „Bereits 2017 haben wir mit der Arbeit an einem Design für einen strahlungsharten Silizium-Detektor begonnen, der mit der erhöhten Leistung des LHC-Beschleunigers zurechtkommt. Die Ergebnisse sind vielversprechend.“ Silizium-Detektoren bilden den innersten Kern des CMS-Experiments rund um den Teilchenstrahl des Beschleunigers und sind besonders hohen Strahlungsintensitäten ausgesetzt.

Die Beteiligung deutscher Forschender am CMS-Experiment fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen eines deutschlandweiten Forschungsschwerpunktes, dessen Sprecher Prof. Johannes Haller seit Kurzem ist. An dem Forschungsschwerpunkt sind neben der Universität Hamburg und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) auch die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das CASUS-Institut in Görlitz beteiligt.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: RWTH.

Am 6. Dezember 2016 wurde im IceCube Neutrino Observatorium in der Antarktis ein extrem hochenergetisches Neutrino gemessen, das überraschende Rückschlüsse auf fundamentale Teilchenphysik erlaubt. Schon die Energie von 6,3 Peta-Elektronenvolt ist rekordverdächtig und weist auf einen Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems hin. Auch kann mit diesem Ereignis erstmalig eine Teilchenreaktion bestätigt werden, die von Nobelpreisträger Sheldon Glashow schon im Jahr 1960 vorhergesagt wurde. Die Forschungsergebnisse des internationalen Teams wurden heute unter dem Titel „Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube“ in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Hieran waren auch maßgeblich RWTH-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt.

Die Messung von Neutrinos ist ein schwieriges Unterfangen, für das riesige Detektoren mit hoher Sensitivität und Messgenauigkeit erforderlich sind. Das IceCube Neutrino Observatorium befindet sich am geographischen Südpol und ist das weltweit größte Instrument seiner Art. Mit Hilfe von etwa 5000 ultra-sensitiven Lichtsensoren, die tief in das antarktische Eis eingelassen sind, wird ein Volumen von 1 Kubikkilometer seit 2010 rund um die Uhr überwacht. Etwa alle zehn Minuten wird ein Neutrino registriert. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Neutrinos, die in der Erdatmosphäre entstehen. Besonders hochenergetische Neutrinos entstehen jedoch auch in extremen Umgebungen im Universum, zum Beispiel in der Nähe massiver schwarzer Löcher. Seit Beginn der Aufzeichnungen konnten bereits einige hundert kosmische Neutrinos mit IceCube nachgewiesen werden und im Jahr 2017 sogar überzeugende Hinweise auf den Quasar TXS 0506+056 als kosmische Neutrinoquelle gefunden werden. Selbst für diese Neutrinos, ist jedoch die Energie des am 6. Dezember 2016 beobachteten Neutrinos spektakulär. „Neutrinoereignisse mit so hoher Energie sind im Detektor nicht zu übersehen, aber sie passieren nur alle paar Jahre“; analysiert Professor Christopher Wiebusch vom III. Physikalischen Institut B der RWTH Aachen und Leiter der Aachener IceCube-Gruppe. IceCube hat in elf Jahren nur drei Ereignisse mit mehr als 5 Peta-Elektronenvolt (PeV) Energie aufgezeichnet. Ein PeV ist ungefähr 100-mal hochenergetischer als die leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger wie zum Beispiel die Protonenstrahlen des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in Genf.

Bei der gemessenen Energie von 6,3 PeV horchen Elementarteilchenphysiker auf: Dies ist genau die Energie, bei der Neutrinos mit hundertfach verstärkter Wahrscheinlichkeit wechselwirken, wenn es in der Natur einen Resonanzprozess von Anti-Elektronneutrinos mit atomaren Elektronen gibt. Dieser Prozess wurde schon im Jahr 1960 von Sheldon Glashow, Begründer des heutigen Standardmodells der Elementarteilchenphysik und Nobelpreisträger, vorhergesagt, konnte aber auf Grund der hohen Energie bisher nicht experimentell bestätigt werden. Dr. Christian Haack: „Wir haben nicht nur eines der höchstenergetischsten jemals gemessenen Neutrinos beobachtet, das somit klar kosmischen Ursprungs ist, sondern auch eine seit Jahrzehnten offene Frage der Elementarteilchenphysik geklärt. Dadurch gibt es nun ein neues experimentelles Verfahren, mit dem wir kosmische Anti-Neutrinos von Neutrinos unterscheiden können. So werden Aussagen über die kosmischen Teilchenbeschleuniger möglich.“ Haack promovierte hierzu an der RWTH Aachen und forscht aktuell an der TU München.

Internationale Zusammenarbeit
Die Messung wurde maßgeblich durch eine internationale Teamarbeit junger Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen innerhalb der internationalen IceCube Kollaboration möglich; von Lu Lu von der Universität Chiba in Japan (inzwischen Universität Madison, USA), Tianlu Yuan von der Universität Madison, und Christian Haack. Da die Neutrinoreaktion knapp außerhalb des beobachteten Eis-Volumens stattfand, war die zweifelsfreie Rekonstruktion ein mehrjähriger Prozess. Insbesondere die Entdeckung von charakteristischen in den Detektor hineinreichenden Einzelsignalen durch das RWTH-Team war ein Schlüssel zum Erfolg. So konnte die Ursprungsrichtung des Neutrinos genau bestimmt und auch die Auswertung des Resonanz-Prozesses bestätigt werden. Terrestrische Untergrundsignale oder eine Fehlmessung wurden mit sehr großer Sicherheit ausgeschlossen. Auch die Möglichkeit einer anderen Neutrino-Reaktion konnte bis auf wenige Prozent ausgeschlossen werden. Ob die Gewissheit weiter verbessert werden kann müssen nun zukünftige Messungen zeigen. Da das Universum offensichtlich Neutrinos ausreichender Energie liefert, ist es nur eine Frage der Zeit, bis weitere Reaktionen dieser Art beobachtet werden. Glashow, inzwischen Emeritus der Universität Boston: „Bisher ist es nur eins, eines Tages werden es mehr sein.“

Das IceCube Neutrino Observatorium
IceCube wurde als internationale Kollaboration von etwa 400 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an 53 Forschungseinrichtungen in zwölf Ländern gebaut und wird von diesen auch gemeinschaftlich betrieben. Die Federführung haben die University of Wisconsin–Madison (USA) und die National Science Foundation (USA). Mit Unterstützung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) beteiligen sich aus Deutschland mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an den Universitäten RWTH Aachen, HU Berlin, RU Bochum, TU Dortmund, FAU Erlangen, JGU Mainz, TU München, WWU Münster, BU Wuppertal sowie den beiden Helmholtz-Zentren Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) und Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Für die Zukunft gibt es große Pläne: So werden in den nächsten Jahren in einem ersten Schritt, dem IceCube Upgrade, neue Photosensoren zentral in IceCube eingebracht, um die Messgenauigkeit zu verbessern. Danach soll bis Ende des Jahrzehnts im Rahmen des IceCube-Gen2 Projektes das Volumen von IceCube fast verzehnfacht werden, wodurch sich dann die Zahl gemessener Neutrinoreaktionen entsprechend vergrößert. „Mit IceCube ist uns erstmalig der Nachweis der Glashow-Resonanz gelungen und mit IceCube-Gen2 werden wir die Reaktion nutzen können, den Fluss von kosmischen Anti-Elektron-Neutrinos genau zu vermessen“, sagt Professor Dr. Marek Kowalski vom DESY, der die Vorbereitungen von IceCube-Gen2 koordiniert. „Das wird uns einen ganz neuen Zugang liefern, die wenig bekannten Produktionsmechanismen der hochenergetischen kosmischen Neutrinos zu verstehen.“

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• Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“
• Neutrinos

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Quelle: Jülich Aachen Research Alliance (JARA).

23. Oktober 2019 – Die RWTH Aachen vergibt jedes Jahr den Friedrich-Wilhelm-Preis an Studierende und Doktoranden verschiedener Ausbildungsstufen, die herausragende wissenschaftliche Leistungen erbracht haben. Einer der diesjährigen Preisträger ist Dr. Jamal Slim, Institut für Kernphysik, Experimentelle Hadronendynamik am Forschungszentrum Jülich und Lehrstuhl für Experimentalphysik III B der RWTH Aachen. Dr. Slim erhält die Auszeichnung für seine Doktorarbeit. Betreuer seiner Arbeit war Prof. Dirk Heberling, Mitglied in JARA-FAME und Institutsleiter des Lehrstuhls für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen.

Mehrere junge Masteranden, Doktoranden und Habilitanden dürfen sich am 29. November über die Verleihung des Friedrich-Wilhelm-Preises freuen. Jedes Jahr werden herausragende Absolventinnen und Absolventen der RWTH mit diesem Preis geehrt. In diesem Jahr darf sich Dr. Jamal Slim über den mit 1.000 Euro dotierten Preis freuen. Der studierte Elektroingenieur erhält die Auszeichnung für seine exzellente Doktorarbeit, in der er sich mit der in unserem Universum vorherrschenden Materie-Antimaterie-Asymmetrie auseinandersetzt.

Die gängige wissenschaftliche Überzeugung ist, dass direkt nach dem Urknall gleich viel Materie wie Antimaterie vorhanden war. Bei dieser Zusammensetzung hätte sich jedoch beides anschließend vollständig zu Strahlung vernichten müssen. Die Existenz unseres durch Materie dominierten Universums zeigt, dass das Standardmodell der Teilchenphysik den Grund unserer Existenz nicht erklären kann. Es bedarf einer Physik jenseits des Standardmodells und neuer Ansätze, um die Frage um unsere Existenz zu klären. Elektrische Dipolmomente sind Phänomene, die das Ungleichgewicht von Materie zu Antimaterie erklären könnten. Das elektrische Dipolmoment (EDM) entsteht, wenn die positiven und negativen Ladungsträger in einem Objekt unterschiedliche Schwerpunkte besitzen.

In seinen Untersuchungen hat sich Dr. Jamal Slim mit Hilfe des Hadronenbeschleunigers COoler SYnchroton COSY auf die Suche nach nicht-verschwindenden elektrischen Dipolmomenten fundamentaler Teilchen gemacht. Für den Nachweis eines EDMs geladener Teilchen wäre ein dedizierter elektrischer Speicherring nötig, den es bis dato jedoch noch nicht gibt. Slim setzte gemeinsam mit dem Team der JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) Kollaboration einen RF Wien Filter an COSY ein, um Messungen an Deuteronen und Protonen durchzuführen und auf diese Weise ein elektrisches Dipolmoment nachzuweisen. Vorläufige positive Ergebnisse wurden erzielt und werden in Kürze veröffentlicht. In seiner Dissertation untermauerte Dr. Slim den Ansatz durch Ausführungen zu Design, Simulation, Analyse sowie Realisierung und Inbetriebnahme des neuartigen Gerätes.

Dr. Jamal Slim ist Postdoktorand am Lehrstuhl für Experimentalphysik III B, Lehr- und Forschungsgebiet Experimentalphysik der RWTH Aachen unter der Leitung von JARA-FAME Direktor Prof. Jörg Pretz, sowie am Institut für Kernphysik, Experimentelle Hadronendynamik am Forschungszentrum Jülich, das durch Prof. Hans Ströher, ebenfalls JARA-FAME geleitet wird. Seine Dissertation betreute Prof. Dirk Heberling, Mitglied in JARA-FAME und Institutsleiter des Lehrstuhls für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen. Neben dem Friedrich-Wilhelm-Preis, der am 29. November in einer Feierstunde vergeben wird, erhielt Dr. Slim auch die Borchers-Plakette. Mit der Borchers-Plakette ehrt der Rektor der RWTH Aachen Promovenden, die ihre Promotion mit „summa cum laude“ abgeschlossen haben. Der Preis wurde im Rahmen des Graduiertenfestes Mitte September 2019 vergeben.

Friedrich-Wilhelm-Preis der RWTH Aachen
Der Friedrich-Wilhelm-Preis wird von der gleichnamigen Stiftung verliehen, die 1865 gegründet wurde. Der Name der Stiftung geht auf den preußischen Kronprinzen und späteren Kaiser Friedrich Wilhelm III. zurück. Ziel ist die Förderung von Forschung und Lehre, die Unterstützung von Studierenden sowie von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der RWTH. Ausgezeichnet werden dabei herausragende Masterarbeiten, Dissertationen und Habilitationen. Die Preise sind mit 500, 1.000 und 2.000 Euro dotiert.

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Quelle: Jülich Aachen Research Alliance (JARA).

23. Oktober 2019 – Die RWTH Aachen vergibt jedes Jahr den Friedrich-Wilhelm-Preis an Studierende und Doktoranden verschiedener Ausbildungsstufen, die herausragende wissenschaftliche Leistungen erbracht haben. Einer der diesjährigen Preisträger ist Dr. Jamal Slim, Institut für Kernphysik, Experimentelle Hadronendynamik am Forschungszentrum Jülich und Lehrstuhl für Experimentalphysik III B der RWTH Aachen. Dr. Slim erhält die Auszeichnung für seine Doktorarbeit. Betreuer seiner Arbeit war Prof. Dirk Heberling, Mitglied in JARA-FAME und Institutsleiter des Lehrstuhls für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen.

Mehrere junge Masteranden, Doktoranden und Habilitanden dürfen sich am 29. November über die Verleihung des Friedrich-Wilhelm-Preises freuen. Jedes Jahr werden herausragende Absolventinnen und Absolventen der RWTH mit diesem Preis geehrt. In diesem Jahr darf sich Dr. Jamal Slim über den mit 1.000 Euro dotierten Preis freuen. Der studierte Elektroingenieur erhält die Auszeichnung für seine exzellente Doktorarbeit, in der er sich mit der in unserem Universum vorherrschenden Materie-Antimaterie-Asymmetrie auseinandersetzt.

Die gängige wissenschaftliche Überzeugung ist, dass direkt nach dem Urknall gleich viel Materie wie Antimaterie vorhanden war. Bei dieser Zusammensetzung hätte sich jedoch beides anschließend vollständig zu Strahlung vernichten müssen. Die Existenz unseres durch Materie dominierten Universums zeigt, dass das Standardmodell der Teilchenphysik den Grund unserer Existenz nicht erklären kann. Es bedarf einer Physik jenseits des Standardmodells und neuer Ansätze, um die Frage um unsere Existenz zu klären. Elektrische Dipolmomente sind Phänomene, die das Ungleichgewicht von Materie zu Antimaterie erklären könnten. Das elektrische Dipolmoment (EDM) entsteht, wenn die positiven und negativen Ladungsträger in einem Objekt unterschiedliche Schwerpunkte besitzen.

In seinen Untersuchungen hat sich Dr. Jamal Slim mit Hilfe des Hadronenbeschleunigers COoler SYnchroton COSY auf die Suche nach nicht-verschwindenden elektrischen Dipolmomenten fundamentaler Teilchen gemacht. Für den Nachweis eines EDMs geladener Teilchen wäre ein dedizierter elektrischer Speicherring nötig, den es bis dato jedoch noch nicht gibt. Slim setzte gemeinsam mit dem Team der JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) Kollaboration einen RF Wien Filter an COSY ein, um Messungen an Deuteronen und Protonen durchzuführen und auf diese Weise ein elektrisches Dipolmoment nachzuweisen. Vorläufige positive Ergebnisse wurden erzielt und werden in Kürze veröffentlicht. In seiner Dissertation untermauerte Dr. Slim den Ansatz durch Ausführungen zu Design, Simulation, Analyse sowie Realisierung und Inbetriebnahme des neuartigen Gerätes.

Dr. Jamal Slim ist Postdoktorand am Lehrstuhl für Experimentalphysik III B, Lehr- und Forschungsgebiet Experimentalphysik der RWTH Aachen unter der Leitung von JARA-FAME Direktor Prof. Jörg Pretz, sowie am Institut für Kernphysik, Experimentelle Hadronendynamik am Forschungszentrum Jülich, das durch Prof. Hans Ströher, ebenfalls JARA-FAME geleitet wird. Seine Dissertation betreute Prof. Dirk Heberling, Mitglied in JARA-FAME und Institutsleiter des Lehrstuhls für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen.
Neben dem Friedrich-Wilhelm-Preis, der am 29. November in einer Feierstunde vergeben wird, erhielt Dr. Slim auch die Borchers-Plakette. Mit der Borchers-Plakette ehrt der Rektor der RWTH Aachen Promovenden, die ihre Promotion mit „summa cum laude“ abgeschlossen haben. Der Preis wurde im Rahmen des Graduiertenfestes Mitte September 2019 vergeben.

Friedrich-Wilhelm-Preis der RWTH Aachen
Der Friedrich-Wilhelm-Preis wird von der gleichnamigen Stiftung verliehen, die 1865 gegründet wurde. Der Name der Stiftung geht auf den preußischen Kronprinzen und späteren Kaiser Friedrich Wilhelm III. zurück. Ziel ist die Förderung von Forschung und Lehre, die Unterstützung von Studierenden sowie von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der RWTH. Ausgezeichnet werden dabei herausragende Masterarbeiten, Dissertationen und Habilitationen. Die Preise sind mit 500, 1.000 und 2.000 Euro dotiert.

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Quelle: DESY.

Das internationale Neutrino-Observatorium IceCube am Südpol wird in den kommenden Jahren erheblich erweitert. Zusätzlich zu den bestehenden 5160 Sensoren werden weitere 700 optische Module im ewigen Eis der Antarktis installiert. Die National Science Foundation in den USA hat 23 Millionen US-Dollar für den Ausbau bewilligt. Die Helmholtz-Zentren DESY und Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützen mit insgesamt 5,7 Millionen Euro (6,4 Millionen US-Dollar) den Bau von 430 neuen optischen Modulen, mit denen das Observatorium unter anderem zu einem Neutrinolabor erweitert wird. IceCube, für das Deutschland mit insgesamt neun beteiligten Universitäten und den beiden Helmholtz-Zentrum der wichtigste Partner nach den USA ist, hatte im vergangenen Jahr überzeugende Hinweise auf eine erste Quelle hochenergetischer Neutrinos aus dem Kosmos veröffentlicht.

„Das IceCube-Upgrade soll nicht nur die Neutrino-Astronomie verbessern, sondern auch unser Wissen über das Neutrino selbst“, erläutert DESY-Forscher Timo Karg, Projektleiter für die optischen Sensoren im IceCube-Upgrade. „Wir haben bereits zehn Jahre Daten mit IceCube gesammelt, und die werden durch das Upgrade erheblich aufgewertet.“ Bei DESY werden 225 der neuen Sensoren gebaut, 205 steuert die Michigan State University bei und rund 300 eines anderen Typs liefert die Universität Chiba in Japan.

Neutrinos gehören zu den rätselhaftesten Elementarteilchen. Sie wechselwirken kaum und können mühelos ganze Planeten, Sterne und Galaxien durchqueren – sie werden daher auch als Geisterteilchen bezeichnet. Das Neutrino-Observatorium IceCube späht tief im antarktischen Eis nach den scheuen Elementarteilchen. Unter der Oberfläche lauert es auf das bläuliche Leuchten, das energiereiche Neutrinos aus dem Weltall bei ihren sehr seltenen Kollisionen im Eis auslösen können. Dazu dienen extrem lichtempfindliche „Digital Optical Modules“ (DOM), die an 86 Kabelsträngen bis zu 2,5 Kilometer tief im durchsichtigen Eis liegen. Aus der genauen Vermessung der Leuchtspur einer Neutrinokollision lassen sich Herkunftsrichtung und Energie des Teilchens rekonstruieren. Da Neutrinos so extrem selten wechselwirken, überwacht IceCube einen kompletten Kubikkilometer unterirdisches Eis und ist damit der größte Neutrinodetektor der Welt.

Für das IceCube-Upgrade sollen im antarktischen Sommer 2022/23 im Zentrum des Detektors sieben zusätzliche Kabelstränge mit den neu entwickelten Sensoren mehr als 1,5 Kilometer tief ins Eis eingeschmolzen werden. Dabei kommen zwei Typen optischer Module zum Einsatz, die auch für eine zehnfach größere zukünftige Erweiterung von IceCube, IceCube-Gen2, getestet werden. Ein Typ dieser neuen optischen Sensoren, das „multi-Pixel Digital Optical Module“ (mDOM), wurde in Deutschland von den beteiligten Universitäten und Helmholtz-Zentren entwickelt. Gegenüber den bisherigen Modulen besitzen die mDOMs, von denen rund 400 installiert werden, eine deutlich größere sowie segmentierte Detektionsfläche und damit eine signifikant höhere Empfindlichkeit.

„Mit dem IceCube-Upgrade und dem späteren Ausbau zu IceCube-Gen2 erweitert dieses weltweit einzigartige Neutrino-Observatorium unseren Blick ins All an entscheidender Stelle und trägt dadurch bei, die Rätsel um die Physik der höchstenergetischsten Prozesse in unserem Universum zu lösen“, sagt der Leiter der KIT-IceCube-Gruppe, Andreas Haungs.

Durch die Erweiterung steigt jedoch nicht nur die Empfindlichkeit des Observatoriums, es sinkt auch die Energieschwelle, ab der sich Neutrinos nachweisen lassen. Damit können die Eigenschaften der Teilchen mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen werden – IceCube wird auch zum Neutrino-Labor. „Neutrinos sind die am wenigsten verstandenen Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik,“ betont Alexander Kappes, Professor an der Universität Münster und Leiter des mDOM-Projekts. „Sie haben Eigenschaften, die das Standardmodell nicht erklären kann.“

Neutrinos gibt es in drei Sorten. Überraschenderweise können die Teilchen zwischen diesen Sorten hin und her wechseln. Physiker nennen das Neutrino-Oszillationen. Eins der Ziele des IceCube-Upgrades ist es, die Parameter dieser Oszillationen deutlich besser zu bestimmen. Ein weiteres Ziel ist, die optischen Eigenschaften des Eises genauer zu vermessen, was eine bessere Rekonstruktion der Eigenschaften beobachteter Neutrinos in allen Energiebereichen erlaubt. Das schärft nicht nur künftig den Blick des Neutrinoobservatoriums ins All, sondern ermöglicht auch, die bereits registrierten Neutrinoereignisse nachträglich genauer zu rekonstruieren.

Beobachtungen mit IceCube und einer großen Zahl anderer, über den ganzen Globus verteilter Observatorien hatten im vergangenen Jahr zur ersten Ortung einer kosmischen Quelle energiereicher Neutrinos geführt. Die von IceCube nachgewiesenen Teilchen kamen demnach aus einer rund vier Milliarden Lichtjahre entfernten aktiven Galaxie, in deren Zentrum ein gigantisches Schwarzes Loch als natürlicher Teilchenbeschleuniger fungiert.

Das IceCube-Neutrinoobservatorium befindet sich an der Amundsen-Scott-Südpolstation. Das Management und der Betrieb des Observatoriums erfolgt durch das Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC) an der University of Wisconsin–Madison. Das Wissenschaftsprogramm wird von mehr als 300 Forscherinnen und Forschern aus 52 Instituten in 12 Ländern bestritten. Nach den USA ist Deutschland der wichtigste Partner in dem internationalen Projekt. Hier sind neben den Helmholtz-Zentren DESY und KIT die Universitäten Bochum, Erlangen-Nürnberg, Mainz, Münster und Wuppertal sowie die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, die Humboldt-Universität zu Berlin und die Technischen Universitäten Dortmund und München beteiligt.

Deutsche Universitätsgruppen arbeiten auch an der Entwicklung von optischen (TU München, Uni Wuppertal) und akustischen (RWTH Aachen) Geräten zur präzisen Eichung des Detektors, Simulations- und Kalibrierungsmethoden (TU Dortmund, Uni Bochum), sowie der Entwicklung von neuartigen Sensorkonzepten (Uni Mainz) für IceCube-Gen2 mit. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das die Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft zu 90 Prozent finanziert, unterstützt die deutschen Beiträge zu IceCube darüber hinaus aus Mitteln der Verbundforschung für die beteiligten Universitäten.

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.

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