Quelle: DESY 17. September 2024.

17. September 2024 – Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen genau wissen, wie viel Masse das W-Boson hat. Mit diesem Wissen können sie überprüfen, ob ihre theoretischen Vorhersagen zutreffen, und Abweichungen von diesen Vorhersagen schnell und zuverlässig erkennen. Das CMS-Experiment am CERN hat nun die bisher genaueste Messung der Masse des W-Bosons vorgelegt. An dieser anspruchsvollen Analyse haben experimentelle und theoretische Teilchenphysiker:innen bei DESY in enger Zusammenarbeit maßgeblich mitgewirkt.

Die CMS-Kollaboration, ein großer Zusammenschluss von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, hat heute die Ergebnisse über ihre erste Massen-Messung des W-Bosons aus Proton-Proton-Kollisionsdaten aus der zweiten Laufzeit des Large Hadron Collider, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf, vorgestellt. Das W-Boson ist ein Elementarteilchen, das zusammen mit dem Z-Boson die schwache Kraft überträgt. Die schwache Kraft ist für eine Form der Radioaktivität verantwortlich und löst die Kernfusionsreaktion aus, die die Sonne zum Leuchten bringt.

Das heute präsentierte Ergebnis ist die bisher präziseste Messung der W-Masse, die am LHC durchgeführt wurde, und stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik überein. Möglich wurde das Ergebnis durch eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Faktoren, darunter die bisher präziseste Rekonstruktion der Myonen im CMS-Detektor und ein neuer theoretischer Ansatz, der bei DESY entwickelt wurde.

Im Standardmodell der Teilchenphysik, der Theorie, die alle Teilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte mit höchstmöglicher Präzision beschreibt, steht die W-Masse in engem Zusammenhang mit der Stärke der Wechselwirkung, die die elektromagnetische und die schwache Kraft vereint. Außerdem sind die Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks eng damit verbunden. Die Messung der Masse des W-Bosons mit hoher Präzision macht es daher möglich zu prüfen, ob diese Eigenschaften mit dem Standardmodell übereinstimmen oder nicht. Ist dies nicht der Fall, könnte die Ursache in neuen physikalischen Phänomenen wie neuen Teilchen oder unbekannten Wechselwirkungen liegen.

Das W-Boson wurde im Jahr 1983 am CERN entdeckt, allerdings war es schon immer eine besondere Herausforderung, seine Masse zu messen. Seit seiner Entdeckung haben mehrere Collider-Experimente am CERN und anderswo immer präzisere Massenmessungen durchgeführt. Das CMS-Experiment hat nun mit seiner ersten solchen Messung einen wichtigen Beitrag zu diesen globalen Bemühungen geleistet. Das Ergebnis, 80360,2 MeV mit einer Unsicherheit von 9,9 MeV, hat eine Genauigkeit, die mit der einer Messung des CDF-Experiments am Fermilab in den USA vergleichbar ist, und stimmt mit allen früheren Messungen außer dem CDF-Ergebnis überein.

„Diese Analyse ist der erste Versuch, die W-Masse unter den anspruchsvollen Kollisionsbedingungen der zweiten LHC-Laufzeit zu messen. Die harte Arbeit des Teams hat zu einer äußerst präzisen Messung der W-Masse und der genauesten Messung am LHC geführt“, sagt CMS-Sprecherin Patricia McBride. „Dies ist eine der komplexesten Analysen, die ich bei CMS je gesehen habe“, fügt die DESY-Wissenschaftlerin Katerina Lipka, Leiterin der Helmholtz-W2/W3-Gruppe „Standard Model at Ultimate Precision“, hinzu. Simone Amoroso und Federico Vazzoler, Wissenschaftler in dieser Gruppe, waren für die Modellierung der Beziehung zwischen dem Impuls des W-Bosons und dem Myon, in das es zerfällt, verantwortlich. Dabei haben sie eng mit dem DESY-Theoretiker Frank Tackmann zusammengearbeitet.

Die am LHC erzeugten W-Bosonen zerfallen fast sofort in ein Myon und ein Neutrino. Myonen werden vom CMS-Detektor nachgewiesen, aber die Neutrinos sind für den Detektor unsichtbar. Das macht diese Messung so kompliziert. Könnten sowohl Myonen als auch Neutrinos nachgewiesen werden, ließe sich die Masse des W-Bosons direkt aus der Energie und der Flugrichtung der Teilchen bestimmen, wie es beispielsweise beim Higgs-Boson der Fall ist. Um diese Herausforderung zu meistern, untersuchen die Forschenden den Impuls des Myons und leiten daraus den Wert der Masse des W-Bosons mit sehr hoher Genauigkeit ab.

Die endgültige Genauigkeit der Messung hängt von zwei Faktoren ab: Erstens vom speziellen Hochleistungs-Algorithmus des CMS-Detektors zur Rekonstruktion der Kinematik des Myons. Wenn die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kinematik der Myonen kennen, die aus den Zerfällen von W-Bosonen hervorgehen, können sie Rückschlüsse auf die Kinematik des W-Bosons ziehen, was wiederum mehr über dessen Masse aussagt.

Zweitens nutzten die Forschungsteams die neuesten und besten Erkenntnisse aus Theorie und experimentellen Techniken. Die Standardmethode zur Messung der W-Masse bestand bisher darin, extrem präzise Messungen des Z-Bosons als eine Art Kontrollkanal zu verwenden, um die Kinematik des W-Bosons genau vorherzusagen. Der Theoretiker Frank Tackmann und sein im Rahmen des ERC-Konsolidierungsprogramms gefördertes Team haben eine Methode entwickelt, die die CMS-Messung (und möglicherweise auch alle künftigen Messungen) unabhängig vom Z-Boson macht. „Das Problem war immer, das Z mit dem W genau in Beziehung zu setzen“, sagt Tackmann. Die neue Methode beruht auf der gleichzeitigen Anwendung von zehn verschiedenen Theorieparametern und liefert robuste und parametrisierte theoretische Unsicherheiten, die für die korrekte Interpretation der Daten entscheidend sind. „Die Durchführung dieser hochmodernen theoretischen Berechnungen und die Zusammenstellung aller Teile war eine große Aufgabe“, fügt Simone Amoroso hinzu.

„Dieses neue CMS-Ergebnis, das mit den Vorhersagen des Standardmodells punktgenau übereinstimmt, ist nicht nur ein weiterer Beweis für die Robustheit des Standardmodells“, sagt Tackmann. „Es erhöht auch unsere Gesamtempfindlichkeit für Physik, die möglicherweise jenseits des Standardmodells liegt.“

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. 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.

Pressemeldung vom CERN (auf englisch)
https://home.cern/cms-experiment-cern-weighs-w-boson-mass/

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• Large Hadron Collider
• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: MPE 14. Februar 2024.

14. Februar 2024 – Eine neue Analyse davon, wie sich Galaxienhaufen im Laufe der Zeit entwickelt haben, hat präzise Messungen des gesamten Materiegehalts im Universums und seiner Verklumpung ergeben. Diese und andere Ergebnisse stellt das deutsche eROSITA-Konsortium unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik heute in einer Reihe von Veröffentlichungen vor. Sie entschärfen unter anderem eine Diskrepanz zwischen vorherigen Messungen der Verklumpung und geben gleichzeitig Aufschluss über die schwer fassbare Masse der Neutrinos und die Zustandsgleichung der dunklen Energie. Einer der größten Röntgenkataloge von Galaxienhaufen wurde ebenfalls heute veröffentlicht. Viele der Quellen waren bisher nicht bekannt, was das immense Entdeckungspotenzial von eROSITA verdeutlicht.

Vor zwei Wochen veröffentlichte das deutsche eROSITA-Konsortium seine Daten der ersten vollständigen Himmelsdurchmusterung. Das Hauptziel der Mission ist ein besseres Verständnis der Kosmologie mittels der Messung, wie sich Galaxienhaufen – einige der größten Strukturen in unserem Universum – im Laufe der kosmischen Zeit zusammenballen. eROSITA beobachtet die Röntgenstrahlung, die von heißem Gas in Galaxienhaufen emittiert wird, und kann damit sowohl die Gesamtmenge der Materie im Universum als auch deren Verklumpung präzise messen. Die eROSITA-Messungen beseitigen frühere Unstimmigkeiten zwischen bisherigen Messungen der Verklumpung mit verschiedenen Techniken, insbesondere dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) und dem schwachen Gravitationslinseneffekt.

„eROSITA hebt damit die Messung der Entwicklung von Galaxienhaufen als Instrument für die Präzisionskosmologie auf eine neue Stufe“, sagt Dr. Esra Bulbul (MPE), die das eROSITA-Team für Galaxienhaufen und Kosmologie leitet und die bahnbrechenden Ergebnisse heute vorstellt. „Die kosmischen Parameter, die wir aus Galaxienhaufen messen, stimmen mit den modernsten CMB-Daten überein und zeigen, dass das gleiche kosmologische Modell von kurz nach dem Urknall bis heute gilt.“

Nach dem kosmischen Standardmodell, dem sogenannten Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM)-Modell, war das junge Universum ein extrem heißes, dichtes Meer aus Photonen und Teilchen. Im Laufe der kosmischen Zeit wuchsen winzige Dichteunterschiede zu den großen Galaxien und Galaxienhaufen, die wir heute sehen. Die Beobachtungen der eROSITA-Galaxienhaufen zeigen, dass alle Arten von Materie (sichtbare und dunkle) 29 % der derzeitigen Gesamtenergiedichte des Universums ausmachen – in hervorragender Übereinstimmung mit Werten aus Messungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung aus der Frühzeit des Universums.

Neben der Messung der Gesamtmateriedichte hat eROSITA auch die Verklumpung der Materieverteilung mit Hilfe eines Parameters namens S8 gemessen. In den letzten Jahren hat sich in der Kosmologie die so genannte „S8-Spannung“ herausgebildet. Diese besteht darin, dass bei Studien basierend auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund ein höherer S8-Wert gemessen wird als z. B. bei kosmologischen Durchmusterungen aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts. Es könnte auf eine neue Physik hindeuten, wenn diese Spannung nicht aufgelöst werden kann – und genau das hat eROSITA getan. „eROSITA sagt uns, dass sich das Universum während der gesamten kosmischen Geschichte verhalten hat wie erwartet“, sagt Dr. Vittorio Ghirardini, Postdoktorand am MPE und verantwortlich für die kosmologische Studie. „Es gibt keine Spannungen mit dem CMB – vielleicht können sich die Kosmologen jetzt ein wenig entspannen.“

Die größten Strukturen im Universum enthalten zudem Informationen über die kleinsten Teilchen: Neutrinos. Diese Leichtgewichte sind fast unmöglich zu entdecken. „Es mag paradox klingen, aber wir haben durch die Häufigkeit der größten Objekte im Universum enge Grenzen für die Masse der leichtesten bekannten Teilchen gefunden“, sagt Ghirardini. Obwohl Neutrinos klein sind, sind sie „heiß“, d. h. sie bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit. Daher neigen sie dazu, die Verteilung der Materie zu glätten – was durch die Analyse der Entwicklung der größten kosmischen Strukturen untersucht werden kann. „Wir stehen sogar kurz vor einem Durchbruch bei der Messung der Gesamtmasse der Neutrinos, wenn wir sie mit Neutrinoexperimenten auf der Erde zusammenbringen“, fügt Ghirardini hinzu. Die Häufigkeit der Haufen in den eROSITA-Daten allein ergibt eine Obergrenze für die Gesamtmasse von 0,22 eV; in Kombination mit den CMB-Daten verringert sich diese sogar auf 0,11 eV (bei einem Vertrauensniveau von 95 %). Dies ist die bisher genaueste kombinierte Messung aus allen kosmologischen Beobachtungen.

eROSITA kann uns aber noch mehr über die Beschaffenheit des Universums verraten. Die Gravitationstheorien sagen voraus, dass große kosmische Strukturen im Laufe der Entwicklung des Universums mit einer bestimmten Geschwindigkeit wachsen sollten. Mit den eROSITA-Daten kann diese Wachstumsrate gemessen werden. Die derzeitige Analyse hat bereits eine Reihe von Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins ausgeschlossen. „Aber es gibt noch mehr,“ sagt Dr. Emmanuel Artis, ein Postdoktorand am MPE. „Wenn wir irgendwelche Hinweise finden, wird eROSITA den Weg für neue spannende Theorien jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie weisen.“

All diese Ergebnisse basieren auf einem der bisher größten reinen Kataloge von Galaxienhaufen, der ebenfalls heute der Öffentlichkeit vorgestellt wird. In der Hälfte der ersten eROSITA-Himmelsdurchmusterung entdeckten die Wissenschaftler 12.247 optisch identifizierte Galaxienhaufen. „8.361 davon sind Neuentdeckungen – mehr als 80 %“, staunt Dr. Matthias Kluge, Postdoktorand am MPE und verantwortlich für die optische Identifikation der entdeckten Haufen. „Das zeigt das enorme Entdeckungspotenzial von eROSITA.“

Bezieht man die Entfernung der Galaxienhaufen mit ein, so befinden sich diese an den Schnittpunkten des sogenannten kosmischen Netzes. Der ebenfalls heute veröffentlichte Superhaufen-Katalog kartiert die Galaxienhaufen und wie sie mit großräumigen Filamenten miteinander verbunden sind. „Wir haben mehr als 1300 Superhaufensysteme gefunden, was dies zur bisher größten Sammlung von Röntgen-Superhaufen macht“, sagt Dr. Ang Liu, Postdoktorand am MPE.

Ein weiteres Erfolgsgeheimnis dieser Studie war die korrekte Reproduktion der eROSITA-Beobachtungen durch umfangreiche Computersimulationen. „Auf diese Weise konnten wir die Haufen in den eROSITA-Daten vollständig erfassen, indem wir verstanden, welche wir übersehen haben“, sagt Dr. Nicolas Clerc, Forscher am IRAP in Toulouse. „Der Umgang mit diesen so genannten ‚Selektionsfehlern‘ war eine zusätzliche Schwierigkeit bei unserer Arbeit“.

Um die Masse der einzelnen Sternhaufen zu messen, nutzten die Wissenschaftler des eROSITA-Teams ein schwaches Gravitationssignal, das aus drei optischen Durchmusterungen stammt: der von Europa geleiteten KiloDegree-Survey, der von den USA geleiteten Dark Energy Survey und das von Japan geleitete Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, ein wahrhaft globales Unterfangen. Der so genannte schwache Gravitationslinseneffekt tritt auf, wenn das Licht von Hintergrundgalaxien durch gravitative Wechselwirkungen mit dem Haufen im Vordergrund verzerrt wird. „Wir entschlüsseln dann diese Verzerrungen, um die Masse der Galaxienhaufen zu bestimmen“, sagt Sebastian Grandis, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Innsbruck.

„Während wir die monumentale Leistung des eROSITA-Teams würdigen, sind wir gespannt auf die aufregenden weiteren Entdeckungen, die unser Verständnis der Ursprünge und der Entwicklung unseres Universums vertiefen werden“, betont Dr. Esra Bulbul. Das eROSITA-Team ist gespannt darauf, die im Februar 2022 abgeschlossenen 4,5 vollständigen Himmelsdurchmusterungen weiter zu analysieren. „Wenn die vollständigen Daten ausgewertet sind, wird eROSITA erneut unsere kosmologischen Modelle dem strengsten Test unterziehen, der jemals mit einer Durchmusterung von Galaxienhaufen durchgeführt wurde.“

Hinweis
Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert („Grant Agreement No 101002585“).

Originalveröffentlichung
The SRG/eROSITA All-Sky Survey – Cosmology Constraints from Cluster Abundances in the Western Galactic Hemisphere
V. Ghirardini, E. Bulbul, E. Artis et al.
Submitted to A&A
https://arxiv.org/abs/2402.08458
pdf: https://arxiv.org/abs/2402.08458

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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Quelle: Universität Bonn 1. Dezember 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Expansion des Universums

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Quelle: ESON 19. Oktober 2023.

19. Oktober 2023 – Die Quelle wurde mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in einer Galaxie lokalisiert, die so weit entfernt ist, dass ihr Licht acht Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Der Radioblitz ist auch einer der energiereichsten, die je beobachtet wurden; in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde gab er die äquivalente Energiemenge von 30 Jahren der Gesamtemission unserer Sonne frei.

Die Entdeckung des Ausbruchs, genannt FRB 20220610A, wurde im Juni des letzten Jahres vom ASKAP-Radioteleskop in Australien gemacht [1] und übertraf den bisherigen Distanzrekord des Teams um 50 Prozent.

„Mit dem ASKAP-Antennenfeld konnten wir genau bestimmen, woher der Ausbruch kam“, erläutert Stuart Ryder, Astronom von der Macquarie University in Australien und einer der Hauptautoren der heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie. „Dann haben wir [mit dem VLT der ESO] in Chile nach der Quellgalaxie gesucht [2] und haben festgestellt, dass sie älter und weiter entfernt ist als jede andere bisher gefundene Radioblitz-Quelle und wahrscheinlich innerhalb einer kleinen Gruppe verschmelzender Galaxien liegt.“

Die Entdeckung bestätigt, dass schnelle Radioblitze dazu verwendet werden können, die „fehlende“ Materie zwischen Galaxien zu messen und somit eine neue Möglichkeit bieten, das Universum zu „wiegen“.

Aktuelle Methoden zur Schätzung der Masse des Universums liefern widersprüchliche Antworten und stellen das Standardmodell der Kosmologie infrage. „Wenn wir die Menge an normaler Materie im Universum zählen – den Atomen, aus denen wir alle bestehen – stellen wir fest, dass mehr als die Hälfte von dem, was heute vorhanden sein sollte, fehlt“, sagt Ryan Shannon, Professor an der Swinburne University of Technology in Australien, der die Studie ebenfalls leitete. „Wir vermuten, dass sich die fehlende Materie im Raum zwischen den Galaxien verbirgt, aber sie ist vielleicht so heiß und diffus, dass sie mit üblichen Techniken nicht sichtbar ist.“

„Schnelle Radioblitze erkennen dieses ionisierte Material. Selbst in einem nahezu perfekt leeren Raum können sie alle Elektronen sehen, und das ermöglicht es uns, zu messen, wie viel Materie zwischen den Galaxien ist“, erklärt Shannon.

Das Auffinden entfernter schneller Radioblitze ist entscheidend für die genaue Messung der fehlenden Materie des Universums, wie der verstorbene australische Astronom Jean-Pierre (J-P) Macquart 2020 nachgewiesen hat. „J-P hat gezeigt, dass je weiter ein schneller Radioblitz entfernt ist, desto mehr diffuse Gase er zwischen den Galaxien nachweisen kann. Dies wird jetzt als Macquart-Beziehung bezeichnet. Einige kürzlich aufgetretene schnelle Radioblitze schienen diese Beziehung zu brechen. Unsere Messungen bestätigen, dass die Macquart-Beziehung bis über die Hälfte des bekannten Universums hinausreicht“, erläutert Ryder.

„Während wir immer noch nicht wissen, was diese massiven Ausbrüche von Energie verursacht, bestätigt die Studie, dass schnelle Radioblitze häufige Ereignisse im Kosmos sind und dass wir sie verwenden können, um Materie zwischen Galaxien zu erkennen und die Struktur des Universums besser zu verstehen“, ergänzt Shannon.

Das Ergebnis stellt die Grenze dessen dar, was heute mit Teleskopen erreicht werden kann, obwohl Astronomen in Kürze über Mittel verfügen werden, um noch ältere und fernere Ausbrüche zu erkennen, ihre Quellgalaxien zu bestimmen und die fehlende Materie des Universums zu messen. Das internationale Square Kilometre Array Observatory baut derzeit zwei Radioteleskope in Südafrika und Australien, die Tausende von schnellen Radioblitzen auspüren können, einschließlich sehr entfernter, für die aktuelle Einrichtungen blind sind. Das Extremely Large Telescope der ESO, ein 39-Meter-Teleskop im Bau in der chilenischen Atacama-Wüste, wird eines der wenigen Teleskope sein, das in der Lage ist, die Quellgalaxien von Ausbrüchen noch weiter entfernt als FRB 20220610A zu studieren.

Endnoten
[1] Das ASKAP-Teleskop gehört der CSIRO, der nationalen Wissenschaftsagentur Australiens, und wird von ihr auf dem Land der Wajarri Yamaji in Westaustralien betrieben.

[2] Das Team verwendete Daten, die mit den Instrumenten FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2), X-shooter und High Acuity Wide-field K-band Imager (HAWK-I) am VLT der ESO gewonnen wurden. Daten vom Keck-Observatorium in Hawai’i, USA, wurden ebenfalls in der Studie verwendet.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wurde in einem Artikel mit dem Titel „A luminous fast radio burst that probes the Universe at redshift 1“ vorgestellt, der in Science erscheinen wird.

Das Team besteht aus S. D. Ryder (Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften, Macquarie University, Australien [SMPS]; Forschungszentrum für Astrophysik und Raumtechnologien, Macquarie University, Sydney, Australien [ASTRC]), K. W. Bannister (Nationale Einrichtung für Teleskope in Australien, Organisation für Wissenschaft und Industrieforschung, Weltraum und Astronomie, Australien [CSIRO]), S. Bhandari (Niederländisches Institut für Radioteleskopie, Niederlande; Gemeinsames Institut für Very Long Baseline Interferometry in Europa, Niederlande), A. T. Deller (Zentrum für Astrophysik und Supercomputing, Swinburne University of Technology, Australien [CAS]), R. D. Ekers (CSIRO; Internationales Zentrum für Radioastronomie-Forschung, Curtin Institute of Radio Astronomy, Curtin University, Australien [ICRAR]), M. Glowacki (ICRAR), A. C. Gordon (Zentrum für interdisziplinäre Erforschung und Astrophysik, Northwestern University, USA [CIERA]), K. Gourdji (CAS), C. W. James (ICRAR), C. D. Kilpatrick (CIERA; Abteilung für Physik und Astronomie, Northwestern University, USA), W. Lu (Abteilung für Astronomie, University of California, Berkeley, USA; Theoretical Astrophysics Center, University of California, Berkeley, USA), L. Marnoch (SMPS; ASTRC; CSIRO; Australisches Forschungsrat-Zentrum für allumfassende Astrophysik in 3 Dimensionen, Australien), V. A. Moss (CSIRO), J. X. Prochaska (Abteilung für Astronomie und Astrophysik, University of California, Santa Cruz, USA [Santa Cruz]; Kavli-Institut für Physik und Mathematik des Universums, Japan), H. Qiu (SKA Observatory, Jodrell Bank, Vereinigtes Königreich), E. M. Sadler (Sydney Institute for Astronomy, School of Physics, University of Sydney, Australien; CSIRO), S. Simha (Santa Cruz), M. W. Sammons (ICRAR), D. R. Scott (ICRAR), N. Tejos (Institut für Physik, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Chile) und R. M. Shannon (CAS).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Fachartikel
pdf: https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2317a.pdf

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• ESO

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 6. Oktober 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: JGU 10. August 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: JGU 20. Juli 2023.

20. Juli 2023 – Der theoretische Physiker Marvin Schnubel von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) erhält ein Feodor Lynen-Forschungsstipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung. Es ermöglicht ihm, ab Herbst dieses Jahres als Postdoc am berühmten Brookhaven National Laboratory (BNL) in den USA zu forschen. Marvin Schnubel hat während seiner Doktorarbeit in der Gruppe von Prof. Dr. Matthias Neubert einen neuartigen theoretischen Ansatz genutzt, um Präzisionstests des Standardmodells der Teilchenphysik in Bezug auf das Higgs-Teilchen durchzuführen. Im Rahmen eines seiner Forschungsvorhaben am BNL möchte er diesen Ansatz weiterentwickeln und auf weitere Prozesse anwenden.

Das „Handwerkszeug“ von Marvin Schnubel ist die sogenannte „effektive Feldtheorie (EFT)“. „Sie ist die verbindende Klammer all meiner Forschungsprojekte, in Mainz wie in Brookhaven“, erläutert Marvin Schnubel. „Denn so unterschiedlich die Projekte sind, die zugrundeliegende Herangehensweise ist identisch und jeweils fest verankert im Bereich der EFT.“

Ausgangspunkt ist dabei das sogenannte Standardmodell (SM) der Teilchenphysik. Es beschreibt die Eigenschaften und Wechselwirkungen der fundamentalen Bausteine – der Elementarteilchen – mit erstaunlicher Präzision. Und doch ist klar, dass es nicht die endgültige Theorie sein kann. Beispielsweise erklärt das SM nicht, was dunkle Materie ist oder warum die Massen der einzelnen Elementarteilchen so stark unterschiedlich sind. Eine Möglichkeit zu einer vollständigeren Theorie zu gelangen, ist der Vergleich von theoretischen Vorhersagen auf Basis des SM mit dem Experiment. Gibt es hier Abweichungen, ist das ein Hinweis auf neue Physik. In dem Zusammenhang stellen EFTs Vereinfachungen des kompletten SM dar, mit deren Hilfe man Rechnungen durchführen und aus ihnen präzise Vorhersagen ableiten kann.

In einem von Marvin Schnubels Forschungsprojekten am BNL geht es um Axion-artige Teilchen, die vielversprechende Kandidaten für dunkle Materie sind – hier gilt es deren Eigenschaften, etwa ihre Wechselwirkungen, theoretisch vorherzusagen und mit experimentellen Befunden zu korrelieren bzw. passende Experimente zu konzeptionieren. Entsprechende Vorarbeiten aus der Mainzer Zeit gibt es bereits. Ein zweites Projekt zielt darauf ab, möglichst präzise Vorhersagen aus dem Standardmodell herzuleiten und mit dem experimentell gemessenen Wert zu vergleichen. Denn nur wenn die Theorie ähnlich präzise ist wie das Experiment lassen sich verlässliche Aussagen bezüglich möglicher Abweichungen – und somit im Hinblick auf das Vorkommen neuer Teilchen – treffen. „Wenn Teilchen mit sehr verschiedenen Energien interagieren, kommen traditionelle theoretische Methoden oft an ihre Grenzen. Unter anderem in meiner Doktorarbeit wurde dieses Problem in Bezug auf Entstehung und Zerfall des Higgs-Teilchens aus zwei Gluonen am LHC gelöst“, so Marvin Schnubel. „Dazu haben wir auf Basis der EFT die sogenannte Soft Collinear Effective Theory (SCET) genutzt, mit deren Hilfe sich Prozesse in einzelne Anteile zerlegen lassen und sich so der Gesamtprozess insgesamt besser berechnen lässt. Dabei ist die SCET Methode die erste, die in dem Bereich ausreichend genaue analytische Berechnungen erlaubt.“ Am BNL will Marvin Schnubel die SCET Methode auf weitere Prozesse anwenden und weiterentwickeln, um einerseits die Methode als State-of-the-Art Rechnung zu etablieren und andererseits wichtige theoretische Vorhersagen für Experimente abzuleiten.

Über das Stipendium
Der Biochemiker und Nobelpreisträger Feodor Lynen hat sich als Präsident der Alexander von Humboldt-Stiftung (1975-1979) dafür eingesetzt, das internationale Humboldt-Netzwerk für Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler aus Deutschland zu öffnen. Mit dem nach ihm benannten und aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung finanzierten Stipendium ermöglicht die Humboldt-Stiftung überdurchschnittlich qualifizierten Postdocs oder erfahrenen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland, die am Anfang ihrer wissenschaftlichen Laufbahn stehen, langfristige und weltweite Forschungsaufenthalte im Ausland.

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• Ehrungen

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Quelle: JGU 23. März 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Universität Bonn 5. August 2022.

5. August 2022 – Die Ergebnisse der Studie sprechen dafür, dass die Zwerggalaxien des zweitnächsten Galaxienhaufens der Erde – des sogenannten Fornax-Haufens – frei von solchen Halos aus Dunkler Materie sind. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen.

Zwerggalaxien sind kleine, schwache Galaxien, die normalerweise in Galaxienhaufen oder in der Nähe größerer Galaxien zu finden sind. Aus diesem Grund können sie von den Gravitationswirkungen ihrer größeren Begleiter beeinflusst werden. „Wir stellen eine innovative Methode zur Überprüfung des Standardmodells vor, die darauf beruht zu untersuchen, wie stark Zwerggalaxien durch die Schwerkraft von nahegelegenen größeren Galaxien gestört werden“, sagt Elena Asencio, Doktorandin an der Universität Bonn und Erstautorin der Studie. Solche Gezeiten entstehen, wenn die Schwerkraft eines Körpers auf verschiedene Teile eines anderen Körpers wirkt. Sie sind vergleichbar mit den Gezeiten auf der Erde – bestimmt durch den Mond, der wie ein Magnet an der ihm zugewandten Seite der Erde zieht.

Der Fornax-Haufen hat viele Zwerggalaxien. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass einige dieser Zwerggalaxien verzerrt erscheinen, als wären sie durch die Umgebung des Haufens gestört worden. „Solche Störungen in den Fornax-Zwergen erwartet man nach dem Standardmodell nicht“, sagt Prof. Dr. Pavel Kroupa von der Universität Bonn und der Karls-Universität in Prag. „Das liegt daran, dass nach diesem Modell die Halos aus Dunkler Materie die Zwerge größtenteils vor den Gezeiten des Haufens schützen.“

Das Team analysierte das erwartete Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge, das von ihren inneren Eigenschaften und ihrer Entfernung zum gravitativen Zentrum des Haufens abhängt: Galaxien mit großer Größe, aber geringer stellarer Masse und Galaxien in der Nähe des Haufenzentrums werden leichter gestört oder zerstört. Die Ergebnisse verglichen sie mit dem Störungsgrad, beobachtet aus Bildern des VLT Survey Teleskops der Europäischen Südsternwarte.

Das Ergebnis des Vergleichs: „Um die Beobachtungen mit dem Standardmodell zu erklären, müssten die Fornax-Zwerge bereits durch die Gravitation des Haufenzentrums zerstört werden, selbst wenn die Gezeiten, die auf einen Zwerg wirken, vierundsechzigmal schwächer sind als die Eigengravitation des Zwergs“, sagt Elena Asencio. Das sei nicht nur der Intuition widersprechend, sondern widerspreche auch früheren Studien, die zeigten, dass die externe Kraft, die nötig ist, um eine Zwerggalaxie zu stören, ungefähr so groß ist wie die Eigengravitation des Zwergs.

Widerspruch zum Standardmodell
Daraus schlossen die Autorinnen und Autoren, dass es im Standardmodell nicht möglich ist, die beobachteten Erscheinungsformen der Fornax-Zwerge auf eine in sich widerspruchsfreie Weise zu erklären. Das Team wiederholte die Analyse mithilfe der Milgromschen Dynamik (MOND). Nach dieser Theorie gehorcht die Anziehung zwischen zwei Massen nur bis zu einem bestimmten Punkt den Newton’schen Gesetzen. Bei sehr kleinen Beschleunigungen, wie sie in Galaxien vorherrschen, wird sie dagegen erheblich stärker. Daher reißen Galaxien durch ihre Drehgeschwindigkeit auch nicht auseinander.

„Wir waren uns nicht sicher, ob die Zwerggalaxien in der Lage sein würden, die extreme Umgebung eines Galaxienhaufens in MOND zu überleben, da es in diesem Modell keine schützenden Halos aus Dunkler Materie gibt“, sagt Dr. Indranil Banik von der University of St. Andrews. „Aber unsere Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen den Beobachtungen und den MOND-Erwartungen für das Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge.“

„Es ist aufregend zu sehen, dass die Daten, die wir mit dem Survey Teleskop erhalten haben, einen so gründlichen Test kosmologischer Modelle ermöglichen“, betonen die Koautoren Aku Venhola von der Universität Oulu (Finnland) und Steffen Mieske von der Europäischen Südsternwarte.

Es sei nicht das erste Mal, dass eine Studie, die die Auswirkungen der Dunklen Materie auf die Dynamik und Entwicklung von Galaxien untersucht, zu dem Schluss komme, dass die Beobachtungen besser dadurch erklärt werden können, dass die Galaxien nicht von Dunkler Materie umgeben sind. „Die Anzahl der Veröffentlichungen, die Unvereinbarkeiten zwischen Beobachtungen und dem Paradigma der Dunklen Materie aufzeigen, nimmt jedes Jahr zu“, sagt Pavel Kroupa, Mitglied der Transdisziplinären Forschungsbereiche „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn. „Es ist an der Zeit, deutlich mehr Ressourcen in andere Theorien zu investieren.“

Dr. Hongsheng Zhao von der University of St. Andrews fügt hinzu: „Unsere Ergebnisse haben große Auswirkungen auf die Grundlagenphysik. Wir erwarten, dass wir mehr gestörte Zwerggalaxien in anderen Haufen finden, eine Vorhersage, die von anderen Teams überprüft werden sollte“.

Beteiligte Institutionen und Förderung
An der Studie waren neben der Universität Bonn die University of Saint Andrews (Schottland), die Europäische Südsternwarte (ESO), die Universität Oulu (Finnland) und die Karls-Universität in Prag (Tschechien) beteiligt. Die Studie wurde gefördert durch die Universität Bonn, den britischen Science and Technology Facilities Council und den Deutschen Akademischen Austauschdienst.

Originalpublikation
Elena Asencio, Indranil Banik, Steffen Mieske, Aku Venhola, Pavel Kroupa & Hongsheng Zhao: The distribution and morphologies of Fornax Cluster dwarf galaxies suggest they lack dark matter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; doi.org/10.1093/mnras/stac1765

https://arxiv.org/abs/2208.02265

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• Dunkle Materie

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 28. Juni 2022.

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

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

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

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

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

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

Programm

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

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Universität Hamburg.

6. April 2022. Sogenannte Quantenfeldtheorien beschreiben mathematisch das Verhalten von Feldern in mehrdimensionalen Räumen. Von Bedeutung ist das beispielsweise an der Schnittstelle zur Physik, denn das Standardmodell der Teilchenphysik, das die kleinsten Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen beschreibt, ist eine Quantenfeldtheorie in der vierdimensionalen Raumzeit. Hier setzt die Forschung von Dr. David Reutter an, der sich mit topologischen Quantenfeldtheorien in mehr als drei Dimensionen beschäftigt. Im Unterschied zu vollständigen Quantenfeldtheorien werden mit ihrer Hilfe globale Eigenschaften von Räumen sichtbar, während lokale Details unberücksichtigt bleiben.

„Topologische Quantenfeldtheorien sind aus mathematischer Sicht einfacher zu beschreiben als vollständige Quantenfeldtheorien“, erklärt David Reutter. Eine topologische Quantenfeldtheorie unterscheide nicht zwischen einer Tasse und einem Donut. Das habe damit zu tun, dass Unterschiede in der Krümmung der Oberflächen von Tasse und Donut durch die Brille dieser Theorie nicht sichtbar sind. Anders sei das zum Beispiel bei Löchern, die sich erkennen und beschreiben lassen. Reutter verdeutlicht das mit einem Beispiel: „Eine Ameise kann auf der Oberfläche der Tasse in sie hineinkrabbeln und auch wieder hinaus, unabhängig von der Oberflächenkrümmung. Aber es ist unmöglich, auf direktem Weg vom Tassenkörper auf den gegenüberliegenden Henkel zu gelangen, denn dazwischen liegt ein Loch. Genauso verhält es sich mit dem Donut. Einen direkten Weg von der einen auf die dem Loch gegenüberliegenden Seite gibt es für die Ameise nicht. Sie muss auf dem Donut um das Loch herumlaufen.“

Im Vergleich zu niedrigeren und höheren Dimensionen ist vor allem die Beschreibung vierdimensionaler Räume, wie etwa unserer Raumzeit, mathematisch erstaunlich kompliziert und birgt noch viele offene Fragen. Topologische Quantenfeldtheorien in drei Dimensionen haben Mathematiker inzwischen dagegen so gut erforscht, dass konkrete Anwendungen möglich sind: „Unter sehr gut kontrollierten Bedingungen im Labor können wir mittlerweile Systeme herstellen, die sich wie topologische Quantenfeldtheorien in drei Dimensionen verhalten, was im Hinblick auf mögliche Architekturen von Quantencomputern oder in der Physik stark verdichteter Materie relevant ist“, erklärt David Reutter.

David Reutter hat an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich Physik im Bachelor und Master studiert und im Anschluss den Masterstudiengang „Part III of the Mathematical Tripos“ an der University of Cambridge absolviert. Seine Promotion in Informatik schloss er 2019 an der University of Oxford ab. Danach war er Postdoc am Max-Planck-Institut für Mathematik in Bonn und „Strauch Postdoctoral Fellow“ am Mathematical Sciences Research Institute in Berkeley, USA.

Das Emmy Noether-Programm ist eine Förderlinie der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Sie eröffnet herausragend qualifizierten jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer Nachwuchsgruppe für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Universität Bonn.

4. Februar 2022 – Das Standardmodell der Kosmologie beschreibt, wie das Weltall nach Ansicht der meisten Physikerinnen und Physiker entstanden ist. Forschende der Universität Bonn haben nun auf seiner Basis die Entwicklung der Galaxien untersucht. Dabei sind sie auf erhebliche Abweichungen zu tatsächlichen Beobachtungen gestoßen. An der Studie waren auch die Universität von St. Andrews in Schottland sowie die Karls-Universität in Tschechien beteiligt. Die Ergebnisse sind jetzt im Astrophysical Journal erschienen.

Die meisten Galaxien, die von der Erde aus sichtbar sind, ähneln einer flachen Scheibe mit verdicktem Zentrum. Sie gleichen also in etwa dem Sportgerät eines Diskuswerfers. Laut Standardmodell der Kosmologie sollten solche Scheiben aber eher selten entstehen. Denn ihm zufolge ist jede Galaxie von einer Art Heiligenschein aus dunkler Materie umgeben. Dieser Halo ist unsichtbar, übt jedoch aufgrund seiner Masse eine starke Anziehungskraft auf Galaxien in der Umgebung aus. „Daher kommt es immer wieder dazu, dass Galaxien miteinander verschmelzen“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn.

Dieser Crash bewirke zweierlei, erläutert der Physiker: „Zum Einen durchdringen sich die Galaxien dabei, wodurch die Scheiben-Form zerstört wird. Zum Zweiten verringert sich durch ihn der Drehimpuls der durch die Fusion entstandenen neuen Galaxie.“ Vereinfacht gesagt, nimmt dadurch ihre Rotationsgeschwindigkeit stark ab. Die Drehbewegung sorgt normalerweise dafür, dass sich durch die dabei wirkenden Fliehkräfte eine neue Scheibe formiert. Ist der Drehimpuls dazu zu schwach, passiert das jedoch nur sehr langsam oder unterbleibt ganz.

Große Diskrepanz zwischen Vorhersage und Realität
In der aktuellen Studie hat Kroupas Doktorand Moritz Haslbauer eine internationale Forschungsgruppe geleitet, um den Werdegang des Universums anhand der aktuellsten Superrechner-Simulationen zu untersuchen. Die Berechnungen basieren auf dem Standardmodell; sie zeigen, welche Galaxien sich bis heute hätten bilden müssen, sollte diese Theorie korrekt sein. Ihre Ergebnisse verglichen die Forscher dann mit den momentan wohl genauesten Beobachtungsdaten des von der Erde sichtbaren Universums.

„Dabei sind wir auf eine erhebliche Diskrepanz zwischen Vorhersage und Realität gestoßen“, sagt Haslbauer: „Es gibt augenscheinlich deutlich mehr flache Scheibengalaxien, als sich durch die Theorie erklären lässt.“ Allerdings ist die Auflösung von Simulationen auch auf heutigen Supercomputern begrenzt. Es kann daher sein, dass die Zahl der Scheibengalaxien, die im kosmologischen Standardmodell entstehen würden, unterschätzt wurde. „Selbst wenn wir diesen Effekt berücksichtigen, bleibt aber ein gravierender Unterschied zwischen Theorie und Beobachtung“, betont Haslbauer.

Anders sieht es bei einer Alternative zum Standardmodell aus, die ohne Dunkle Materie auskommt. Nach der sogenannten MOND-Theorie (das Kürzel steht für „Theorie der MilgrOmscheN Dynamik) wachsen Galaxien nicht, indem sie miteinander verschmelzen. Stattdessen entstehen sie aus rotierenden Gaswolken, die sich mehr und mehr verdichten. Auch in einem MOND-Universum werden Galaxien immer größer, indem sie Gas aus der Umgebung aufnehmen. Fusionen ausgewachsener Galaxien wie im Standardmodell sind aber selten. „Unsere Bonn-Prag-Forschungsgruppe hat die weltweit einzigartige Fähigkeit aufgebaut, diese Alternative ebenfalls durchzurechnen“, sagt Kroupa, der auch Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn ist. „Die Vorhersagen von MOND entsprechen dem, was wir tatsächlich sehen.“

Herausforderung für das Standardmodell
Allerdings sind die genauen Mechanismen des Galaxien-Wachstums auch bei MOND noch nicht vollständig verstanden. Zudem haben in MOND die Newton’schen Gravitationsgesetze unter bestimmten Umständen keine Gültigkeit, sondern müssen abgeändert werden. Das hätte weitreichende Konsequenzen auch für andere Bereiche der Physik. „Dennoch löst die MOND-Theorie alle bekannten extragalaktisch-kosmologischen Probleme“, sagt Dr. Indranil Banik, der maßgeblich an diesen Untersuchungen beteiligt war. „Unsere Studie belegt, dass junge Physikerinnen und Physiker auch heute noch die Chance haben, bedeutende Beiträge zur fundamentalen Physik zu leisten“, ergänzt Kroupa.

Publikation:
Moritz Haslbauer, Indranil Banik, Pavel Kroupa, Nils Wittenburg und Behnam Javanmardi: The high fraction of thin disk galaxies continues to challenge ΛCDM cosmology; Astrophysical Journal; DOI: 10.3847/1538-4357/ac46ac;
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac46ac
https://arxiv.org/abs/2202.01221

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: BASE-Kollaboration, JGU.

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Antimaterie

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Quelle: Universität Bonn.

13. September 2021 – Ist das Standardmodell der Teilchenphysik an zentralen Punkten nicht korrekt? In jüngster Zeit mehren sich experimentelle Beobachtungen, die von den Vorhersagen dieser weithin akzeptierten physikalischen Theorie abweichen. Eine aktuelle Studie der Universität Bonn liefert nun noch stärkere Hinweise auf die Existenz einer „neuen Physik“. Die finale Version der Arbeit ist nun in der Fachzeitschrift Physics Letters B erschienen. Erstautor Chien-Yeah Seng wird die Ergebnisse Mitte Oktober auf der Herbsttagung der US-amerikanischen Physikalischen Gesellschaft präsentieren.

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Bausteine, aus denen die Welt zusammengesetzt ist – wir Menschen, die Sandkörner am Strand, das Meereswasser, in dem wir uns abkühlen, aber auch die Sonne, die auf uns niederbrennt. Außerdem erklärt das Modell, welche Kräfte zwischen diesen Elementarteilchen wirken, und erlaubt es, viele physikalische Phänomene zu verstehen.

„Es gibt allerdings auch Fragen, die diese Theorie nicht beantworten kann“, erklärt Dr. Chien-Yeah Seng, Postdoktorand am Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. „So gehen die meisten Forscherinnen und Forscher davon aus, dass 95 Prozent unseres Universums aus dunkler Materie und dunkler Energie bestehen, die wir mit unseren Messinstrumenten nicht direkt nachweisen können. Aus dem Standardmodell lässt sich die Existenz dieser mysteriösen Komponenten aber nicht herleiten.“

Viele Forschende gehen daher davon aus, dass das Standardmodell noch nicht der Weisheit letzter Schluss ist, sondern ergänzt oder sogar grundlegend verändert werden muss. In diese Richtung deuten auch immer mehr experimentelle Befunde, etwa die zum Zerfall der sogenannten Kaonen. Diese Teilchen sind ein Bestandteil der kosmischen Strahlung, die von Sternen und Galaxien ausgeht. Sie sind nicht stabil, sondern zerfallen im Schnitt nach wenigen Milliardstel Sekunden.

Kleine Diskrepanz zwischen Messung und Theorie

Ein Parameter des Standardmodells namens Vus beschreibt diesen Zerfall. Sein Wert lässt sich aus den Messdaten von Experimenten rechnerisch extrahieren. Wenn man das jedoch für verschiedene Zerfallswege von Kaonen macht, so erhält man unterschiedliche Ergebnisse für Vus. „Das könnte ein Hinweis von Physik jenseits des Standardmodells sein“, führt Seng aus.

Ganz sicher ist es aber nicht. Denn grundsätzlich gibt es drei mögliche Gründe für diese Diskrepanz: Erstens können die Messungen in den Experimenten falsch oder zu ungenau sein. Zweitens ist vielleicht die Berechnung der relevanten Zerfälle im Rahmen des Standardmodells nicht präzise genug. Oder, drittens, das Standardmodell ist an diesem Punkt tatsächlich unzutreffend. „Die erste Erklärung gilt inzwischen als unwahrscheinlich“, betont Prof. Dr. Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut. „Zum einen ist es heute immer exakter möglich, Vus experimentell zu bestimmen. Zum anderen wurden diese Messungen inzwischen schon viele Male wiederholt.“

Ist die Theorie falsch? Oder ist die Berechnung zu ungenau?

Unklar ist bislang aber noch, ob die Berechnungen der Zerfälle im Rahmen des Standardmodelles zur Extraktion von Vus präzise genug sind. Denn diese zu kalkulieren, ist nur näherungsweise möglich, und das auch nur unter Einsatz extrem leistungsfähiger Supercomputer. Selbst die schnellsten Rechner wären momentan zudem Jahrzehnte beschäftigt, um eine genügend hohe Rechengenauigkeit zu erzielen. „Wir benötigen aber eine hohe Genauigkeit, um ausreichend sicher sein zu können, dass die Diskrepanz zwischen den Vus-Werten tatsächlich auf einen Fehler im Standardmodell hindeutet“, betont Seng.

Der Nachwuchswissenschaftler aus Malaysia hat nun zusammen mit Kollegen eine Methode entwickelt, durch die sich die Rechenzeit entscheidend verkürzen lässt. „Dazu haben wir das Problem – die genaue Extraktion von Vus – in viele einfacherer Teilprobleme zerlegt“, sagt er. „Dadurch war es möglich, den Wert von Vus erheblich schneller und exakter als bislang aus Kaon-Zerfällen zu bestimmen.“

Hinweise auf eine „neue Physik“ verdichten sich

Die Ergebnisse bestätigen die Diskrepanz zwischen den Vus-Werten. Die Hinweise auf eine „neue Physik“ jenseits des Standardmodells haben sich daher verdichtet. „Ganz sicher können wir allerdings noch nicht sein“, sagt Seng, der seine Ergebnisse Mitte Oktober auf der Herbsttagung der US-amerikanischen Physikalischen Gesellschaft präsentieren wird. „Dazu müssen unsere Berechnungen noch etwas genauer werden. Wenn sich unsere Ergebnisse aber bestätigen, wäre das sicher einer der wichtigsten Befunde der letzten Jahre in der Teilchenphysik.“

Beteiligte Institutionen und Förderung:

An der Studie waren auch Forschende des Helmholtz-Instituts in Mainz beteiligt. Sie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die National Natural Science Foundation in China, die chinesische Academy of Sciences, die Humboldt-Stiftung und die Volkswagen-Stiftung gefördert.

Publikation: Chien-Yeah Seng, Daniel Galviz, Mikhail Gorchtein und Ulf-G. Meißner: High-precision determination of the Ke3 radiative corrections. Physics Letters B, https://doi.org/10.1016/j.physletb.2021.136522

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• Teilchenumwandlung

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