Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 20. August 2024.

20. August 2024 – Die Erwärmung des Ozeans bei den Fidschi-Inseln im Südwestpazifik zeigt den höchsten Stand seit über 600 Jahren. Dies geht aus der Auswertung von Korallendaten hervor, die ein internationales Team von Forschenden vorgenommen hat. Die Daten sind ein weiterer Beweis für die beispiellose Erwärmung des westlichen Pazifiks. 2022 war demnach in der Region das wärmste Jahr seit dem Jahr 1370. Die Forschenden haben einen über zwei Meter langen Kern aus der Riesenkoralle Diploastrea heliopora untersucht und konnten aus der chemischen Zusammensetzung Rückschlüsse auf die Temperaturentwicklung im Verlauf von 627 Jahren ziehen. Dies wurde um Messungen der Wassertemperatur für weitere 26 Jahre ergänzt. Der südwestliche Pazifik spielt eine zentrale Rolle für die Regulation globaler Klimamuster, wie beispielsweise des Wetterphänomens El Niño-Southern Oscillation, eines der wichtigsten Phänomene mit Auswirkungen auf das globale Klima – und damit auf den Menschen und die Umwelt weltweit.

Korallen dienen als lebende Temperatursensoren
Das Team unter der Führung der Universidad Nacional Autónoma de México und der University of Leicester legte damit die bisher längste kontinuierliche Rekonstruktion der Meeresoberflächentemperatur vor, die anhand des Verhältnisses von Strontium zu Kalzium einer Koralle vorgenommen wurde. Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat zu der Datierung – die mit jährlicher Auflösung erfolgt – beigetragen. „Wir haben das Alter der abgelagerten Schichten mithilfe der Uran-Thorium-Datierungsmethode bestimmt und konnten damit die Zählung der einzelnen jährlichen Lagen unabhängig bestätigen. Damit war eine präzise, absolute Datierung der Koralle möglich“, erklärt Prof. Dr. Denis Scholz, Leiter der Arbeitsgruppe Isotopengeochemische Paläoklimatologie/Speläothemforschung am Institut für Geowissenschaften. Diploastrea heliopora wächst in einem Jahr durchschnittlich um nur drei bis sechs Millimeter.

Die Korallen mit ihrem langen Lebensalter dienen den Forschenden somit als Temperatursensoren: Sie haben in ihrem Skelett die Klima- und Umweltveränderungen gespeichert, die das Korallenriff über Jahrhunderte geprägt hat. Wie die Studie darlegt, ist die aktuelle Meerestemperatur auf dem Fidschi-Archipel die höchste in den vergangenen 653 Jahren. Über verschiedene Korrelationen und Temperaturgradienten zwischen tropischen und subtropischen Pazifikgebieten zeigt die Forschungsarbeit, dass die Bedingungen im 20. Jahrhundert von den Trends der vergangenen sechs Jahrhunderte abweichen. In Verbindung mit derzeitigen Klimamodell-Simulationen wäre demnach zu erwarten, dass es im Verlauf des 21. Jahrhunderts zu weiterer Trockenheit oder Starkregen kommt, je nach Position im Pazifik, und damit, falls nicht gegengesteuert wird, zu nachteiligen Auswirkungen für Bewohner der gefährdeten pazifischen Inseln und ihrer Ökosysteme.

Internationale Kooperation mit Beteiligten von drei Kontinenten
Die Studie erfolgte in Zusammenarbeit zwischen der Universidad Nacional Autónoma de México, der Universidad Autónoma de Baja California, der University of Leicester, der University of New South Wales, der Monash University, der Université de Bordeaux, dem Helmholtz-Zentrum Hereon und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Veröffentlichung:
Juan P. D’Olivo, Jens Zinke et al.
Coral Sr/Ca-SST reconstruction from Fiji extending to ~1370 CE reveals insights into the Interdecadal Pacific Oscillation
Science Advances, 14. August 2024
DOI: 10.1126/sciadv.ado5107
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado5107

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• Klimawandel

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 14. Mai 2024.

14. Mai 2024 – Der Sommer 2023 war heiß, sehr heiß sogar. Bilder von verheerenden Waldbränden in verschiedenen Gegenden der Erde, etwa in Frankreich, Griechenland und Kanada, prägten die Nachrichten. Geographen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der University of Cambridge haben nun tief in die Vergangenheit geblickt und entdeckt, dass der Sommer des vergangenen Jahres der wärmste war, den es seit dem Jahr 1 nach Christus in weiten Teilen der Nordhalbkugel gab. Das berichten sie in einem Artikel, der heute in der Online-Ausgabe des Magazins Nature erschienen ist. Darin beschreiben die Forscher um Prof. Dr. Jan Esper vom Geographischen Institut der JGU, wie sie Temperaturen von den Landmassen der nördlichen Erdhalbkugel zwischen dem 30. und dem 90. Breitengrad verglichen hatten. In diesem Bereich, der Europa sowie große Teile Nordamerikas und Asiens umfasst, liegen und lagen weltweit die meisten Wetterstationen. Die Forscher hatten zunächst die hier in den Monaten Juni, Juli und August 2023 gemessenen Temperaturen mit entsprechenden Temperaturen aus den Jahren von 1850 bis 1900 verglichen. Dadurch stellten sie fest, dass die Durchschnittstemperatur des Sommers 2023 um 2,07 Grad Celsius höher war als die der Sommer der „vorindustriellen Zeit“, wie die Phase von 1850 bis 1900 vom Weltklimarat genannt wird. Um einen noch umfassenderen Vergleich anstellen zu können, nutzten die Forscher dann ein bereits vorhandenes internationales Archiv von Klimadaten, die mit Hilfe von Baumringen rekonstruiert worden waren und bis ins Jahr 1 zurückreichen. „Dadurch haben wir festgestellt, dass der Sommer 2023 auch in diesem sehr langen Zeitraum der heißeste war und dass er um 2,2 Grad wärmer war als der durchschnittliche Sommer seit dem Jahr 1″, sagt Esper. „Das verdeutlicht, wie dramatisch sich die Erde erwärmt und wie wichtig es ist, dass wir die Treibhausgasemissionen unverzüglich senken.“

„Vorindustrielle Zeit“ von 1850 bis 1900 kühler als gedacht
Durch ihre Arbeit mit den Baumringdaten sind die Forscher noch zu einem anderen beunruhigenden Ergebnis gekommen: „Unsere Berechnungen zeigen, dass die Durchschnittstemperatur in der Zeit von 1850 bis 1900 um 0,24 Grad niedriger war als bislang auf Grundlage der Daten von Wetterstationen angenommen“, sagt Esper. „Das würde bedeuten, dass die Erwärmung größer ist als bisher gedacht und dass die formulierten Klimaziele neu kalkuliert werden müssen.“ Zum Beispiel ist es Ziel des Abkommens von Paris, die Erderwärmung im Vergleich zur vorindustriellen Zeit auf möglichst 1,5 Grad Celsius zu begrenzen. Und die Wissenschaftler um Esper sind davon überzeugt, dass ihre auf Basis von Baumringen rekonstruierten Temperaturen genauer sind als die der Wetterstationen aus der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts: „Damals gab es in dem von uns betrachteten Bereich nur 58 durchgehende Wetterstationen, von denen 45 in Europa lagen. Das heißt, für viele Räume der Nordhalbkugel und die gesamte Südhalbkugel gibt es keine ausreichenden Wetteraufzeichnungen“, sagt Esper. Außerdem sei bekannt, dass viele der damals erhobenen Daten ungenau seien, weil sie zum Beispiel von unzureichend gegen direkte Sonneneinstrahlung geschützten Thermometern stammten.

Die nun in Nature veröffentlichte Studie wurde zum Teil durch einen ERC Advanced Grant, einen Förderpreis der Europäischen Union, für Jan Esper finanziell unterstützt.

Veröffentlichung:
J. Esper et al., 2023 summer warmth unparalleled over the past 2000 years, Nature (2024), 14. Mai 2024,
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07512-y

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• Klimawandel

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 16. April 2024.

16. April 2024 – Die Europäische Organisation für Kernforschung CERN in Genf hat bekannt gegeben, auf der Suche nach bislang unbekannten Elementarteilchen ein neues Experiment namens SHiP (Search for Hidden Particles) durchführen zu wollen. Die Generaldirektorin des CERN, Fabiola Gianotti, betonte bei der Verkündung der neuen Pläne die Bedeutung dieses Vorhabens für das Verständnis des Universums.

„Die Welt der Elementarteilchen und das Verständnis des Kosmos stehen in einem untrennbaren Zusammenhang“, unterstreicht Prof. Heiko Lacker von der Humboldt- Universität zu Berlin, der Gründungsmitglied des SHiP-Experiments und zugleich langjähriger Sprecher der sechs Forschungsgruppen in Deutschland ist, die zur SHiP-Collaboration gehören. Mit dem SHiP-Experiment streben die Forscherinnen und Forscher Antworten auf grundlegende Fragen sowohl im Mikro- als auch im Makrokosmos an.

„Unser Verständnis der Welt in ihren kleinsten Bestandteilen ist noch immer lückenhaft“, erklärt Prof. Caren Hagner von der Universität Hamburg. „Viele Modelle zur vollständigen Beschreibung des Universums sagen die Existenz neuer Teilchen voraus, die bislang unserer Entdeckung entgangen sind. Es ist an der Zeit, sie zu finden.“

Spezieller Teilchendetektor
Ein herausragendes Merkmal des SHiP-Experiments liegt darin, dass der gesamte Teilchenstrahl, der zuvor durch einen Teilchenbeschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht wurde, auf ein massives Zielobjekt gerichtet wird. Dadurch wird eine signifikante Anzahl neuer Teilchen erzeugt. Dieser alternative Ansatz ermöglicht eine höhere Anzahl von Teilchenreaktionen, was wiederum sehr seltene Prozesse zugänglich macht.

Ein Schlüsselelement ist der Surrounding Background Tagger, ein riesiger Teilchendetektor, der dazu dient, unerwünschte Untergrundereignisse im SHiP-Experiment zu identifizieren. Dieser Detektor, der die Außenfläche von SHiP abdeckt, wurde von deutschen Forschungsgruppen vorgeschlagen und entwickelt.

„Unser Ziel ist es, mit dem SHiP-Experiment das weltweit empfindlichste Instrument seiner Art zu schaffen“, erklärt Prof. Michael Wurm von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. (JGU). „Durch innovative Technologien und sorgfältige Planung sind wir zuversichtlich, dass SHiP ein enormes Entdeckungspotential birgt.“

Der ambitionierte Zeitplan sieht vor, dass das Experiment bis 2027 im Detail geplant wird, gefolgt von der Konstruktion und dem Aufbau. Im Jahr 2031 sollen dann erste Daten bei dem Experiment aufgezeichnet werden.

„Die deutschen Forscherinnen und Forscher sind stolz darauf, Teil dieses wegweisenden Experiments zu sein“, hebt Prof. Marc Schumann von der Universität Freiburg hervor. „Die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Universitäten und nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen zeigt das enorme Potenzial, das in der deutschen Wissenschaft steckt.“

Aufgrund ihrer umfangreichen Vorarbeiten für das Experiment befinden sich die deutschen Forscherinnen und Forscher an der Humboldt-Universität zu Berlin, der JGU, der Universitäten Freiburg, Hamburg und Siegen sowie am Forschungszentrum Jülich in einer idealen Ausgangsposition, um eine tragende Rolle bei der Realisierung dieses zukunftsweisenden Projekts zu übernehmen.

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 5. Dezember 2023.

Am 2. Dezember 2023 um 08:30 Uhr mitteleuropäischer Zeit ist die Mission MAIUS-2 mit einem experimentellen Aufbau zur Erzeugung und Untersuchung von atomaren Quantensystemen vom Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna (Nordschweden) aus erfolgreich ins Weltall gestartet. Ziel der Mission war die erstmalige gleichzeitige Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten aus zwei verschiedenen atomaren Spezies (Rubidium und Kalium) während eines Höhenforschungsraketenflugs. Außerdem sollten deren Eigenschaften sowie ihr Zusammenspiel in Schwerelosigkeit studiert werden. Da im Flug bei einem Teil des Lasersystems eine Fehlfunktion auftrat, konnte nur die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten aus Rubidium, nicht aber aus Kalium (und entsprechend auch keine Gemische) realisiert und studiert werden. Dennoch können aus den vorangegangenen Messungen am Boden und den Untersuchungen während des Fluges zahlreiche Erkenntnisse gewonnen werden. Auch die für die Mission entwickelten Technologien werden bei der Realisierung von zukünftigen Weltraummissionen von großer Bedeutung sein.

Seitens der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist die Forschungsgruppe Experimentelle Quantenoptik und Quanteninformation um Prof. Dr. Patrick Windpassinger und Dr. André Wenzlawski beteiligt: In enger Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts in Berlin sowie der Universität Hamburg entwickelten sie das hochkomplexe und dennoch miniaturisierte Lasersystem für die Mission. Dass diese Technologie für die Nutzung im Weltraum weitestmöglich verkleinert wird und dabei trotzdem funktionsfähig bleibt, ist eine wesentliche Grundlage für zukünftige Experimente, wie zum Beispiel für das geplante amerikanisch-deutsche Atomlabor „Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory (BECCAL)“ auf der Internationalen Raumstation (ISS).

Bei Bose-Einstein-Kondensaten handelt es sich um einen exotischen Zustand der Materie, bei dem die Atome eine Temperatur von weniger als einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt besitzen. Bose-Einstein-Kondensate bieten aufgrund ihrer extrem niedrigen Temperaturen die Möglichkeit, quantenmechanische Phänomene auf makroskopischer Ebene zu beobachten. Dies ermöglicht hochpräzise Messungen und eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung der grundlegenden Naturkräfte. So soll beispielsweise die Universalität des freien Falls zukünftig mit Hilfe der Atominterferometrie auf die Probe gestellt werden. Atominterferometer basieren auf der Interferenz von Materiewellen, den Bose-Einstein-Kondensaten. Auch für eine genauere und hochaufgelöste Messung des Erdschwerefelds oder für die Navigation von zukünftigen Raumsonden stellen weltraumgestützte Atominterferometer einen vielversprechenden Ansatz dar.

Die Herausforderungen
Zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten werden die Atome zunächst mit Lasern und Magnetfeldern abgekühlt und gefangen. Aus einer sogenannten Magnetfalle werden anschließend die energiereichsten Atome durch das Einstrahlen von Mikrowellen entfernt. Hierdurch gelingt die Kühlung unterhalb der kritischen Temperatur von weniger als minus 273 Grad Celsius, und ein Bose-Einstein-Kondensat wird erzeugt. 2017 gelang im Rahmen des Projekts MAIUS-1 erstmals die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats im All. MAIUS-1 wurde bereits als eines der komplexesten Experimente, welches je auf einer Höhenforschungsrakete geflogen ist, betitelt. In MAIUS-1 wurden Bose-Einstein-Kondensate mit Rubidium-Atomen erzeugt und erstmals Atominterferometrie im Weltraum durchgeführt.

In der neu entwickelten Nachfolge-Nutzlast sollten nun weitere vorbereitende Experimente für die Atominterferometrie mit zwei atomaren Spezies (Rubidium und Kalium) durchgeführt werden. Da zur Kühlung und Detektion der Atome Laserlicht nahe ihrer spezifischen Resonanzfrequenzen verwendet wird, ist es erforderlich, die doppelte Anzahl von Lasern inklusive der zu ihrem Betrieb erforderlichen Elektronik in die Nutzlast zu integrieren. Eine technologische Herausforderung für das Team der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Trotz der gesteigerten Komplexität der Nutzlast mussten die Masse und das Volumen des Aufbaus annähernd konstant gehalten werden.

Die Mission
In den etwa fünfeinhalb Minuten im Weltraum konnte die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten mit Rubidium demonstriert und deren Verhalten im freien Fall untersucht werden. Zudem konnten die Forschenden die Erzeugung und das Verhalten kalter Atomwolken während der Brenndauer der Rakete untersuchen. Die Ergebnisse werden derzeit noch untersucht, und auch der Grund der Fehlfunktion ist Ziel einer eingehenden Untersuchung. Für abschließende Erklärungen oder Ergebnisse ist es allerdings derzeit noch zu früh.

„Die hier entwickelten Technologien und Experimente werden zukünftige Missionen auf Forschungsraketen und der Internationalen Raumstation ermöglichen und stellen somit einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Nutzung von Quantensensoren im Weltraum dar,“ erklärt André Wenzlawski, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Windpassinger. Ein tiefgehendes Verständnis dieser Techniken und des Verhaltens der Gemische ist nicht nur für die Folgemission MAIUS-3, sondern auch für zukünftige Missionen auf der Internationalen Raumstation oder auf Satelliten essenziell. In diesen Experimenten sollen mit Hilfe von Atominterferometern im Weltraum bisher unerreichte Genauigkeiten erzielt werden. Die MAIUS-Höhenforschungsraketen leisten dabei Pionierarbeit für weitere Experimente mit kalten Atomen und Atominterferometern im Weltall.

Deutscher Forschungsverbund realisiert die Mission
Die Mission MAIUS-2 (Materiewellen-Interferometrie unter Schwerelosigkeit) wurde im Rahmen des Projektes QUANTUS IV – MAIUS durchgeführt. Dieses Projekt steht unter der Leitung des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen im Verbund mit der Leibniz Universität Hannover, der Humboldt-Universität zu Berlin und dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Dem Forschungsverbund gehören außerdem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover, das DLR-Institut für Softwaretechnologie in Braunschweig, die Universität Hamburg und die Mobile Raketenbasis des DLR (MORABA) an, welche auch die Startkampagne durchgeführt hat. Koordiniert und unterstützt wird das Projekt vom DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

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• Höhenforschungsraketen

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 25. Oktober 2023.

25. Oktober 2023 – Starkregen, Stürme und Hitzewellen – nach solchen Extremwetterereignissen heißt es oft, diese seien auf einen welligeren Jetstream zurückzuführen. Also auf Veränderungen des Starkwindfeldes, das in der oberen Troposphäre verschiedene Temperaturzonen und Luftdruckzonen ausgleicht. Doch ändert sich der Jetstream tatsächlich? Und wenn ja, wie und in welchem Ausmaß? „Viele Theorien stellen Vermutungen dazu an, was für den Jetstream zukünftig zu erwarten ist – allerdings basieren sie alle auf sehr idealisierten Annahmen“, sagt Dr. Georgios Fragkoulidis vom Institut für Physik der Atmosphäre der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). „Denn während sich bei der Klimaerwärmung der CO₂-Eintrag direkt auf die Erwärmung auswirkt, liegen bei der atmosphärischen Zirkulation chaotische Prozesse vor.“

Veränderungen in den letzten 40 Jahren
Um den Veränderungen des Jetstreams dennoch auf die Schliche zu kommen, analysierte Fragkoulidis Jetstream-Daten aus den letzten 40 Jahren. Wie unterschied sich der Wind in den 1980er Jahren zehn Kilometer über der Erdoberfläche von Deutschland vom heutigen? Wie die Situation des Jetstreams? „Gefährlich wird die Situation, wenn der Jetstream sehr wellig ist: Dann kann kalte Luft von Norden oder heiße Luft aus Süden nach Deutschland strömen – die Wahrscheinlichkeit für Hitze- oder Kältewellen steigt“, weiß Fragkoulidis. Der Wissenschaftler hat mehrere Jahre lang in der Arbeitsgruppe Dynamische Meteorologie von Prof. Dr. Volkmar Wirth am Institut für Physik der Atmosphäre über dieses Thema geforscht. Insgesamt, so die Ergebnisse, treten zwei Trends rund um den Jetstream auf. Zum einen ein gradueller Trend in der Amplitude der Wellen. „Viele Gebiete der nördlichen Hemisphäre verzeichnen im Winter einen positiven Trend, im Sommer dagegen einen negativen. Anders gesagt: Im Winter wird der Jetstream welliger, im Sommer weniger wellig“, sagt Fragkoulidis. Ein Ergebnis, für das es derzeit noch keine Erklärung gibt und das den üblichen Theorien widerspricht – besagen diese doch, dass sich der Jetstream jahreszeitenbedingt nicht ändert. Ein weiterer Trend, den Fragkoulidis bemerkte: Die Änderungen des Jetstreams sind nicht überall gleich, sondern variieren von Region zu Region. So treten über Nordamerika andere Effekte auf als über China oder Europa. „Eine einfache Antwort nach dem Motto „Der Jetstream wird welliger oder weniger wellig“ können wir daher nicht geben, die Sache ist deutlich komplexer“, fasst Fragkoulidis zusammen.

Doch analysierte er nicht nur die Welligkeit des Jetstreams, sondern auch die Phasengeschwindigkeit der Wellen. Wie schnell bewegen sich die Wellen von Westen nach Osten? Heikel wird es, wenn sie sich langsam bewegen – dann können stehende Wetterlagen mit Starkregen, langanhaltenden Hitzeperioden oder Dürre die Folge sein. „Auch wenn es gefühlt anders aussehen mag: In der nördlichen Hemisphäre, insbesondere in Europa, hat sich die Phasengeschwindigkeit der Wellen in den letzten 40 Jahren nicht signifikant geändert“, erläutert Fragkoulidis. Auch dieses Ergebnis widerlegt zahlreiche Theorien, die von einer Verlangsamung der Wellenbewegung ausgehen. Anders sieht es den Studien zufolge dagegen in der südlichen Hemisphäre aus: Hier treten große Änderungen auf, die Wellen bewegen sich schneller und nehmen in den letzten 40 Jahren an Geschwindigkeit zu. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Weather and Climate Dynamics der European Geosciences Union veröffentlicht.

Vorhersagen bis zum Ende des Jahrhunderts
Derzeit arbeitet der Wissenschaftler daran, die Änderungen des Jetstreams für die Zukunft vorherzusagen, genauer gesagt bis zum Ende des Jahrhunderts. Dazu nutzte er Vorhersagen aus Klimamodellen, die vom National Center for Atmospheric Research (NCAR) in den USA angefertigt wurden und ein mögliches Szenario der Zukunft abbilden. Dieses basiert auf der Annahme, dass der Anstieg der CO₂-Emissionen weiterhin hoch bleiben und die Erde sich bis zum Jahr 2100 um rund vier Grad erwärmen wird. Wie würde sich der Jetstream in diesem Szenario verändern? Diese Frage lässt sich alles andere als leicht beantworten, schließlich ist die Erwärmung nicht auf dem gesamten Globus gleich. Vielmehr erwärmen sich die Ozeane langsamer als das Land – was sich wiederum auf die atmosphärische Zirkulation auswirkt. Darüber hinaus variiert das Ausmaß der Erwärmung in verschiedenen Höhen der Troposphäre. Trotz aller bestehenden Unsicherheiten fanden sich jedoch Hinweise, dass die zukünftigen Sommertrends denen der Vergangenheit ähneln und der Jetstream der nördlichen Hemisphäre gegen Ende des Jahrhunderts weniger wellig sein dürfte. Was die zukünftigen Änderungen des Winter-Jetstreams angeht, so sind diese mit großen Unsicherheiten behaftet.

Veröffentlichung:
Georgios Fragkoulidis
Decadal variability and trends in extratropical Rossby wave packet amplitude, phase, and phase speed
Weather and Climate Dynamics, 30. November 2022
DOI: 10.5194/wcd-3-1381-2022
https://wcd.copernicus.org/articles/3/1381/2022/

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• Klimawandel

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 7. September 2023.

7. September 2023 – Neutrinos sind allgegenwärtige Elementarteilchen, die nur sehr schwach mit normaler Materie wechselwirken. Deshalb durchdringen sie diese meist ungehindert und werden daher auch Geisterteilchen genannt. Nichtsdestotrotz spielen Neutrinos eine überragende Rolle im frühen Universum. Um vollständig erklären zu können, wie sich unser Universum entwickelt hat, müssen wir vor allem ihre Masse kennen. Doch bisher ist es nicht gelungen, diese Masse zu bestimmen.

Das möchte die internationale Project 8 Kollaboration mit ihrem neuen Experiment jetzt ändern. Project 8 setzt erstmals auf eine völlig neue Technologie zur Bestimmung der Neutrinomasse, die sogenannte „Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“ – kurz CRES. In einer aktuellen Veröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters konnte die Project 8 Kollaboration jetzt zeigen, dass die CRES-Methode tatsächlich dazu geeignet ist, die Neutrinomasse zu bestimmen und hat dabei in einer ersten Messung bereits eine obere Grenze für diese fundamentale Größe gesetzt – ein wichtiger Meilenstein ist damit erreicht. Von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) sind die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Martin Fertl und Prof. Dr. Sebastian Böser beteiligt, beide Forscher am Exzellenzcluster PRISMA+. Dr. Christine Claessens, ehemalige Doktorandin von Sebastian Böser und nun Postdoc an der University of Washington in Seattle (USA), hat im Rahmen ihrer Doktorarbeit einen entscheidenden Beitrag zu der aktuellen Veröffentlichung geleistet.

Elektronen als Schlüssel zur Neutrinomasse
Das Project 8 Experiment nutzt den Beta-Zerfall von radioaktivem Tritium, um der Neutrinomasse auf die Spur zu kommen. Tritium ist ein schwerer Verwandter des Wasserstoffs, ein sogenanntes Isotop. Es ist instabil und besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Durch Umwandlung eines dieser Neutronen in ein Proton zerfällt Tritium zu Helium und sendet dabei ein Elektron und ein Antineutrino aus. „Und nun kommt der Clou“, sagt Martin Fertl. „Da Neutrinos und ihre Antiteilchen keine elektrische Ladung haben, sind sie sehr schwer nachzuweisen. Wir versuchen daher erst gar nicht, sie aufzuspüren. Stattdessen messen wir die Energie der entstehenden Elektronen über ihre Umlauffrequenz in einem Magnetfeld. Anhand der Form des Energiespektrums der Elektronen bestimmen wir dann die Neutrinomasse bzw. setzen so eine Obergrenze für diese Masse.“

Sehr präzise Messung der Elektronenenergie ist nötig
Um belastbare Ergebnisse zu erhalten, muss die Energie der Elektronen extrem präzise gemessen werden. Denn das entstehende (Anti)Neutrino ist unglaublich leicht, mindestens 500.000 Mal leichter als ein Elektron. „Wenn Neutrinos und Elektronen gleichzeitig erzeugt werden, hat die Neutrinomasse nur einen winzigen Einfluss auf die Bewegung des Elektrons. Und diesen kleinen Effekt wollen wir sehen“, erläutert Sebastian Böser. Die Methode, die das möglich macht, heißt „Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“ (CRES). Mit ihr wird die Mikrowellenstrahlung registriert, die von den entstehenden Elektronen ausgesandt wird, wenn sie in einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt werden. Die Frequenz der emittierten Strahlung lässt sich extrem präzise bestimmen und dann über die Elektronenenergie auf die Masse des Neutrinos rückschließen.

Damit das funktioniert hat Christine Claessens einen entscheidenden experimentellen Beitrag geleistet: „Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich unter anderem ein Ereignis-Detektionssystem, bestehend aus einem Echtzeit-Trigger und einer Offline-Ereignisrekonstruktion, entwickelt. Dieses System sucht in dem kontinuierlich digitalisierten und verarbeiteten Hochfrequenzsignal nach den charakteristischen CRES-Merkmalen. Die Rekonstruktion der Startfrequenz jedes Elektronenereignisses ermöglicht die hochpräzise Aufnahme eines Tritium-Zerfallsspektrums.“ Auf dieser Grundlage gelang Christine Claessens die Analyse des ersten mit CRES aufgenommenen Tritium-Spektrums im Hinblick auf systematische Unsicherheiten – und somit die Berechnung einer ersten Obergrenze für die Neutrinomasse mit dieser neuen Technologie, die nun Eingang in die neueste Publikation gefunden hat.

Dort berichtet die Project 8 Kollaboration konkret von 3.770 Tritium-Beta-Zerfallsereignissen, welche sie über einen Zeitraum von 82 Tagen in einer Probenzelle von der Größe einer einzelnen Erbse registriert hat. Die Probenzelle wird auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt und in ein Magnetfeld gebracht, das die austretenden Elektronen so lange auf einer Kreisbahn laufen lässt, dass die Detektoren ein Mikrowellensignal registrieren können. Entscheidend ist, dass keine falschen Signale oder Hintergrundereignisse registriert werden, die mit dem „echten Signal“ verwechselt werden könnten oder dieses überdecken. „Die daraus resultierende erstmalige Bestimmung der Obergrenze für die Neutrinomasse mit einer rein frequenzbasierten Messtechnik ist ein sehr vielversprechendes Resultat, da wir Frequenzen heutzutage sehr genau messen können“, so das Fazit von Sebastian Böser und Martin Fertl.

Nächste Schritte sind schon in Angriff genommen
Nach dem erfolgreichen „Proof of Principle“ steht der nächste Schritt an: Für das finale Experiment brauchen die Forschenden einzelne Tritiumatome – welche sie aus der Spaltung von Tritium-Molekülen erzeugen. Das ist knifflig, da Tritium, genau wie Wasserstoff, bevorzugt Moleküle bildet. Die Entwicklung einer solchen Quelle – zunächst für atomaren Wasserstoff und später für atomares Tritium – ist ein wichtiger Beitrag des Mainzer Teams.

Im Moment arbeitet die Project 8 Kollaboration, an der Mitglieder aus zehn Forschungseinrichtungen weltweit beteiligt sind, an der Erprobung von Entwürfen für die Vergrößerung des Experiments von einer erbsengroßen Probenkammer auf eine tausendmal größere. So sollen noch weit mehr Beta-Zerfallsereignisse registriert werden. Am Ende eines mehrjährigen Forschungs- und Entwicklungsprogramms soll das Project 8 Experiment die Empfindlichkeit bisheriger Experimente – wie des aktuellen KATRIN Experiments – schließlich übertreffen und so erstmals einen Wert für die Neutrinomasse ermitteln.

Veröffentlichung:
A. Ashtari Esfahani et al., „Tritium Beta Spectrum Measurement and Neutrino Mass Limit from Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“,
Phys. Rev. Lett. 131, 102502 (6 September 2023),
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.102502,
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.102502,
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.102502.

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• Neutrinos

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Quelle: JGU 10. August 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: JGU 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 26. April 2023.

Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die mehr als 80 Prozent der Masse des Kosmos ausmacht? Was ist die Rolle der rätselhaften Neutrinos im frühen Universum? Warum haben sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet?

Um den Rätseln des Universums auf die Spur zu kommen, bauen Physikerinnen und Physiker unvorstellbar große und zugleich unglaublich präzise Experimente an den exotischsten Orten der Welt. Prof. Dr. Sebastian Böser und Daniel Wenz von PRISMA+ nehmen die Schülerinnen und Schüler mit auf eine faszinierende Reise zu diesen Experimenten: Im Gletschereis der Antarktis hat das IceCube Experiment kosmische Neutrinos im Blick. Im Gran Sasso Gebirge, 1.400 Meter tief unter der Erde, ist das XENON Experiment auf der Suche nach Dunkler Materie. Dr. Jan Leitner vom Max-Planck-Institut für Chemie holt die Astrophysik ins Labor.

Die Rätsel des Universums stehen auch im Fokus der begleitenden Mitmach-Ausstellung »PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik«. Sie vermittelt die spannende Forschung bei PRISMA+ spielerisch, interaktiv und unterhaltsam.

Unser Universum

• Geheimnisvolle Dunkle Materie: Die dunkle Seite des Universums
  9-11 Uhr: Für die Mittelstufe
  Vortrag von Daniel Wenz
• Unfassbare Neutrinos: Die Vermessung der Geisterteilchen vom Labor bis zum Südpol
  11.15-13.15 Uhr: Für die Oberstufe
  Vortrag von Prof. Dr. Sebastian Böser
• Astrophysik im Labor: Ein Blick in die Milchstraße durch kosmischen Staub
  14-16 Uhr: Offen für Alle
  Vortrag von Dr. Jan Leitner

Termin
Mittwoch 21. Juni 2023

Anmeldung
Um Anmeldung wird gebeten bis zum 21. Mai 2023:
veranstaltungen(at)adwmainz.de

Treffpunkt
PLENARSAAL DER AKADEMIE
Geschwister-Scholl-Straße 2
55131 Mainz

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Flyer „Schule trifft Akademie“

Kosten
Die Veranstaltung ist ein kostenloses Angebot der Johannes Gutenberg-Universität, und der Akademie der Wissenschaft und der Literatur.

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Quelle: JGU 23. März 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Large Hadron Collider

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Gammastrahlung

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Dunkle Materie

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 1. Dezember 2022.

1. Dezember 2022 – Um die zukünftige Klimaentwicklung besser abschätzen zu können, versucht die Forschung Hinweise aus vergangenen Zeiten aufzudecken und zu analysieren. In einer internationalen Forschungskooperation haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun die Misox-Schwankung vor rund 8.200 Jahren anhand von Tropfsteinen aus der White Moon Cave in Nordkalifornien untersucht. Neuartige Indikatoren zeigen, dass in Kalifornien die Schwankungen zwischen extremer Nässe und Trockenheit einerseits und die Waldbrände andererseits eng miteinander verbunden waren. Dieses Phänomen dürfte mit dem menschenverursachten Klimawandel voraussichtlich zunehmen, erwarten die beteiligten Forschenden von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der Vanderbilt University in Nashville, USA, und der Northumbria University im britischen Newcastle upon Tyne. Die Arbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Tropfsteine dienen als wertvolle Klimaarchive
Der Klimawandel und seine Auswirkungen auf unsere Jahreszeiten, den Wasserhaushalt, die Vegetation und die Böden sind bereits heute deutlich spürbar. So übersteigt zum Beispiel schon jetzt die Anzahl und Intensität von Waldbränden in semiariden Regionen wie dem westlichen Nordamerika die historischen Aufzeichnungen.

Wie sieht aber die Entwicklung in der Zukunft aus? Um das vorhersagen zu können, ist es hilfreich, das Klima der Vergangenheit besser zu verstehen. Gut datierte und sehr weit zurückreichende Klimaarchive konservieren kleinste Spuren chemischer Verbindungen, die Aufschluss über kontinentale und regionale Änderungen des Klimas und der vorherrschenden Umweltbedingungen geben.

Zu den am besten datierten und detailliertesten Klimaarchiven gehören unter anderem Tropfsteine aus Höhlen, sogenannte Speläotheme. Insbesondere Stalagmiten sind aufgrund ihrer gleichmäßigen Wachstumsform von Interesse.

Mithilfe zweier neuartiger Markersubstanzen, Levoglucosan und Ligninoxidationsprodukten (LOP), ist es den Forschenden aus Mainz, Nashville und Newcastle upon Tyne gelungen, die Feueraktivität und die Vegetationszusammensetzung im Kalifornischen Küstengebirge während der Misox-Schwankung vor über 8.000 Jahren zu rekonstruieren. Die Misox-Schwankung war eine mehrere Hundert Jahre anhaltende Kältephase, die zuerst in den Schweizer Alpen durch pollenanalytische Untersuchungen und später auch in grönländischen Eiskernen nachgewiesen wurde. Studien deuten darauf hin, dass innerhalb dieser Periode die Niederschläge im Westen Nordamerikas viel stärker variierten als üblich. Diese wilden Schwankungen sind symptomatisch für ein Phänomen, das als „Klimapeitsche“ bezeichnet wird und das nach Ansicht vieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit der Erwärmung der Erde wahrscheinlich zunehmen wird.

Stärkere Feueraktivität und stärkere Bewaldung als Folgen der Hydroklima-Schwankungen
„Die nun publizierten Ergebnisse legen nahe, dass sowohl die Vegetationszusammensetzung als auch die Waldbrandaktivität direkt auf diese Klimapeitsche reagieren“, erklärt Julia Homann, Doktorandin im Arbeitskreis von Prof. Dr. Thorsten Hoffmann an der JGU. Erhöhte Levoglucosan-Konzentrationen deuten auf eine verstärkte Feueraktivität hin, während die veränderte LOP-Zusammensetzung auf eine Verschiebung hin zu einer stärker bewaldeten Vegetation während der Misox-Schwankung hinweist. Diese Veränderungen waren direkte Folgen einer stärkeren Klimapeitsche, also stärkeren Schwankungen des Hydroklimas.

„Beides, Klimapeitsche und Waldbrandaktivität, werden mit dem von uns verursachte Klimawandel voraussichtlich stärker werden“, so Homann. Damit ähnelt das regionale Klima zunehmend dem vor rund 8.000 Jahren, wenn auch unter ganz anderen Vorzeichen. „Damals wurde die Klimapeitsche durch natürliche Umweltschwankungen bewegt, heute ist es der Mensch, der die Klimapeitsche schwingt“, bemerkt Homann, Forscherin am Department Chemie der JGU.

Veröffentlichung:
Julia Homann et al.: Linked fire activity and climate whiplash in California during the early Holocene, Nature Communications, 23. November 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-34950-x, https://www.nature.com/articles/s41467-022-34950-x.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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