Schlagwort-Archive: Bausteine der Materie

Neues Elementarteilchen “N star” gefunden

Video: Elementarteilchen

Den Nachweis für ein neues Elementarteilchen haben Prof. Dr. Maxim V. Polyakov (Theoretische Hadronenphysik, RUB) und Prof. Dr. Viatcheslav Kuznetsov (Kyungpook Universität, Korea) erbracht: Das neue Teilchen N*(1685) (sprich N star) stellt einen angeregten Zustand des Nukleons (Protons oder Neutrons) dar, auch Resonanzanregung genannt. Das Studium dieser Resonanzanregungen liefert wertvolle Informationen zur inneren Struktur der Bausteine der Materie. “Das ist so wie wir durch Anregung der Saiten einer Geige ihre Qualität beurteilen können”, vergleicht Prof. Maxim V. Polyakov.

Zwei Besonderheiten zeichnen N* aus

Vor genau 40 Jahren erhielt Luis Walter Alvarez den Nobelpreis für “die Entdeckung einer großen Anzahl resonanter Zustände”. Einen dieser Zustände, der theoretisch vor einigen Jahren vorausgesagt worden war, konnten die Forscher jetzt experimentell belegen, indem sie Atomkerne mit Photonen beschossen und sie so in Schwingungen versetzten. Zwei Besonderheiten unterscheiden N*(1685): Zum einen lebt N*(1685) etwa zehnmal länger. Die andere Besonderheit ist, dass N*(1685) bei Beschuss sehr viel leichter aus dem Neutron als aus dem Proton hervorgeht.

Fünf oder mehr Quarks sind nötig

Die Anregung zur experimentellen Suche nach N* gaben theoretische Untersuchungen, denen neue Vorstellungen über die Struktur der Atomkernbausteine zugrunde liegen. Laut dieser Vorstellung können die Elementarteilchen als nicht lineare solitäre Wellen, betrachtet werden. Diese Idee existiert seit 1962. Die Betrachtungsweise eröffnet jetzt die Möglichkeiten, nicht nur den Grundzustand, sondern auch die angeregten Zustände zu beschreiben. Die Eigenschaften der Resonanzanregungen erfordern allerdings eine Beschreibung, die nicht nur auf den wohlbekannten drei Quarks beruht, sondern auch fünf- oder mehr-Quark Zustände umfasst.

Vorhersagen vor fünf Jahren

Vor fünf Jahren wurden Teilchen der N* Sorte u.a. von Maxim V. Polyakov vorausgesagt, und zwar genau mit den erwähnten besonderen Eigenschaften. Experimentelle Daten, die man mit einem solchen Teilchen weitgehend erklären kann, wurden 2007 von der Kollaboration GRAAL publiziert und kürzlich durch das Experiment ELSA/TAPS am Bonner Elektronenbeschleuniger ELSA bestätigt. Hierbei wurden Photonen auf Nukleonen geschossen, wodurch das N* erzeugt wurde, das dann nachweislich in ein instabiles Teilchen aus einem Quark und einem Antiquark und ein Nukleon zerfiel. (Quelle: idw)

Kommentar:
Ist das neue Elementarteilchen der Weisheit letzter Schluss? Sind Elementarteilchen möglicherweise gar nicht so elementar, wenn immer neue elementarere Elementarteilchen gefunden werden? Oder sind die fundamentalen Bausteine des Universums völlig anderer Natur, wie der Autor des Sachbuchs Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen meint und seine Meinung in einer beeindruckenden Argumentationskette untermauert?

Wird das »Gottesteilchen« dieses Jahr in Genf erscheinen?

Video: Interview mit Rolf-Dieter Heuer, ab 1. Jan. 2009 Generaldirektor des CERN

Wenn Physiker wieder einmal merken, dass sie die Welt nicht erklären können, machen sie Witze. So auch der Nobelpreisträger für Physik des Jahres 1988, Leon Ledermann. Zur Erklärung dessen, woraus die Welt in ihren kleinsten Einheiten besteht, dient das Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Dummerweise kann diese Theorie nicht erklären, warum ein bestimmtes Teilchen eine Masse hat. So witzelte Ledermann: Die Masse stammt von Gott. Laut Standardmodell werden alle physikalischen Eigenschaften durch Teilchen verursacht. Deshalb ist das Teilchen, von dem andere Teilchen ihre Masse empfangen das »Gottesteilchen«.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt durch mathematische Formulierungen die Erscheinungen und Wechselwirkungen der Teilchen in der subatomaren Welt. Zur Erklärung, wie die Grundkräfte der Physik zwischen den Elementarteilchen vermittelt werden, dienen sogenannte Austauschteilchen (Eichbosonen). Beispielsweise ist das Lichtteilchen (Photon) so ein Austauschteil. Das Standardmodell wird durch physikalische Experimente gut bestätigt. Allerdings ist die Theorie unvollständig. Es gibt in ihr freie Parameter, die nicht durch eine Formel, sondern nur durch Schätzung oder Messung bestimmt werden können. Die Masse ist so ein freier Parameter. Um eine der Lücken im Standardmodell zu schließen, postulierte der britische Physiker Peter Higgs in den 1960er Jahren ein Gottesteilchen. Es ist ein Austauschteilchen, das seinen Namen trägt: Higgs-Boson. Dieses Higgs-Boson soll den zunächst masselosen Elementarteilchen ihre Masse geben. Aber bisher wurde es noch nicht entdeckt.

Seit Jahren suchen die Teilchenphysiker der ganzen Welt mit immer größerem technischem Aufwand nach dem Gottesteilchen. Denn die Theorie der Materie und der Elementarteilchen steht auf den schwankenden Füßen des Higgs-Bosons. Mit der Existenz oder Nichtexistenz dieses Teilchens steht und fällt ein ganzes Theoriengebäude der Physik. Bisher brachte die jahrelange Forschung keinen einzigen Hinweis auf seine Existenz. Nun soll es der größte Tempel der modernen Physik, das Kernforschungszentrum CERN in Genf mit der gigantischen Teilchenschleuder LHC richten. Das wohl teuerste Experiment der Erde soll dieses Jahr das hervorbringen, was andere schwächere Teilchenbeschleuniger nicht vermochten, die Erscheinung des Gottesteilchens auf Erden.

»Es vibriert förmlich in der globalen Gemeinde der Teilchenphysiker. Sie warten jetzt darauf, dass die Maschine anläuft, …«, bestätigt Rolf-Dieter Heuer, der neue Leiter von CERN in einem Interview mit der ZEIT online (3.9.2008). Ergänzend fügt er hinzu: »Ich bin sicher, der LHC öffnet Türen für das Verständnis des Mikrokosmos und des Universums.«

Linktipp:

Haben die kleinsten Bausteine der Materie Bewusstsein?

Supercomputer JUGENE findet Ursprung der sichtbaren Materie

Supercomputer helfen, die Prozesse in Atomkernen und deren Masse zu verstehen. Die Kräfte zwischen drei Quarks im Nukleon, erklären den sichtbaren Anteil der Masse im Universum. Forschungszentrum Jülich / Seitenplan mit Material von NASA, ESA und AURA/Caltech)

Supercomputer helfen, die Prozesse in Atomkernen und deren Masse zu verstehen. Die Kräfte zwischen drei Quarks im Nukleon, erklären den sichtbaren Anteil der Masse im Universum.Forschungszentrum Jülich / Seitenplan mit Material von NASA, ESA und AURA/Caltech)

Jülich, 21. November 2008 – Einem internationalen Forscherteam ist es erstmalig gelungen, die Masse der wichtigsten Bausteine der Materie – Protonen und Neutronen – auf theoretischem Weg zu berechnen. Das wichtigste Hilfsmittel der Physiker: der Supercomputer JUGENE am Forschungszentrum Jülich. Die aufwändigen Simulationen der Wissenschaftler bestätigen die Richtigkeit einer grundlegenden physikalischen Theorie, der Quantenchromodynamik. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift “Science” veröffentlicht (21. Nov. 2008 Vol. 322, #5905).
Materie ist aus Atomen aufgebaut, Atome wiederum bestehen aus einem Kern aus Protonen und Neutronen, um den Elektronen kreisen. “Mehr als 99,9 Prozent der Masse der sichtbaren Materie stammt von den Protonen und Neutronen”, erläutert der gegenwärtig an der Bergischen Universität Wuppertal tätige ungarische Physiker Zoltan Fodor, der das Forschungsprojekt am Jülicher Supercomputer JUGENE geleitet hat. Diese Teilchen, von den Physikern unter dem Begriff “Nukleonen” zusammengefasst, sind aus jeweils drei Quarks aufgebaut.
Die Masse der drei Quarks ergibt zusammengerechnet jedoch nur etwa fünf Prozent der Masse eines Kernbausteins — woher also haben die Nukleonen ihre Masse? Die Antwort auf diese Frage findet sich in der berühmten Formel E = m × c2 von Albert Einstein: Energie und Masse sind zueinander äquivalent, und 95 Prozent der Nukleonenmasse haben ihren Ursprung in der Bewegungsenergie der Quarks und zwischen ihnen ausgetauschter Teilchen.
Solche Berechnungen sind jedoch ungeheuer kompliziert. Dank des Supercomputers JUGENE am Forschungszentrum Jülich konnten Fodor und seine Kollegen nun diese Hürde überwinden. 180 Billionen Rechenoperationen kann JUGENE in jeder Sekunde durchführen, damit ist er der schnellste Computer Europas. Als Ergebnis erhielten die Wissenschaftler schließlich Werte für die Massen der Nukleonen, die genau mit den in Experimenten gemessenen Werten übereinstimmen. “Damit haben wir gezeigt, dass die Quantenchromodynamik tatsächlich eine korrekte Beschreibung der starken Wechselwirkung ist”, freut sich Fodor.
“Der Ursprung des überwiegenden Teils der Masse der sichtbaren Materie ist dadurch also geklärt”, erklärt der Forscher weiter. Doch damit sind nicht alle Rätsel gelöst. – Quelle: idw

Kommentar:
Der Erfolg der naturwissenschaflichen Methode hat sich wieder auf imponierende Weise gezeigt. Aber Physik allein  kann nicht die Welt erklären, meint Prof. Harald Lesch in der 100. Sendung von Alpha Centauri (BR). Für die Erklärung der Welt bedarf es deshalb der Hinzuziehung weiter Disziplinen wie im kürzlich erschienenen Sachbuch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen
geschehen. Dort kann man nun eine beeindruckende Erklärung der Welt finden.

Quanten-Darwinismus: Das Evolutionsprinzip jetzt auch bei Quanten nachgewiesen.

(prcenter.de) Die fundamentalen Prinzipien der Evolution gelten offenbar auch für die kleinsten Teilchen der Materie. Wissenschaftler fanden, dass sich nur die „fittesten“ Partikel durchsetzen und ihren eigenen „Nachwuchs“ erzeugen. Da diese Eigenschaft „universell“ gilt, könnte die Entstehung von Leben im Kosmos eher die Regel als die Ausnahme sein.
Die Entdeckung der Physiker Prof. Friedemar Kuchar und Dr. Roland Brunner von der österreichischen Montanuniversität Leoben darf ohne Übertreibung als wissenschaftliche Sensation bezeichnet. In enger Zusammenarbeit mit Kollegen von der Arizona State University in den USA untersuchten sie so genannte Quantenpunkte von Halbleitern. Quantenpunkte sind kleinste Nanostrukturen, für die auf Grund ihrer geringen Größe nicht die Gesetze der klassischen Physik, sondern vielmehr die Regeln der Quantenmechanik gelten.

Bei der Messung der Energiewerte der Quantenpunkt stieß er auf einen seltsamen Effekt. Werden diese Zustände der Elektronen gemessen, dann vermischen sich die Zustände der Elektronen zum Teil miteinander, aber auch mit jenen der Umgebung. Das hat wiederum zur Folge, dass sie energetisch „verschmiert“ werden. Einige der ursprünglichen Zustände erwiesen sich jedoch als robust und behielten ihre Energiewerte. Diese so genannten „Pointer-Zustände“ konnten bisher für einzelne Quantenpunkte nachgewiesen werden.

Das Verblüffende: Wie das Team berichtet ist es gelungen, deutliche Hinweise auf einen Quanten-Darwinismus zu finden. Dahinter verbirgt sich die Idee, dass bei einer Wechselwirkung mit der Umgebung nur die „stärksten“ Zustände, eben die Pointer-Zustände, stabil bleiben und diese die Eigenschaft haben, „Nachwuchs“ zu produzieren. Zum Nachweis dieses Postulats berechnete die Gruppe um Dr. Brunner und Prof. Kuchar die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen im System mehrerer Quantenpunkte in Serie.
Wie die Wissenschaftler weiter berichten, scheint es bereits auf Quantenebene eine Art von Beziehungsleben zu geben. Dieser Quanten-Darwinismus soll wiederum für die Selektion und Fortpflanzung quantenmechanischer Zustände verantwortlich sein, die wiederum erst die Wahrnehmung unserer Realität ermöglichen.
Das Postulat eines Quanten-Darwinismus ist nicht ganz neu. Als geistiger Vater gilt der US-Forscher Wojciech H. Zurek vom Los Alamos Laboratory in New Mexico, der als erster diese Idee hatte. Der gelungene experimentelle Nachweis dieses Phänomens unterstreicht wieder einmal in aller Deutlichkeit, die Bedeutung von Visionären in der Wissenschaft.
Dass der Quanten-Darwinismus ein fundamentales Prinzip des gesamten Universums sein dürfte, wird auch in dem vor wenigen Monaten erschienenen Buch “Die geheime Physik des Zufalls: Quantenphänomene und Schicksal – Kann die Quantenphysik paranormale Phänomene erklären?” diskutiert. Dort wird unter anderem veranschaulicht, wie sich Quantenzustände mit ihren gespeicherten Informationen unter anderem in den ersten Genen verwirklicht haben, woraus sich wiederum Konsequenzen für die vielfältigen Möglichkeiten außerirdischen Lebens ziehen lassen.

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