Schlagwort-Archive: cern

Überraschendes Experiment: Neutrinos schneller als das Licht?



Unter der Leitung des Berner Teilchenphysikers Antonio Ereditato hat eine internationale Forschungskollaboration im OPERA-Experiment am CERN Erstaunliches entdeckt: Neutrinos sind schneller unterwegs als das Licht, welches bisher die höchste existierende Geschwindigkeit war.

«Dieses Resultat ist eine komplette Überraschung», sagt Antonio Ereditato, Professor für Hochenergiephysik an der Universität Bern und Leiter des OPERA-Projekts: Die Teilchenphysiker haben im sogenannten OPERA-Experiment herausgefunden, dass Neutrinos, die unterirdisch vom CERN in Genf losgeschickt werden und nach einer 730 Kilometer langen Reise durch die Erde schliesslich ein Untergrund-Labor in den Bergen bei Rom erreichen, schneller unterwegs sind als das Licht. Dies teilt das CERN, das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik, heute Freitag, 23. September 2011, mit. «Die Neutrinos sind signifikante 60 Nanosekunden schneller am Ziel, als man dies mit Lichtgeschwindigkeit erwarten würde», so der OPERA-Leiter. Eine Publikation der Daten folgt, und Antonio Ereditato stellt klar: «Dieses Ergebnis kann grosse Auswirkungen auf die geltende Physik haben – so gross, dass zurzeit eine Interpretation schwierig ist. Weitere Experimente für die Bestätigung dieser Daten müssen unbedingt folgen.»

Die Besonderheiten der Neutrinos

Neutrinos sind winzige Elementarteilchen, die Materie praktisch widerstandslos durchdringen. Ihre Spuren sind schwierig aufzuspüren, da sie nicht geladen sind und kaum mit ihrer Umgebung interagieren. Neutrinos kommen in drei verschiedenen Typen vor: Elektron-, Müon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich auf einer langen Flugstrecke von einem Typ in einen anderen verwandeln. In der Elementarteilchenphysik wird diese Umwandlung «Neutrino-Oszillation» genannt.

Das OPERA-Projekt wurde 2006 gestartet, um die Umwandlung von verschiedenen Neutrino-Typen ineinander zu beweisen – was den Forschenden aus der Kollaboration von 13 Ländern auch gelang; letztes Jahr wurde die Verwandlung von Müon-Neutrinos in Tau-Neutrinos nachgewiesen.

Mit Atomuhren auf Nanosekunden genau

Die Daten, die im OPERA-Experiment in den letzten drei Jahren gesammelt wurden, weisen neben der Neutrino-Oszillation nun auch die Abweichung bei der erwarteten Geschwindigkeit der Kleinstteilchen nach: Eine aufwändige und hochpräzise Analyse von über 15’000 Neutrinos weist «die winzige, aber signifikante Differenz zur Lichtgeschwindigkeit nach», wie das CERN mitteilt. Die 60 Nanosekunden Zeitunterschied auf der Strecke CERN-Rom hat die OPERA-Kollaboration mit Expertinnen und Experten vom CERN sowie unter anderem mit Hilfe des nationalen Metrologieinstituts METAS in einer Hochpräzisions-Mess-Serie überprüft: Mit Hilfe von GPS und Atomuhren wurde die Flugdistanz auf 10 Zentimeter genau bestimmt und die Flugzeit auf 10 Milliardstel einer Sekunde – also auf Nanosekunden – genau gemessen. (Quelle: idw)

Buchtipp:
Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Geist in der Materie entdeckt?

Der Nobelpreisträger Max Planck (1858-1947) war einer der Pioniere der Quantenphysik und deshalb nicht verdächtig einem esoterischen Weltbild anzuhängen. Er vermutete hinter der Kraft, welche die Atomteilchen in Schwingung bringt und die Materie zusammenhält »einen bewussten, intelligenten Geist«. Diesen hielt er für den »Urgrund aller Materie«. Das waren seine Worte auf einem Vortrag, den er 1944 in Florenz hielt. Er sagte außerdem noch, dass es »keine Materie an sich gibt«.

Das materialistische Weltbild des 19. Jahrhunderts, dessen Nachbeben wir bis heute spüren, sah Materie als etwas an, das aus ewigen, unteilbaren und unvergänglichen Atomen aufgebaut ist. Über das, was es mit der angeblichen Unteilbarkeit von Atomen auf sich hat, weiß die Allgemeinheit zumindest seit Hiroshima Bescheid. Was die Allgemeinheit weniger weiß ist, dass die Atomspaltung nicht nur mit Zerstörung gleichzusetzen ist, sondern einhergeht mit Erkenntnissen, denen wir das Handy, den CD-Player, den PC und den Scanner in den Supermarktkassen verdanken. Wie von Zauberhand erscheinen nach dem Scannen der Ware Preise auf dem Kassendisplay. Welchen Vorstellungen von der Materie verdanken wir diese Errungenschaften unserer Wissenschaft, die einen mittelalterlichen Magier zum größten Zauberer seiner Zeit gemacht hätten, wenn er sie nur hätte vorführen können?

Für die heutige Physik gehört alles zur Materie, was aus Elektronen und Quarks und zwar aus Up-Quarks und Down-Quarks aufgebaut ist. Das muss man erst einmal verinnerlichen: Materie ist alles, was aus nur drei elementaren Bestandteilen besteht! Egal ob Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff. Egal ob ein Holzstuhl oder ein Hamburger. Alles besteht nur aus drei sogenannten Elementarteilchen: den Elektronen und zwei Sorten Quarks.

Elektronen kann man leicht erzeugen und beobachten. Die alten Röhrenfernseher liefern ein Zeugnis davon. Bei den Quarks ist das anders. Noch nie hat jemand Quarks beobachten, geschweige denn vorführen können. Und dennoch sollen die Protonen und Neutronen im Kern des Atoms aus diesen Quarks bestehen. Die Physiker schließen auf die Existenz von Quarks aufgrund von Beobachtungen, die sie machen, wenn sie in den Teilchenbeschleunigern wie CERN Protonen des Atomkerns mit anderen Teilchen und hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen lassen. Das ist so, als würde man davon ausgehen, dass ein Fliegengewichtsboxer, der ein Schwergewicht K. O. schlägt, ein Hufeisen in seinem Boxhandschuh versteckt habe. Bevor man nicht in den Boxhandschuh reinschauen kann, weiß man es aber nicht.

Noch seltsamer mutet einem die Vorstellung von Materie an, wenn man weiß, dass Atome fast ausschließlich aus leerem Raum bestehen. Der Atomkern, in dem man die Protonen mit den Quarks finden kann, macht höchstens den zehntausendsten Teil des Atomdurchmessers aus. Der Raum um den Kern herum ist der Bereich, für den es eine größere Wahrscheinlichkeit gibt, dass man dort ein Elektron findet. Aber das gilt nicht als sicher. Die Regeln der Quantenphysik besagen, dass man das Elektron eines bestimmten Atoms genauso gut auch in New York oder sonst wo im Weltall finden kann, wenn auch mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit. Aber unmöglich ist es nicht.

Völlig unerklärlich ist, dass Atome, Elektronen oder Protonen bei bestimmten Untersuchungen überhaupt nichts Materielles mehr an sich haben. Sie scheinen Welleneigenschaft zu besitzen und auf dem Beobachtungsschirm tauchen Wellenmuster auf. So verflüchtigt sich auf einmal das noch verbliebene Materielle an der Materie. Wenn es »keine Materie an sich gibt«, wie Planck sagte, was ist es dann, was die Materie ausmacht? Ist es eine Art Geist?

Eine Form von Geist, der in der Materie steckt, ist Information. Das kann man sich klar machen, wenn man ein Beispiel betrachtet, das drei Bausteine zum Gegenstand hat und damit dem Aufbau der Atome aus drei Elementarteilchen entspricht. Beispielsweise kann man sich zwei Kinder, einen Jungen und ein Mädchen vorstellen. Sie besitzen einen Eimer voll mit Lego-Bausteinen. Es sind drei Sorten Steine, nämlich solche mit zwei, vier und acht Noppen. Aus diesen Steinen baut das Mädchen ein kleines Puppenhaus mit zwei Zimmern, Möbeln, Ofen usw. Der Junge baut dagegen eine große Burg mit mächtigen Mauern, Zinnen, Toröffnung und Graben.

Die Frage ist nun, worin sich Puppenhaus und Burg unterscheiden? Beide Bauwerke sind aus den gleichen Steinen hergestellt. Die einzige Unterscheidung zwischen Puppenhaus und Burg ist die Zahl und Anordnung der Steine. Das gleiche gilt für unsere Welt, in der die unterschiedlichen Elemente Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff usw. sich nur in der Zahl und Anordnung der Elementarteilchen unterscheiden. Da alle Materie aus den Elementen aufgebaut ist, unterscheidet sich alles, was materiell existiert nur durch die Zahl und Anordnung der Elementarteilchen.

Die Anordnung ist nichts anderes als Information. Die Formen, anhand denen man erkennt, ob es sich um ein Puppenhaus oder eine Burg handelt, sind Informationen und auch die unterschiedlichen Formen und Muster der materiellen Welt sind alles Informationen. Aber Information ist sicher nicht der Geist, den Planck meinte. Denn Information ist nichts Lebendiges. Information ist passiv. Planck sprach dagegen von einem bewussten, intelligenten Geist und ein bewusster Geist ist etwas Lebendiges.

Einen Hinweis auf diesen bewussten Geist finden wir in der Interpretation der physikalischen Experimente mit Quanten. Quanten sind winzige Energiepakete, die sich je nach Art der Messung als Wellen oder Teilchen zeigen. Wegen dieses Verhaltens gelten Atome, Elektronen, Photonen (Lichtteilchen) und dergleichen – gleichgültig, ob die Objekte zur Materie zählen oder nicht – alle als Quanten. Zu einem der wichtigsten Experimente der Quantenphysik gehört jenes, bei dem man Lichtteilchen oder Elektronen auf eine Wand schickt, in der sich ein kleiner Doppelspalt befindet. Dahinter fängt man auf einem Beobachtungsschirm auf, was durch die Spalte hindurchkommt. Auf diese Weise beobachtet man das Verhalten der Quantenobjekte und kann es interpretieren.

Um Bewusstsein bei Quanten feststellen zu können, muss man wissen, anhand welcher Kriterien man Bewusstsein überhaupt feststellen kann. Bewusstsein ist kein Untersuchungsgegenstand der Quantenphysik. Deshalb findet man in dieser Disziplin keine geeigneten Kriterien zur Erkennung von Bewusstsein. Hier muss die Psychologie aushelfen. Die Psychologie hat mithilfe geeigneter Kriterien schon bei zahlreichen Tierarten Bewusstsein nachgewiesen. Das Hauptkriterium zur Erkennung einer primären Form von Bewusstsein, das allerdings noch nicht das höhere Ich-Bewusstsein einschließt, ist erstens die Fähigkeit, sich auf unerwartete Veränderungen der Wirklichkeit einzustellen und zweitens ein nicht sicher vorhersehbares, eigengesteuertes Verhalten.

Das ist aber genau das, was man an dem Verhalten von Lichtteilchen oder anderen Quanten feststellen kann, die offensichtlich selbst entscheiden, welchen Weg sie an einem Strahlenteiler durchlaufen oder welche Polarisierung sie bei einer Polarisationsmessung annehmen. Es gibt keine Formeln oder physikalischen Gesetze, anhand derer man dieses Verhalten vorausberechnen könnte. Man hat nur die Möglichkeit das Verhalten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorauszusagen. Sicherheit gibt es aber nicht. Und das entspricht beim Kriterium für primäres Bewusstsein, dem nicht sicher vorhersehbaren, eigengesteuerten Verhalten.

Immer wenn Lichtteilchen sich unbeobachtet glauben, bilden sie ein Wellenmuster auf dem Beobachtungsschirm beim Doppelspaltexperiment. Sie sind allerdings sehr eigenwillig: Wenn man nämlich einzelnen Quanten nachspürt, um mehr zu erfahren, verschwindet das Wellenmuster und es bleiben nur noch zwei Streifen übrig. Das gleiche gilt, wenn man abwechselnd einen der Spalte schließt, um mit Sicherheit sagen zu können, durch welchen Spalt ein bestimmtes Lichtteilchen gegangen ist. Die Quanten stellen sich auf alle Veränderungen der Wirklichkeit sofort ein. Ein Psychologe würde aus dem eigenwilligen Verhalten schließen, dass Quanten primäres Bewusstsein zeigen.

Planck kannte natürlich die grundlegenden Experimente der Quantenphysik einschließlich des Doppelspalt-Experiments. So ließ ihn möglicherweise das in den Experimenten offengelegte Verhalten der Materie zu dem Schluss kommen, dass ein bewusster, intelligenter Geist der »Urgrund aller Materie« ist. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Text enthält zum Teil Inhalte aus dem Sachbuch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein – Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« (ISBN 978-3837043518 )

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.

Linktipps:
Haben die kleinsten Bausteine der Materie Bewusstsein?
Quantenphysiker sind dem Jenseits auf der Spur
Können bewusste Quanten schwarze Löcher am CERN verhindern?
Warum eine kleine Mieze Quantenphysiker wahnsinnig macht

Weltformel: Was wird uns CERN und der mächtigste Tempel der modernen Physik bringen?

Im Mai 2008 wird mit dem Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik CERN in Genf der beeindruckendste Tempel der modernen Physik in Betrieb genommen. Es ist der mächtigste Teilchenbeschleuniger der Welt. Was bisher technisch unmöglich schien, soll im LHC umgesetzt werden: In der 27 km langen ringförmigen Riesenmaschine prallen Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander. Dafür wird ein Magnetfeld erzeugt, das 180.000 mal so stark ist wie das der Erde. Dieses kann nur bei einer Temperatur nahe dem absoluten Kältepunkt bestehen – minus 271,3 Grad Celsius. Beeindruckender noch als die zahlreichen technischen Rekorde sind die Erwartungen: Der LHC könnte unser Bild vom Universum revolutionieren.

Der Large Hadron Collider LHC am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik CERN in Genf, der Teilchenkollisionen bei höchsten Energien liefern wird, steht nach mehr als zehn Jahren Planungs- und Bauzeit kurz vor der Inbetriebnahme. Die gigantische Beschleunigeranlage, unterirdisch in einem Ringtunnel von 27 Kilometer Umfang untergebracht, und ihre nicht weniger eindrücklichen Detektoren, so gross wie mehrstöckige Häuser und vollgepackt mit Elektronik, werden es ermöglichen, fundamentale Physikphänomene zu studieren, wie sie ganz kurz nach dem Urknall vorgekommen sind. Die entsprechenden Experimente werden seit 15 Jahren in weltweiten Kollaborationen vorbereitet.

Die beiden Schlüsselexperimente ATLAS und CMS sollen viele der wichtigsten offenen Fragen der Physik beantworten: Warum haben Teilchen eine Masse, was ist die unsichtbare ‘Dunkle Materie’ im Universum, gibt es zusätzliche Raumdimensionen, lassen sich die heute bekannten kleinsten Bausteine (Quarks und Leptonen) der Materie noch weiter teilen? Die Hoffnungen auf neue Entdeckungen sind gross, seit Jahrzehnten wurde kein so kühner Schritt ins Neuland der Physik gewagt.
(Unter Verwendung einer Mitteilung vom Informationsdienst Wissenschaft)

Ob uns das LHC Erkenntnisse über die Weltformel bringen wird ist offen, insbesondere da einer der Magier der modernen Physik und Nobelpreisträger von 1998, Robert B. Laughlin, behauptet, man müsste die Physik neu erfinden. Die Suche nach der Weltformel würde dagegen mittelalterlichem Denken ähneln. Allerdings deutet Laughlin nur vage an, wie die Neuerfindung der Physik aussehen müsste.

Einfacher hat es der Protagonist Professor Allman im Sciece-Fiction Roman “Professor Allman – Auf der Suche nach der Weltformel”. Er hat eine Zeitmaschine, den Timeponder erfunden und macht sich mit deren Hilfe auf die Suche nach der Weltformel, indem er sich durch Raum und Zeit in parallele Universen transponiert. Das ist spannende Unterhaltung pur, die “Wunder der Wissenschaft” als Fantasy erscheinen lässt.

Video über den LHC in CERN:

[]