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Proton-Paradoxon: Sind Physiker auf unbekanntes Naturgesetz gestoßen?

Heidelberg. Zwei Experimente lieferten verschiedene Werte für den Radius des Protons. Messfehler halten die Physiker mittlerweile für praktisch ausgeschlossen. Sind sie auf ein bislang unbekanntes physikalisches Phänomen gestoßen?

Das Proton muss doch längst perfekt verstanden sein! Es ist einer der Hauptbestandteile aller Materie, die uns umgibt, der Brennstoff der Sterne im Universum. Es ist der positiv geladene Kern des Wasserstoffatoms, des am besten untersuchten Atoms überhaupt. Das Teilchen wurde in zahllosen Experimenten genauestens vermessen, und auch am Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Teilchenforschungszentrums CERN bei Genf sind es Protonen, die wir bei höchsten Energien miteinander kollidieren lassen, um neue Teilchen wie das Higgs-Boson entstehen zu lassen.

Kann das Proton also keine Überraschungen mehr für uns bereithalten? Weit gefehlt. Zusammen mit anderen Physikern haben Jan Bernauer und Randolf Pohl, die Autoren von “Das Proton-Paradox”, Titelgeschichte der April-Ausgabe 2014 von Spektrum der Wissenschaft, in den letzten Jahren die bislang präzisesten Messungen des Radius dieses Partikels vorgenommen. Anfangs erwarteten sie, durch die zwanzigfach höhere Genauigkeit dem lange bekannten Wert des Protonenradius lediglich die eine oder andere Nachkommastelle hinzuzufügen. Das war ein Irrtum. Vielmehr lieferten die beiden Experimente, bei denen unterschiedliche Messverfahren zum Einsatz kamen, zwei Werte, die deutlich voneinander abweichen: nämlich um mehr als das Fünffache der so genannten kombinierten Messunsicherheit. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies nur ein Zufall ist, beträgt weniger als eins in einer Million.

Während Jan Bernauer seine Messungen als Doktorand am Institut für Kernphysik der Universität Mainz durchführte – heute forscht er am Laboratory for Nuclear Science des Massachusetts Institute of Technology in Boston –, arbeitete Randolf Pohl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching an einem Beschleuniger des Paul Scherrer Instituts im schweizerischen Villigen. Immer neue technische und organisatorische Probleme hatten die Realisierung des neuartigen Messverfahrens, auf das er seine Hoffnungen setzte, auf Jahre verzögert. Statt mit gewöhnlichem Wasserstoff arbeitete er mit Wasserstoff, in dem statt eines Elektrons dessen 200-mal schwerer Vetter, ein Myon, das Proton umkreist.

Als aber endlich doch alles funktionierte, war das Resultat frustrierend: Die Forscher maßen kein einziges Signal. “Wir überlegten fieberhaft”, berichtet Pohl. “Könnten die Ursachen unseres Problems tiefer liegen als wir bis dahin vermutet hatten? Was wäre denn, wenn wir nach dem Protonenradius an der falschen Stelle, also bei den falschen Wellenlängen unseres Lasers, suchten? Wir beschlossen, unseren Suchradius zu erweitern. Doch in welche Richtung? Gemeinsam fassten wir den Entschluss, nach einem größeren Protonenradius Ausschau zu halten. Doch etwas später an diesem Abend kam mein Kollege Aldo Antognini in den Kontrollraum des Beschleunigers und meinte, wir sollten stattdessen nach einem kleineren Protonenradius suchen. Zu diesem Zeitpunkt arbeiteten wir längst in 20-Stunden-Schichten.”

Da den Forschern die ihnen am Beschleuniger zugestandene Zeit davonlief, steuerten sie die experimentellen Parameter schließlich sogar in Richtung noch kleinerer Werte, als jemals vermutet worden waren. Dann die Überraschung: Die ersten Hinweise auf ein Signal tauchten auf! Die Wissenschaftler waren elektrisiert – doch das Ergebnis wich um vier Prozent von bisherigen Messungen ab; eine drastische Diskrepanz. Das Proton im myonischen Wasserstoff war deutlich kleiner als irgendjemand erwartet hätte.

In der Forschergemeinde verursachte dies einige Aufregung. Die meisten Physiker glaubten zwar schlicht, dass ein Fehler im Spiel sein müsste. Schon bald meldete sich eine ganze Reihe von ihnen mit Vorschlägen, wo er stecken könnte. Doch eine Erklärung nach der anderen schlug fehl – und jedes Mal wuchs die Bedeutung der Messergebnisse.

Mittlerweile glauben die meisten Forscher, dass die Diskrepanz tatsächlich existiert, und arbeiten an neuen, noch präziseren Experimenten. Ihre große Hoffnung: Die Ergebnisse von Bernauer und Pohl könnten auf bislang unbekannte Naturgesetze hindeuten, indem sie Hinweise auf Teilchen und Kräfte liefern, die über das so genannte Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen. Vielleicht enthält das Universum ja ein bislang unentdecktes Elementarteilchen, das mit Myonen anders wechselwirkt als mit Elektronen? Denn das Myon hat sich auch an anderer Stelle verdächtig gemacht: Messungen seines so genannten magnetischen Moments passen nicht zu den theoretischen Berechnungen.

Im besten Fall stoßen die Wissenschaftler in den kommenden Jahren sogar auf eine Antwort, die beide Rätsel auf einen Schlag löst.  (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, April 2014)

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Dunkler Materie auf der Spur

Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem Halo der Galaxie. Ihre dichten Zentren strahlen energiereiche Gammastrahlung ab, die durch gegenseitige Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.Bild: Max-Planck-Institut für Astrophysik

Supercomputer berechnen, wo Astrophysiker gezielt suchen müssen

Ein internationales Team von Astrophysikern, das Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching leitet, hat jetzt mithilfe eines der größten Supercomputer Europas gezeigt, wohin das neueste Satellitenobservatorium der Nasa blicken muss, um die geheimnisvolle Dunkle Materie im Universum zu entdecke.

Das Fermi-Teleskop, das schon seit einigen Monaten den Himmel nach Gammastrahlen durchsucht, könnte in den nächsten Jahren ein schwaches Glimmen der Dunklen Materie aufspüren. Während deren Gravitationswirkung bereits vor über 75 Jahren entdeckt wurde, bleibt die Dunkle Materie bis heute für alle Teleskope unsichtbar, obwohl sie rund 85 Prozent aller kosmischen Materie ausmacht. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese neue Art von Elementarteilchen genügend Gammastrahlen produzieren, um vom Fermi-Teleskop entdeckt werden zu können. Darüber hinaus soll der Teilchenbeschleuniger “Large Hadron Collider” (LHC) in der Nähe von Genf Belege dafür finden.

Aber wohin soll das Fermi-Teleskop ausgerichtet werden, um die Gammastrahlen-Signatur der Dunklen Materie zu sehen? Astrophysiker aus Deutschland, Großbritannien, Kanada und den Niederlanden, die sich zum “Virgo-Konsortium” zusammengeschlossen haben, simulierten jetzt mithilfe eines extrem leistungsfähigen Supercomputers am Leibniz-Rechenzentrum in Garching die Entstehung der Strukturen Dunkler Materie, die eine Galaxie wie unsere Milchstraße umgeben. Solche Halos sind mehr als eine Billion Mal so massiv wie unsere Sonne und stellen die Grundeinheiten der kosmischen Struktur dar.

Der Halo der Milchstraße entstand vermutlich durch eine Reihe gewaltiger Kollisionen viel kleinerer Klumpen, die aus dem Urknall hervorgingen, und dann verschmolzen. Die meisten davon wurden auseinandergerissen, aber einige haben den Prozess überstanden. Die größten davon beherbergen heute bekannte Satellitengalaxien wie die Magellanschen Wolken oder die Sagittarius-Zwerggalaxie. Andere Klumpen waren zu klein, als dass Sterne aus ihnen hätten entstehen können. Astronomen vermuten aber, dass sie sich immer noch im Halo unserer Galaxie verbergen, wenngleich kein Teleskop sie bisher entdeckt hat.

Gammastrahlen werden in Regionen mit einer hohen Dichte von Dunkler Materie erzeugt, wenn die Teilchen zusammenstoßen und zerstört werden. Viele Kosmologen gehen bisher davon aus, dass das Fermi-Teleskop nach Gammastrahlen aus den Trabanten der Milchstraße suchen solle, da deren Zentren sehr dicht sind. Die Simulationen des Virgo-Teams zeigen aber, dass dies nicht der beste Ort für die Suche ist. Die sorgfältigen Berechnungen der Wissenschaftler belegen, dass Signale am leichtesten in Regionen der Milchstraße entdeckt werden könnten, die zwar innerhalb der Umlaufbahn der Sonne um das galaktische Zentrum, aber nicht zu nah an diesem liegt.

Auf der Suche nach Gammastrahlen

Genau ins Zentrum zu blicken, wäre eine schlechte Strategie für das Fermi-Teleskop. Das Signal könnte dabei durch Gammastrahlen von anderen Quellen, wie beispielsweise den Überbleibseln von Supernovae oder von Gaswolken gestört werden, in denen sich Sterne bilden. Stattdessen empfehlen die Wissenschaftler, 10 bis 30 Winkelgrade außerhalb des Zentrums zu suchen. Die Dunkle Materie sollte dort in einem sich gleichmäßig verändernden und charakteristischen Muster leuchten.

“Wenn das Teleskop tatsächlich die vorausberechnete Emission aus dem gleichmäßigen inneren Halo der Milchstraße entdeckt, dann könnte es, wenn wir Glück haben, auch Gammastrahlen aus kleinen (und ansonsten unsichtbaren) Klumpen von Dunkler Materie sehen, die zufällig besonders nah an der Sonne liegen”, sagt Volker Springel, der die Rechnerkalkulation überwachte. Diese Klumpen werden deutlich lichtschwächer sein als der Haupthalo, könnten aber dennoch entdeckt werden. Die bekannten Satellitengalaxien würden ebenfalls in Gammastrahlen sichtbar sein, obwohl ihre Entdeckung aufgrund ihres größeren Abstandes noch schwieriger ist.

Die Simulation benötigte insgesamt 3,5 Millionen Rechnerstunden. “Mitunter glaubte ich, sie wird nie fertig”, sagt Volker Springel.

“Diese Berechnungen erlauben uns endlich, zu sehen, wie die Verteilung der Dunklen Materie nahe der Sonne aussehen sollte”, erklärt Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik. “Das Rätsel um die Dunkle Materie zu lösen, wäre eine der größten wissenschaftlichen Leistungen unserer Zeit. Es ist bemerkenswert, dass sogar theoretische Fortschritte auf einem so wichtigen Gebiet jetzt in internationaler Zusammenarbeit erzielt werden”, sagt Carlos Frenk, Direktor des Institute for Computational Cosmology an der Durham University. (Quelle: idw)

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:

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