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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

Null-Punkt-Energie: Welche Eigenschaft hat das absolute Nichts?

Das Vakuum gilt gemeinhin als Synonym für die absolute Leere. Doch weiß man inzwischen, dass selbst im Labor, wo fast das absolute Nichts erzeugt werden kann, Kräfte im Vakuum wirken. Was Heisenbergs Unschärferelation möglich macht, benutzen Holger Gies und sein Team. Sie waren die erste Gruppe, die die sogenannte Casimirkraft zwischen beliebig geformten Körpern vorhersagen und berechnen konnte. “Wenn man Platten oder Kugeln ins Vakuum einbringt, verändert man es”, sagt der neue Professor für Theoretische Physik/Quantenfeldtheorie der Universität Jena. “Diese Reorganisation führt dazu”, so Prof. Gies, “dass die Casimirkräfte entstehen.”

Diese Entdeckung war nicht nur ein Höhepunkt im wissenschaftlichen Werdegang des heute 36-Jährigen. Sie führte ihn auch von den theoretischen Überlegungen zur Anwendung. “Der Transfer ist es, der mich mittlerweile interessiert”, sagt Prof. Dr. Holger Gies.

An der Friedrich-Schiller-Universität geht er jetzt auf die Jagd “nach dem kleinen Bruder von Elektron oder Photon”. Denn der Theoretische Physiker ist sich sicher, dass man mit Licht nach neuen Teilchen suchen kann – auch dafür sei Jena der richtige Ort. Außerdem will der sportliche Physiker hier die Starke Wechselwirkung untersuchen. Wie entsteht die Masse? – Wie wird aus einem leichten Quark ein schweres Proton? Diese Fragen beschäftigen den begeisterten Hochschullehrer, der unter seinen Studierenden “eine Atmosphäre des Fragens schaffen” will.

Fragen haben ihn selber auf seinem wissenschaftlichen Weg immer weiter geführt. Was ist das Nichts? – diese Frage beantwortete er in seiner Dissertation (1999), indem er die Eigenschaften des Quantenvakuums in starken Feldern ermittelte. Die Quantenfeldtheorie, die für ihn “eine universelle Sprache” ist, treibe ihn. (Quelle: idw)

Kommentar:

Die Quantentheorie ist ein abstrakter mathematischer Formalismus, dessen Vorhersagen immer wieder beeindruckend gut bestätigt werden. Aber kann ein Formalismus tatsächlich die Welt erklären? Der Autor und Verfasser des Sachbuchs Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen begnügt sich nicht mit einem Formalismus, sondern führt eine weitere Erklärungsebene ein. Er beantwortet die Frage nach den Eigenschaften des absoluten Nichts, indem er für sonst unerklärliche Quantenphänomene eine Erklärung findet.

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?

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.

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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“Car On Demand (COD)” – Wann kommt das 5-Tage-Auto?

Wissen Sie wie ein Autohersteller zukünftig die Produktion von Ladenhütern vermeiden kann? Hier jetzt die Lösung!

In der Geschichte “Paradisienne” fährt Fleming das Kultauto der Zukunft, den Bonstar. Doch wie wird dieses Auto produziert? Bei der derzeitigen Massenproduktion muß der Automobilhersteller riesige Stückzahlen ohne Unterbrechung zusammenschweißen, um einen Gewinn zu erwirtschaften. Das birgt gewaltige Risiken. Wenn die Käufer ausbleiben, sitzt der Hersteller auf großen Halden von Ladenhütern, die er versuchen muss durch Preisnachlässe los zu werden. Wäre es nicht besser, der Hersteller könnte nur genau das Auto produzieren, das auch schon bestellt worden ist, sozusagen einen “Car On Demand“?

Im Bereich der Bücher gibt es so etwas schon. Dort heißt das Prinzip Book On Demand (BOD). Es werden nur genau so viel Bücher gedruckt, wie bestellt wurden und keines mehr. Die moderne Computerdrucktechnik macht es möglich. Doch wie soll das Prinzip im Automobilbau funktionieren?

Seit 2004 arbeitet ein interdisziplinäres Forschungsteam an dem EU-Projekt mit dem Namen Intelligent Logistics for Innovative Product Technologies (ILIPT). Ehrgeiziges Ziel des Projektes ist es, das Ende der Massenproduktion einzuleiten und stattdessen ein System der flexiblen Fertigung einzuführen.

Autos sollen zukünftig aus Modulen gefertigt werden. Der Kunde kann dann frei wählen zwischen den Modulen und sich ein individuelles Auto zusammensetzen lassen. Er bekommt genau das Auto, das er haben will. Es soll innerhalb von fünf Tagen ab Bestellung individuell gefertigt werden (5-Tage-Auto). überzählig gefertigte Autos, die keiner haben will, wird es dann nicht mehr geben.

Und wann wird es soweit sein? Die Forscher hoffen, die Markteinführung der neuen flexiblen Fertigungstechnik bereits 2015 begleiten zu dürfen.

Weiterführende Links:
Projekt ILIP
100 Produkte der Zukunft