Teilchenphysiker experimentieren mit geheimnisvollen Neutrinos

Neutrinos spielen in der Entstehungsgeschichte unseres Universums eine wichtige Rolle. Sie sind wahrscheinlich mit verantwortlich für die heute beobachtete Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Weltall. Neutrinos kommen heute in drei Typen vor, die wahrscheinlich nur unterschiedliche Ausprägungen des gleichen Teilchens sind. Das zu beweisen, ist Aufgabe eines internationalen Großprojekts des CERN und des Gran Sasso National Laboratory.

Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:

- Projekt-Homepage von OPERA – Link
- Homepage des Gran Sasso National Laboratory – Link
- Homepage des CERN zum Projekt CNGS – Link
- Vortrag von Dario Autiero anlässlich der Veröffentlichung zur Geschwindigkeit der Neutrinos am 23. September 2011 – Link

Mehr zum Inhalt des Videos:

Neutrinos können aufgrund ihrer extrem kleinen Masse und der minimalen Wechselwirkung mit Materie fast alles durchdringen. Daher ist ihre Beobachtung sehr aufwändig. Aber wenn Neutrinos eine auch noch so winzige Masse besitzen, dann muss die Oszillation ihrer drei möglichen Zustände durch unterschiedliche Zerfallsprozesse indirekt zu beobachten sein. Rund 170 Teilchenphysiker mehrerer internationaler Institutionen arbeiten seit 2007 an der Klärung dieser Frage.

Im CERN wird ein reiner Myon-Neutrino-Strom erzeugt, der auf die 730 km lange Reise durch die Erdkruste zum Gran-Sasso-Laboratorium in Italien geschickt wird. Tief in den Bergen des Gran-Sasso-Massivs befindet sich das Forschungslabor mit dem gewaltigen OPERA-Detektor – für „Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus“. Von den Milliarden Neutrinos, die an jedem Versuchstag im CERN ihre weite Reise in das Labor von Gran Sasso antreten, verändern sich schätzungsweise nur etwa 15 Teilchen. Diese aus der Flut des gepulsten Stromes von Milliarden Teilchen heraus zu filtern, ist die große Kunst der Wissenschaft. 2010 wurde der Öffentlichkeit der erste Nachweis eines Tau-Neutrinos im OPERA-Detektor präsentiert. Damit hat sich die These erhärtet, dass die drei Neutrinos – nämlich das Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino – nur unterschiedliche Zustände ein und des selben Teilchens sind.

Am 23. September 2011 kam es zu einer sensationellen Veröffentlichung, die eigentlich nur ein Nebenprodukt dieser Forschungen war: Einige der beobachteten Neutrinos sollen auf ihrem Weg die magische Grenze der Lichtgeschwindigkeit überschritten haben. Die Messung ergab, dass die Teilchen auf der Strecke 60 Nanosekunden schneller als das Licht sind. Ein Messfehler? Oder reale Beobachtung? Die Wissenschaftler des Projektes sind über die Beobachtung selbst mehr als erstaunt, halten sie jedoch für valide – und können sie nicht wirklich erklären. Sollte die Messung richtig sein, dann wäre ein zentraler Grundpfeiler der modernen Physik eingestürzt – mit wahrhaft unüberschaubaren Folgen für unser Modell der Wirklichkeit. Entsprechend heftige Reaktionen hat die Entdeckung in der Physikerwelt ausgelöst.

© mce mediacomeurope GmbH 2012

Funktionsweise einer seit fünfzig Jahren erfolgreichen Technologie

Der Laser ist bereits fünfzig Jahre alt. Pionier dieser Entwicklung ist der Physiker und Nobelpreisträger Charles Townes, der noch heute an der University of Berkeley als Emeritus tätig ist. Er hat die Grundlage dieser Technologie geschaffen, deren Einsatz heute von der Medizintechnik bis zur Unterhaltungselektronik reicht.

Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:

- Interview mit Charles Townes zum Laser-Jubiläum – Link
- Feier zu fünfzig Jahren Laser-Technologie im Karlsruher Institut für Technologie – Link
- 125 Jahre Entdeckung der elektromagnetischen Wellen – Link

Vor 125 Jahren, am 11. November 1886, gelang es Heinrich Hertz erstmals, den experimentellen Nachweis der elektromagnetischen Ausbreitung von Wellen zu erbringen. Mit seinen Messungen konnte er an Hand von Radiowellen erstmals bestätigen, dass sich elektromagnetische Wellen tatsächlich – wie theoroetisch schon postuliert – mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Dies schuf die Grundlage für zahlreiche praktische Anwendungen wie Rundfunk und Handytechnologie. Auch andere Frequenzbereiche wie Infrarot oder das optische Licht folgen dem Prinzip elektromagnetischer Wellenausbreitung. In der Maser- und Lasertechnologie werden diese Wellen auch noch stark gebündelt und damit zu hoher Energiedichte konzentriert. Die theoretische Grundlage dieser Technologie schuf der Physiker Charles Townes 1952.

Zwei Jahre später entwickelte er an der Columbia University ein Funktionsmodell zur Verstärkung und Erzeugung elektromagnetischer Wellen durch stimulierte Emission – der Begriff Maser entstand als Akronym für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Schon 1958 konnte er gemeinsam mit seinem Schwager Arthur L. Schawlow nachweisen, dass das Prinzip des MASERS auch auf optische und infrarote Wellenlängen anwendbar ist, und formulierte dafür die grundlegende Gleichung. Nur wenige Jahre später gelang der Bau des ersten Lasergerätes.

Der Bericht des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) zeigt am Beispiel des Rubinlasers, wie fokussiertes Licht im Laser entsteht, und lässt den Laser-Vordenker Townes über die Geschichte und die Zukunft der Lasertechnologie zu Wort kommen. Der Forscher wurde 2011 bereits 96 Jahre alt und ist immer noch an der kalifornischen Universität Berkeley in Forschung und Lehre aktiv.

Die Lasertechnologie ist heute sowohl im Alltag als auch im Forschungsbetrieb in unterschiedlichen technischen Variationen im Einsatz. Inzwischen gibt es unzählige Arten von Lasern für die verschiedensten Anwendungen, deren Spektrum von der Materialbearbeitung über die Medizintechnik bis zur Unterhaltungselektronik reicht.

© Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2011

Reinraum-Produktion mit Antivibrationsplattform

Die Nanotechnik gehört zu jenen Forschungsfeldern, denen großes Wachstum prognostiziert wird. Das Institut für Mikrostrukturtechnik IMT am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) betreibt seit über zwei Jahrzehnten Grundlagenforschung im Bereich der Nanostrukturen. Im Zentrum stehen polymere Werkstoffe und Metalle. Neben der Analyse von Materialien rückt seit zehn Jahren auch die Produktion von Nanostrukturen immer mehr in den Mittelpunkt. Sie gewinnt beispielsweise für die Medizintechnik immer mehr an Bedeutung.

Seit 2007 kommt im IMT für die Herstellung von Nanostrukturen ein Elektronenstrahlschreiber zum Einsatz. Das Gerät arbeitet mit extrem feinen Strahldurchmessern bis zu vier Nanometern, die die Produktion in diesen kleinsten bisher möglichen Größenordnungen mit extremer Präzision erlaubt. Um jedoch einen einwandfreien Betrieb der hochempfindlichen Maschine zu gewährleisten, sind außerordentliche Vorkehrungen erforderlich. Jedes winzige Staubkorn, selbst schwache Funkwellen oder auch minimale Vibrationen müssen vollständig ausgeschlossen werden, nur so lässt sich die erforderliche Genauigkeit im Nano-Herstellungsprozess sicherstellen. Ein Reinraum für den Betrieb des Elektronenstrahlschreibers, wie er auch für die Produktion von Mikrostrukturen erforderlich ist, reicht nicht aus. Er muss zusätzlich elektromagnetisch abgeschirmt sein und auf einer Antivibrationsplattform eingerichtet werden, die es erlaubt, erschütterungsfrei zu produzieren.

Der genaue Bauplan wird zuvor mit einem CAD-Computerprogramm entwickelt. Diesen überträgt der Elektronenstrahl, der mit 100.000 Volt Spannung beschleunigt wird, auf eine superdünne Kunststoffschicht, die zuvor auf eine Siliziumscheibe aufgetragen wurde.

Der Bericht des KIT gibt Einblicke in die Produktion von Nanostrukturen mit diesen Elektronenstrahlschreibern.

© Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2011

KIT entwickelt supraleitende Hochfeldmagnete für NMR-Spektroskopie

In Teilchenbeschleunigern analysieren Physiker die kleinsten Bausteine der Welt. Immer sind es gewaltige Magnete, die die Teilchen im Vakuum auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Am Institut für Technische Physik im KIT hat man mit der Entwicklung geeigneter supraleitender Hochfeldmagnete für die Grundlagenforschung, wie sie etwa im CERN vorangetrieben wird, eine wichtige Voraussetzung geschaffen.

Inzwischen gibt es neue Einsatzfelder, in denen diese in Teilchenbeschleunigern erzeugte Strahlung, die sogenannte Synchrotronstrahlung, nicht nur “Selbstzweck” für die physikalische Analyse der darin entstandenen Elementarteilchen ist. Sie kann für unterschiedliche Anwendungen im Bereich der Material- und Werkstoffforschung, ja sogar der Biologie herangezogen werden. Immer dient die hochenergetische Strahlung zur “Durchleuchtung” von Materie im Allerkleinsten, wo herkömmliche Methoden versagen, also im Mikro- oder Nanobereich.

Bei der Synchrotonstrahlung handelt es sich um laserartig fokussierte Strahlung. Sie interagiert mit den Atomen des untersuchten Materials. Mit Hilfe der Kernspinresonanz-Spektroskopie, kurz NMR für nuclear magnetic resonance, lassen sich deren Strukturen im subatomaren Bereich visuell sichtbar machen und analysieren.

Im Institut für Technische Physik des KIT hat man die Entwicklung der hochenergetischen Synchrotronstrahlung mit der Konzeption und dem Bau solcher Hochfeldmagneten seit dreißig Jahren begleitet und maßgeblich mit gestaltet. Der Beitrag stellt die Arbeit der Wissenschaftler und Ingenieure in diesem Teilgebiet vor und zeigt, wie in Coproduktion mit einem Industriepartner hochwertige Serienprodukte für solche Anwendungen entstehen.

© Karlsruher Institut für Technologie KIT 2010

Von MACHO, WIMP und anderen Exoten des Himmels

Wir wissen heute, dass für unsere Instrumente nur etwa zehn Prozent der Materie im Universum sichtbar und damit nachweisbar sind. Der Rest von neunzig Prozent besteht aus für uns nicht beobachtbarer dunkler Materie und dunkler Energie. Der Lösung eines der großen Rätsel wollen Astrophysiker mit Weltraumsonden und erdgestützter Forschung näher kommen. Die Reportage von HYPERRAUM.TV stellt den Stand des heutigen Wissens vor.

Einem Teil dieser bisher unsichtbaren Masse kommen Astrophysiker dank verbesserter Technologien und Detektoren auf die Spur: nur extrem schwach strahlende oder gar dunkle Himmelskörper bevölkern das Universum offenbar in großer Zahl. Dazu gehören die noch hypothetischen miniaturisierten Schwarzen Löcher, aber auch die schon nachgewiesenen Braunen Zwerge und extraterrestrischen Planeten. Astrophysiker rechnen diese Objekte der Klasse der MACHO zu – also Massive Astrophysical Compact Halo Objects. Mit Hilfe des Microlensing-Effektes können diese Objekte aber zunehmend indirekt nachgewiesen werden: schiebt sich ihre Masse – von der Erde aus betrachtet – vor einen sichtbaren Stern, wirkt sie als Gravitationslinse. Eine eigene Forschungsrichtung der Astrophysik ist daraus erwachsen, die in letzter Zeit mit etlichen Entdeckungen, auch im Bereich der Exoplaneten, auf sich aufmerksam machte.

Bei den ebenfalls noch hypothetischen WIMP – für Weakly Interacting Massive Particles – handelt es sich um nur schwach wechselwirkende Elementarteilchen. Sie müssten den Raum in extrem großer Zahl bevölkern. Wie Neutrinos könnten sie Planeten wie alle Körper vollkommen ungestört durchqueren.

Noch spekulativer ist die sogenannte dunkle Energie. Aber auch sie hat eine konkrete Beobachtung zur Ursache: Seit etwa zwanzig Jahren wissen wir, dass die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zunimmt. Diese Beobachtung widerspricht der Theorie des gängigen kosmologischen Standardmodells. Ihr zufolge sollte die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum aufbläht, seit dem Urknall stetig abnehmen. Warum das nicht so ist, gehört heute noch zu den großen Rätseln der Astrophysik.

© mce mediacomeurope GmbH 2011

Physiker erforschen Antimaterie und suchen sie im Weltraum

Physiker suchen im Weltraum und in großen Teilchenlabors wie dem CERN nach den Ursprüngen des Universums. Beim Urknall entstanden nebeneinander Materie und Antimaterie. Dennoch hat sich die Welt nur aus Materie gebildet – Forscher versuchen, dieses große Rätsel jetzt zu lösen.

Antimaterie unterscheidet sich nur in einem wesentlichen Punkt von der Materie, wie wir sie kennen: sie hat die genau entgegengesetzte Ladung. Besteht das Atom aus einem positiven Kern und negativen Elektronen, ist das in der Antiwelt genau umgekehrt: den negativen Kern umkreisen positiv geladene Elektronen. Physiker suchen mit unterschiedlichen Methoden nach der Entschlüsselung des Rätsels der Antimaterie. Antiteilchen sind seit den dreißiger Jahren bekannt und können auch experimentell erzeugt werden. Da sie aber bei Kontakt mit Materie sofort zerstrahlen, ist es sehr schwer, sie in unserer Welt der Materie existent zu halten. Im CERN hat man jetzt einen speziellen Detektor entwickelt, der Antiteilchen nicht nur kurzfristig erzeugen kann, sondern sie im Vakuum für die weitere Analyse gefangen hält.

Nach der heute gängigen Kosmogonie existierten nach dem Big Bang Materie und Antimaterie, die sich jedoch sofort annihilierten, also in einer gewaltigen Explosion in reine Strahlungsenergie verwandelten. Dieses gigantische kosmische Ereignis ist übrigens heute noch in der das ganze Universum erfüllenden Hintergrundstrahlung nachweisbar. Sie wird derzeit vom Satelliten Planck präzise erfasst. Allerdings muss beim Urknall ein zwar minimales, aber doch entscheidendes Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie bestanden haben. Ein Teilchen mehr Materie auf 1 Milliarde Teilchen Antimaterie führte dazu, dass nach der gegenseitigen Vernichtung ein kleiner Rest an Materie übrig geblieben ist. Daraus erst entstand das Universum aus Materie, wie wir es heute kennen.

© mce mediacomeurope GmbH 2011

Im CERN machen Physiker Jagd auf die Higgs-Bosonen

Der Physiker Prof. Dr. Peter Higgs war es, der in den sechziger Jahren theoretisch entdeckte, dass das Vakuum nicht wirklich leer ist – er hat der relativistischen Quantenfeldtheorie eine völlig neue Welt erschlossen. Bis heute warten aber die von ihm theoretisch vorhergesagten Higgs-Bosonen auf ihren Nachweis. Erst jetzt bestehen im CERN mit dem neuen ATLAS-Detektor die technischen Voraussetzungen, Jagd auf die Higgs-Partikel zu machen.

Das CERN ist das größte Teilchen-Labor der Welt. Zwanzig europäische Länder tragen die internationale Institution. Rund 3000 Mitarbeiter und 6500 Gastwissenschaftler aus aller Welt bauen hier gewaltige Anlagen; mit den gigantischen Experimenten, die innerhalb eines 27 Kilometer langen Ringtunnels stattfinden, suchen sie nach den kleinsten Bausteinen der Welt. Ganz unterschiedliche Experimente laufen hier ab. Immer ist es dafür erforderlich, Teilchen zuerst auf Hochgeschwindigkeit zu bringen und sie dann zusammenstoßen zu lassen.

Die Geschehnisse im subatomaren Bereich spielen sich in Sekundenbruchteilen ab. Nur hochspezialisierte Maschinen, sogenannte Teilchen-Detektoren, können diese Ereignisse erkennen und dokumentieren. Wichtige Aufgabe ist es, die bei einer Kollision entstandenen Teilchen zu identifizieren, also ihre Eigenschaften festzustellen. Mit 46 m Länge, 25 m Höhe, 25 m Breite – 7000 Tonnen schwer – ist ATLAS der größte Teilchen-Detektor, der jemals gebaut worden ist. Er soll mindestens zehn Jahre im Einsatz bleiben.

Mit ATLAS sucht man auch nach den Higgs-Bosonen. Erst heute mit den modernsten Anlagen der Teilchenphysik sind wir in der Lage, Teilchen auf 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Damit bestehen jetzt erstmals die Voraussetzungen, diese Teilchen im Labor tatsächlich zu erzeugen. Die Reportage von HYPERRAUM.TV erläutert die Zusammenhänge und lässt den Forscher, der heute über achtzigjährig in Edinburgh lebt, ausführlich selbst zu Wort kommen.

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Alice-Detektor im LHC untersucht das Quark-Gluonen-Plasma

Wie ist das Universum entstanden? Woher kommt das Leben? Kosmologie wie Evolution – beide haben Ihre Ursache in der Physik der kleinsten Bausteine. Nur wer versteht, was die Welt im Innersten zusammenhält, kann sich der Entschlüsselung der großen Rätsel im Kosmos nähern.

Im europäischen Labor für Teilchenphysik CERN spürt man diesen kleinsten bekannten Bausteinen der Materie nach. Um die atomaren Bausteine der Welt zu analysieren, schießen Wissenschaftler Materie-Teilchen mit ungeheurer Kraft aufeinander und zerbrechen sie dadurch in noch kleinere Einzelteile. Dafür ist Technologie der außergewöhnlichen Art erforderlich.

Der neueste Beschleuniger-Typ im CERN, seit 2000 in Betrieb, ist der LHC-Tunnel. LHC steht für Large Hadron Collider. Als „Hadronen“ bezeichnet man bestimmte Arten von Elementarteilchen wie das Proton, den Kern des Wasserstoff-Atoms. Der LHC besteht aus zwei ringförmigen Vakuum-Strahlröhren mit einer Länge von 27 Kilometern. Hier werden Teilchen innerhalb von 20 Minuten auf 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann zum Zusammenstoß gebracht.  

Diese Kollisionen ereignen sich in einem der vier Hauptdetektoren, die für unterschiedliche Forschungen ausgelegt sind. Der Detektor Alice mit einem Gewicht von 10.000 Tonnen untersucht speziell die Kollision von Blei-Ionen. Damit erhoffen sich Forscher Aufschluss über die Entstehung des Universums, den Big Bang. In den ersten Sekunden danach bestand das Universum aus einem extrem heißen Plasma von Gluonen und Quarks, aus denen sich dann die Atome bildeten. Dieses zu simulieren und damit Erkenntnisse über den Anfang des Universums zu finden, ist eine der Aufgaben der Teilchenphysiker am CERN.

Siehe auch unseren einführenden Beitrag „CERN in drei Minuten“. Zu dieser Kurz-Reportage geht es hier.

© mce mediacomeurope GmbH 2010

“Large Hadron Collider”: Beschleunigter Zusammenstoß

Um die atomaren Bausteine der Welt zu analysieren, beschleunigen Wissenschaftler Materie-Teilchen in einer 27 Kilometer langen Ringbahn annähernd auf Lichtgeschwindigkeit und lassen sie dann kollidieren. Der Beitrag des CERN erklärt in 3 Minuten, wie die Teilchenphysiker des bei Genf gelegenen CERN über den Beginn des Universums forschen.

Der neueste Beschleuniger-Typ im CERN, seit 2000 in Betrieb, ist der LHC-Tunnel. LHC steht für “Large Hadron Collider”. Als „Hadronen“ bezeichnet man bestimmte Arten von Elementarteilchen wie das Proton, den Kern des Wasserstoff-Atoms. Im Ring des LHC sind zudem vier Haupt-Detektoren untergebracht. Sind die im LHC in entgegen gesetzter Richtung laufenden Teilchenstrahlen auf Hochgeschwindigkeit gebracht, kommt es in den Detektoren zu ihrer gezielten Kollision. Dabei entstehen für sehr kurze Zeit Sekundärteilchen. In den Detektoren zeichnen in dieser kurzen Zeitspanne 150 Millionen Messkanäle 40 Millionen Mal pro Sekunde Daten auf. Deren Auswertung gibt Kernphysikern unter anderem Aufschluss über Fragen, die mit der Entstehung von Materie am Anfang des Universums zusammenhängen. Auch der Erforschung der Dunklen Materie gilt ein besonderes Augenmerk der Forscher im CERN.

© CERN 2006

Die Europäische Südsternwarte ESO: Zentrum der Erforschung extraterrestrischer Planeten

Hyperraum.TV berichtet über die jüngsten Erfolge bei der Entdeckung von extraterrestrischen Planeten und erläutert die Methoden, mit denen der Nachweis dieser extrem kleinen und dunklen Himmelskörper gelingt. Seit den neunziger Jahren, als der erste dieser Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt wurde, konnten mehrere hundert solcher Trabanten von Sternen nachgewiesen werden. Meist handelt es sich um relativ große Gasplaneten recht nah in unserer Galaxis. Das Observatorium der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile ist ein Dorado für die Jagd nach Exoplaneten. In La Silla, 3000 Meter hoch in den Anden, herrschen ideale Bedingungen. Hier kann man das Universum in dünner, trockener und wenig verschmutzter Atmosphäre besonders gut beobachten. Daher sind viele Exoplaneten im südamerikanischen Observatorium der ESO entdeckt worden. Prof. Dr. Michel Mayor von der Universität Genf gehört zu den bekanntesten Planetenjägern, die in La Silla auf die Suche nach den kleinen Trabanten gehen. Etliche Exoplaneten hat er mit seinem Team hier entdeckt. Nächstes großes Ziel bei ihrer Erforschung ist die Suche nach erdähnlichen Objekten. Umkreisen sie ihre Sonne in geeignetem Abstand, dann könnte sich, so jedenfalls die Hoffnung der Astronomen, darauf Leben entwickelt haben.

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