Gewähltes Tag Teilchenphysik

Wenn das Vakuum zu sprühen beginnt

Walter Greiner, superschwere Elemente und die Navigation der Vögel


Walter Greiner gehört zu den Pionieren der Quantenelektrodynamik. Schon früh faszinierten den theoretischen Physiker die Struktureigenschaften in massereichen Atomkernen. Im Gespräch lässt er erkennen, dass sein forschend-kreatives Potenzial aber weit darüber hinaus reicht.

Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:

- mehr über Schwerionenforschung in der GSI – hier

- zur Publikation von Ilia A. Solovyov und Walter Greiner über „Die Navigation von Vögeln und anderen Tieren im Magnetfeld“ – hier

- über den Ortungssinn bei Rotkehlchen – hier

- wie die Navigation von Tauben funktioniert – hier

Mehr zum Inhalt des Videos:

Obwohl Walter Greiner mit seinem Forschungsschwerpunkt der Quantenelektrodynamik zu den theoretischen Physikern gehört, hat er sich immer für den Nachweis der Erkenntnisse durch das Experiment stark gemacht. Als langjähriger Ordinarius für Theoretische Physik an der Frankfurter Universität widmete er sich in den sechziger Jahren zusammen mit Prof. Dr. Erwin Schopper, Proff. Dr. Peter Bix, Prof. Dr. Wilhelm Wlacher und Prof. Dr. Rudolf Bock dem Aufbau der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt. Hier werden seit dieser Zeit schwere Atomkerne auf extrem hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Die beim Zusammenstoß solcher massereichen Kerne frei werdenden gewaltigen Energien helfen nicht nur, theoretische Modelle zu untermauern, als Nebeneffekt produzieren Wissenschaftler in solchen Anlagen für kurze Zeit neue, sogenannte „Superschwere Teilchen“, die in der Natur nicht vorkommen.

Greiner hofft darauf, dass Schwerionen-Experimentatoren in wenigen Jahren sogar „das Vakuum zum Sprühen bringen“, wie er es in dem Gespräch formuliert: es kurzzeitig von einem neutralen in einen geladenen Zustand zu überführen. Die heutige Theorie der Quantenelektrodynamik lässt dies jedenfalls erwarten. Doch Greiner hat sein wissenschaftlich-theoretisches Ideenpotenzial nicht nur in der Quantenphysik angewandt; wichtige Erkenntnisse gelangen ihm auch in Zusammenarbeit mit Biologen zur Navigation von Vögeln. Sie orientieren sich an irdischen Magnetfeldern; wie dieser Prozess physikalisch zu erklären ist, hat Greiner mit Studenten erforscht. Sein neuestes Steckenpferd ist die mathematische Umformung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie eliminiert aus Einsteins Weltgebäude Singularitäten im Raum-Zeit-Kontinuum . Diese seien, so Greiner, immer ein Indiz für die Unvollkommenheit einer physikalischen Theorie.

Greiner, heute 78 Jahre alt, war sein ganzes Leben auf der Suche nach dem Fundamentalen, nach den großen Fragen in der Wissenschaft. Für den bekennenden Christen ist das gleichzeitig die Suche nach dem Göttlichen in der Natur.

© mce mediacomeurope GmbH 2014

AMS und die große Fusion der Physik

Astrophysiker und Teilchenphysiker auf der Suche nach dem gemeinsamen Weltmodell


Die beiden Standardmodelle der Physik – die der Teilchenphysik und die der Astrophysik – lassen sich derzeit nicht zu einer gemeinsamen Sicht der physikalischen Welt vereinen. Gleichzeitig gibt es in jeder der beiden Theorien offene Punkte, die sich einer Erklärung entziehen. In unserer Moderation geht es um Dunkle Materie, um Antiteilchen und darum, dass die bisher weitgehend getrennt voneinander experimentierenden Physiker beider Seiten mehr und mehr verstehen, dass nur in gemeinsamer Arbeit eine einheitliche Sicht der physikalischen Welt entstehen kann. Erstes grandioses Beispiel: Das Alpha-Magnetische Spektrometer auf der Internationalen Raumstation ISS.

Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:

- Projektseite des Johnson Space Center der NASA zum AMS auf der ISS – hier

- Webseite des CERN zum AMS – hier

- zu unserer Reportage über Dunkle Materie – hier

- mehr über MACHO, WIMP und andere Exoten des Universums – hier

- Talk mit Prof. Matthias Bartelmann über indirekte Nachweismethoden Dunkler Materie – hier

- zu unserer Studiosendung über die außergewöhnliche Technologie des Weltraumdetektors – hier

Mehr zum Inhalt des Videos:

Die Nicht-Existenz der Antimaterie aus dem Universum ist für Teilchenphysiker bis heute ein großes Geheimnis. Aufgrund theoretischer Überlegungen müsste davon beim Urknall genauso viel wie Materie entstanden sein. Aber auf rätselhafte Weise ist sie aus dem Universum, wie wir es kennen, weitgehend verschwunden. Beobachtet werden können derzeit nur Positronen, die Antiteilchen des Elektrons, die in der Teilchenstrahlung von Sternen produziert werden. Bisher aber haben Astrophysiker den exotischen Positronen als speziellem Teilchentyp in ihren Beobachtungen nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Teilchenphysiker dagegen halten die für Astrophysiker enorm wichtige Dunkle Materie für reichlich irrelevant. Dunkle Materie ist im Standardmodell der Teilchenphysik überflüssig; sie konnte bisher zudem in keinem Experiment an Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden. Die Suche nach Dunkler Materie steht für Astrophysiker ganz oben auf der Skala astraler Forschungsthemen.

Bisher experimentierten diese beiden Wissenschaftslager der Physik in getrennten Laborsituationen. Die einen mit Teleskopen hoch oben in den Bergen oder mit Satelliten und Sonden weit draußen auf vorgeschobenem Posten im All. Die anderen arbeiten in großen Beschleunigeranlagen tief unter der Erde, losgelöst vom Geschehen im Weltall, und versuchen dort die Vorgänge der Atome ungestört zu beobachten. Beide Fraktionen der Analytiker unserer physikalischen Welt haben inzwischen aber verstanden, dass sie der Erklärung der Welt nur dann näherkommen können, wenn sich beide Sichtweisen der Physik zu einem neuen, zu einem gemeinsamen Modell der physikalischen Welt vereinen und sie dafür auch gemeinsam experimentieren. Die Fachwelt spricht vom „Multi Messenger Approach“ für den Teilchennachweis.

Einer, der sehr früh erkannt hat, dass beide Bereiche der Physik zusammenwachsen müssen, war der Nobelpreisträger Prof. Dr. Samuel Ting. Schon Anfang der neunziger Jahre startete er eine Initiative, die viele Teilchenphysiker damals als aberwitzig betrachteten und die die Astrophysiker weitgehend ignorierten. Trotz aller Widerstände der Wissenschaftswelt setzte der Visionär das Alpha-Magnetische Spektrometer AMS auf der Internationalen Raumstation durch. Im Mai 2011 hat es seine Arbeit aufgenommen, zwei Jahre später wurden nun die ersten, theoretisch noch nicht interpretierten Messergebnisse präsentiert. Niemals zuvor waren Positronen im Weltraum so präzise untersucht worden. Die Messungen geben erste Indizien darauf, dass es zwischen Dunkler Materie und Antimaterie im Weltraum eine direkte Wechselwirkung geben könnte. Unsere Studiosendung präsentiert die ersten spektakulären Erkenntnisse auf dem Weg zu einer neuen Physik, auf deren Bestätigung wir allerdings noch einige Jahre werden warten müssen.

© mce mediacomeurope GmbH 2013

Supersymmetrie im Universum

Physiker erweitern das Standardmodell der Teilchenphysik


Das sogenannte Standardmodell versucht, die Quantenphysik und die Einsteinsche Relativitätstheorie in Einklang zu bringen. Über das heutige Standardmodell hinaus gehen Überlegungen von Wissenschaftlern des Sonderforschungsbereichs Computergestützte Theoretische Teilchenphysik am Karlsruher Institut für Technologie.

Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:

- Homepage des Instituts (engl.) – Link
- Webseite von InsideScience – Link

Das Standardmodell baut auf einer Art Periodensystem der kleinsten Bausteine des Universums auf. Mit ihm lassen sich alle bekannten Eigenschaften der Materie beschreiben. Ihm zufolge besteht Materie einerseits aus Teilchen, die den Kern der Atome bilden: den Fermionen aus Quarks und Leptonen. Dem gegenüber stehen die Wechselwirkungsteilchen oder Bosonen: das Photon, das Gluon, das Z- und das W-Boson sowie das jetzt wahrscheinlich erstmals nachgewiesene Higgs-Boson. Aufgabe dieser Bosonen ist es, die Materieteilchen zusammenzuhalten. Sie erst ermöglichen damit feste Strukturen wie Atome und Moleküle.

Prof. Dr. Margarete Mühlleitner erklärt in diesem Video der Serie ScienceInside, warum Physiker mit dem Modell der Supersymmetrie nach bisher offenen Erklärungen jenseits des Standardmodells suchen. Warum beispielsweise ist ein Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum zu beobachten? Wie kommt es zu Dunkler Materie und wie lässt sich Schwerkraft in das Modell einbinden? Fragen, die das Standardmodell heute nicht erklären kann.

Die Supersymmetrie von Teilchen erhöht die Anzahl der die Welt beschreibenden kleinsten Bausteine, da sie bisher noch nicht beobachtete neue Teilchen einführt. Damit ist es Theoretikern jedoch möglich, Materieteilchen und Wechselwirkungsteilchen über die Supersymmetrie eng miteinander zu verknüpfen. Nachgewiesen wurden diese neuen Teilchen der Supersymmetrie allerdings bisher nicht. Die Physikerin Eva Popenda erklärt, warum es so schwer ist, die supersymmetrischen Teilchen im Experiment nachzuweisen.

© Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2012

Die Suche nach dem Higgs-Feld

Das Standardmodell erfordert die Existenz eines „Gottesteilchens“


Das CERN hat vor einigen Wochen den ersten experimentellen Nachweis des Higgs-Teilchens veröffentlicht. Wer genauer hinschaut, der stellt fest, dass noch einige Fragen offen sind, denn das jüngst im Detektor durch seine Zerfallsprodukte nachgewiesene Teilchen zeigt zwar einige Eigenschaften des Higgs-Bosons, doch entspricht es nicht genau dem theoretischen Postulat. Auf jeden Fall nähern wir uns der Lösung eines der großen Rätsel der Physik.

Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:

- Presseinformation des CERN über die Entdeckung des Higgs-Teilchens – Link
- unser Bericht über Forschungen zur dunklen Materie – Link
- Webseite von InsideScience – Link

Das Standardmodell der Physik gilt als hervorragende Beschreibung der physikalischen Welt, wie wir sie kennen. Mit ihm können wir die Vorgänge in der atomaren und subatomaren Welt nicht nur beschreiben, sondern auch vorhersagen. Dennoch fehlt für den letzten Beweis des theoretischen Modells ein winziges Element – ein Teilchen, dessen Existenz wir bisher noch nicht nachweisen konnten. Das nach seinem Entdecker Peter Higgs benannte Higgs-Boson ist ein Teilchen mit Masse, welches der direkt beobachtbare Teil des Higgsfeldes ist. Dieses Feld erfüllt das Vakuum, das in dieser Hinsicht also nicht mehr als „leer“ zu bezeichnen ist. Es wird im theoretischen Modell selbst zu einem Medium. Teilchen, und zwar jene, die Masse haben, interagieren mit dem Higgs-Feld, andere, masselose Teilchen dagegen nicht. Bisher wurde all das jedoch nur theoretisch berechnet, der experimentelle Nachweis fehlte bisher noch. Vor kurzem haben Teilchenphysiker im CERN das lang ersehnte Teilchen gefunden, das Eigenschaften des postulierten Higgs-Bosons trägt. Für den letzten Beweis sind allerdings noch weitere Experimente erforderlich.

In diesem Video des Projekts „InsideScience“ erklären theoretische Physiker aus dem DFG-Sonderforschungsbereich „Computergestützte Theoretische Teilchenphysik“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Wirkungsmechanismen des sogenannten „Gottesteilchens“ und zeigen, wie Masse, Energie und Vakuum im Universum zusammenwirken. Zudem geben sie interessante Einblicke über die Forschungsarbeit am Teilchendetektor des CERN.

© Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2012

Peter Higgs und die Materie im Vakuum

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.

© mce mediacomeurope GmbH 2010

CERN – Elementarteilchen auf Kollisionskurs


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