Artikel zu "ASTRO-Teilchenphysik" | |
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ASTRO-Teilchenphysik
K1 
Was geschah beim Urknall?
Kosmologie:
Im Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik in Genf läuft die
Massenfabrikation von Antimaterie an. Eine der wichtigsten Fragen der Urknall-Theorie soll beantwortet werden.
CERN
Antiproton Decelerator (AD): Antiwasserstoff wird hier auf ein Zehntel der
Lichtgeschwindigkeit gebremst.
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Als die Teilchenphysiker des Cern mit dem Antiprotonen-Ring "Lear" vor fünf Jahren zum ersten Mal Antiwasserstoffatome herstellten, war die Begeisterung groß. Doch auf die erste Euphorie folgte schnell Ernüchterung: Die Ausbeute war mit neun Antiwasserstoffatomen äußerst mager. Außerdem bewegte sich die Antimaterie annähernd mit Lichtgeschwindigkeit - und zerfiel so schnell, dass keine Zeit blieb, sie zu untersuchen.
Im Juli hat das Cern einen neuen Antiprotonen-Verzögerer (AD) in Betrieb genommen. Damit ließen sich die Teilchen in großer Menge herstellen und auf ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit verlangsamen. "Der AD liefert uns derzeit 10.000 Antiprotonen pro Schuss", erklärt Landua, zufrieden mit dem Ergebnis. "Später sollen es gar 100.000 Stück pro Minute sein."
In mehreren Schritten bremsen die Forscher die Antiprotonen auf eine Geschwindigkeit von 300 Meter pro Sekunde herunter. Damit sie zu vollständigen Antiatomen werden, fehlen den Teilchen dann nur noch Positronen - die Antiteilchen zu den Elektronen. Positronen sind zwar wesentlich leichter herzustellen als Antiprotonen, sie verschmelzen aber nur mittels eines sehr komplizierten Verfahrens mit ihnen.
Spätestens im November soll dieser heikle Teil des Experiments beginnen: Die Antiprotonen werden dabei in die Positronen-Wolke hineingeschossen. "Das ist wie bei einem Cocktail, den man umrührt, aber nicht schüttelt", erklärt Landua. Wenn alles gut geht, entsteht dabei eine große Zahl von "kalten" Antiwasserstoffatomen, die immerhin eine Sekunde lang existieren sollen. "Eine Untersuchungszeit von einer Sekunde wäre sehr gut", meint der Leiter des Experiments.
In dieser Sekunde werden von zwei Seiten Laserstrahlen auf die Antiatome gerichtet, um sie in einen angeregten Zustand zu bringen. Der Erfolg lässt sich daran erkennen, dass die einzelnen Antiatome beim Rückfall in den Grundzustand winzige Lichtteilchen aussenden.
Das gleiche Verfahren wollen die Cern-Physiker auch auf normale
Wasserstoffatome anwenden. Sollten Materie und Antimaterie nicht auf die gleiche
Laserfrequenz reagieren, wäre dies der langersehnte Beweis dafür, dass sie eben
nicht völlig symmetrisch sind: Eine Erklärung dafür, warum unser Universum beim Urknall entstehen konnte.
K2 Wimps: Die Kraft der Schwächlinge
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Dominik Elsässer and Karl Mannheim |
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Phys. Rev. Lett. 94, 171302 (2005) [astro-ph/0405235] |
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Supersymmetric Dark Matter and the Extragalactic Gamma Ray Background
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[06. Juni 2005] Kosmologie:
Seit langem suchen Astrophysiker nach der Dunklen Materie.
Die unsichtbare Rätselsubstanz hält das Weltall im Innersten zusammen.
Jetzt haben Würzburger Forscher eine neue Spur gefunden.
Ob sie recht behalten, könnte sich schon bald bei Experimenten tief unter der Erde erweisen.
NGC
Spiralgalaxie: Kosmischer Kitt bändigt die
Fliehkräfte in den rasend schnell rotierenden Sterneninseln
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Und doch hatten alle vor ihm etwas übersehen.
In einer der Messkurven verbarg sich eine seltsame Beule, die mit den astrophysikalischen Modellen nur schwer erklärt werden konnte. Elsässer war elektrisiert. Immer wieder beriet er sich mit seinem Professor Karl Mannheim, der ihn auf diese Fährte gesetzt hatte.
Nach monatelangen Berechnungen sind sich die Himmelskundler von der Uni Würzburg jetzt sicher, auf eine Sensation gestoßen zu sein: auf eine Spur der Dunklen Materie - jener sagenhaften Schattensubstanz, die vermutlich das Rückgrat des ganzen Universums bildet.
Das renommierte Fachblatt "Physical Review Letters" hat die Arbeit von Elsässer und Mannheim soeben veröffentlicht. Bei den Kollegen sorgt der Artikel für Aufsehen. "Wir haben möglicherweise ins Schwarze getroffen und herausgefunden, was sich hinter der Dunklen Materie verbirgt", sagt Mannheim.
Wenn sich das bewahrheitet, haben die beiden Forscher eines der größten Mysterien der Kosmologie entschleiert. Schon seit vielen Jahren wird nach der unsichtbaren Rätselsubstanz gefahndet. Obwohl niemand sie bislang zu Gesicht bekommen hat, zweifelt kaum noch ein Himmelskundler daran, dass gewaltige Mengen davon zwischen den Sternen herumwabern.
Das wichtigste Indiz: Es gibt stabile Galaxien. Die Anziehungskraft der sichtbaren Materie allein wäre viel zu schwach, um die rasend schnell rotierenden Sterneninseln beisammenzuhalten. Folglich muss eine Art kosmischer Kitt die Fliehkräfte bändigen und dafür sorgen, dass etwa die rund 400 Milliarden Sonnen unserer heimatlichen Milchstraße nicht wie die Scheiben eines Diskuswerfers in alle Richtungen davonrasen.
Aufgrund neuerer Beobachtungsdaten sind die Kosmologen inzwischen davon überzeugt, dass über 80 Prozent der Materie im All aus dem mysteriösen Dunkelstoff besteht. Alle sichtbaren Sonnen, Gaswolken, Planeten und Kometen bilden nach dieser Vorstellung nur Schaumkronen auf den unsichtbaren Materiewogen des Kosmos.
Schon von Anfang an spielte die Dunkle Materie eine tragende Rolle auf der Himmelsbühne: Erst sie schuf überhaupt die Voraussetzung dafür, dass vor Jahrmilliarden Gaswolken zu Sternen und Galaxien verklumpen konnten - dazu fehlte der normalen Materie die nötige Anziehungskraft. "Ohne die Dunkle Materie", sagt Mannheim, "säßen wir heute nicht hier."
In den ersten 400.000 Jahren nach dem Urknall war das rasch expandierende Universum von extrem heißer Strahlung erfüllt. In einer solchen Welt hätte sich die normale Materie allein nie ausreichend verklumpen können, weil jede Zusammenballung sofort wieder glattgebügelt worden wäre. Neben der gewöhnlichen Materie, so folgern die Himmelsforscher, muss direkt nach dem Urknall also noch eine andere, extrem schwere Form entstanden sein, die den nur schwachen Trend zur Verklumpung kraftvoll verstärkte - eben die Dunkle Materie. ASTROPHYSIK: KÜNSTLICHES UNIVERSUM
Aus der "Millennium-Simulation" des Virgo-Projektes am Max-Planck-Institut in Garching bei München (Volker Springel):
Zoom ins künstliche Universum -
Blick aus großer Distanz in eine Zeit Milliarden Jahre vor der unseren ...
movie:
Vgl. die Simulation des Instituts für Theoretische Physik der Universität Zürich (Ben Moore)
Der Entstehung des Universums auf der Spur
Wie entscheidend diese verborgenen Schwerkraftzentren
waren, zeigt eine Untersuchung, die vorige Woche im Magazin "Nature"
veröffentlicht wurde. Am Computer simulierte Volker Springel vom Garchinger
Max-Planck-Institut für Astrophysik, wie sich im frühen Universum erste
Strukturen bildeten. Unter dem Einfluss der Dunklen Materie, so sein Befund,
verschmolzen kleinere Gas- und Staubwolken zu größeren Gebilden, die schließlich erste Protogalaxien formten.
Doch was genau verbirgt sich dahinter? Viele Kandidaten sind in den vergangenen Jahren ausgeschieden. Als Favorit galten lange nichtleuchtende, aber große Himmelskörper, sogenannte Machos. Gemeint sind damit vor allem Schwarze Löcher, gewaltige Sternenschlucker, die bereits kurz nach dem Urknall entstanden sein müssten. Einige Forscher spekulierten, dass sie massenhaft durch die Milchstraße vagabundieren.
Aber es sind wohl weit weniger als gedacht. In einer Rasterfahndung untersuchten Astronomen das Licht weit entfernter Sterne. Sie hofften, Machos würden zuhauf als unsichtbare Stolpersteine im Weg liegen und das Sternenlicht verzerren. Das Ergebnis war enttäuschend: Nur wenige der schwarzen Riesen wurden auf diese Weise gefunden. Das reicht nicht, um zur fehlenden Masse im Universum nennenswert beizutragen.
Inzwischen gehen die meisten Forscher davon aus, dass die Dunkle Materie vor allem aus noch unentdeckten Elementarteilchen besteht: Nicht Riesen, sondern Zwerge halten offenbar das Weltall im Innersten zusammen.
"Irgendein Witzbold von der University of Chicago hat sie Wimps getauft, also zu Deutsch
Schwächlinge, weil sie nach der Theorie so gut wie nie mit normaler Materie
reagieren", erzählt Mannheim. "Nun zeigt sich: Die Schwächlinge sind viel stärker als die Machos."
Solange sie nicht zweifelsfrei nachgewiesen
worden sind, bleiben die Wimps indes hypothetische Teilchen. Nach der
Standardtheorie der Teilchenphysiker werden ihnen allerlei wundersame
Eigenschaften zugeschrieben. Demnach sind die ominösen Wimps extrem schwer und
träge - und lassen sich dennoch so gut wie nie einfangen. Ungehindert
durchstreifen sie in Myriadenschwärmen das Weltall.
Und sie haben noch
eine Eigenschaft, die sie von gewöhnlicher Materie unterscheidet: Wimps senden
von sich aus niemals Strahlung aus und erscheinen deshalb vollkommen unsichtbar
- und dennoch glauben die Würzburger Forscher, dass es ihnen gelungen sei, den
geisterhaften Partikeln ihre Tarnkappe wegzuziehen.
Ausgangspunkt waren die Daten des "Compton Gamma Ray Observatory". Im Jahre 1991 hatte die Nasa den
Satelliten mit dem sperrigen Namen in eine Umlaufbahn geschossen. Außerhalb der
schützenden Erdatmosphäre konnte das Weltraumobservatorium jahrelang den Himmel
nach ultraharter Gammastrahlung absuchen, die permanent aus den Tiefen des Alls gegen die Lufthülle prasselt.
Eine derart energiereiche Strahlung wird
etwa bei der Zündung von Atombomben freigesetzt. Und auch das kosmische
Dauerfeuer kündet von bombastischen Vorgängen. So vermochten Forscher viele der
Lichtblitze auf explodierende Sonnen zurückzuführen, auf Sternenkadaver oder
auch auf Schwarze Löcher, die beim Verschlingen von Planeten und Gasmassen
mächtige Strahlungsrülpser aussenden.
Übrig blieb in den Satellitendaten
jedoch eine aus allen Richtungen kommende, gleichmäßige Hintergrundstrahlung,
die sich keinen bestimmten Himmelsobjekten zuordnen ließ. Den meisten
Astrophysikern bereitet dies nur wenig Kopfzerbrechen. Das Gammarauschen stamme
eben von so weit entfernten Sternen und Galaxien, so die Annahme, dass sich der
Ursprung der Strahlungsquellen nicht mehr lokalisieren lasse. Doch Elsässer und
Mannheim haben vorgerechnet, dass diese
Deutung nicht sehr plausibel ist
- und präsentieren eine viel schlüssigere Erklärung für das Rauschen. Genau die
beobachtete Art von Gammastrahlung, so zeigt ihre Analyse, wird bei der -
äußerst seltenen - Vernichtung von Wimps freigesetzt.
"Alles passt wunderbar zusammen", sagt Elsässer. "Erstaunlich, dass nicht schon jemand anders
darauf gekommen ist; aber auch Wissenschaftler sehen manchmal den Wald vor
lauter Bäumen nicht."
An sich sind Wimps unsterblich, sie existieren bereits seit der Geburt des Universums.
Gefährlich wird es für ein Wimp nur dann, wenn es mit einem Artgenossen
zusammenstößt; bei einem solchen Billard im Mikrokosmos kann es passieren, dass
sich die beiden Partikel gegenseitig zerstören. Durch den dabei abgestrahlten
Lichtblitz werden die dunklen Materieteilchen - wenn auch indirekt - plötzlich doch sichtbar.
Aus den Daten des Nasa-Satelliten konnten die Würzburger
Forscher sogar ableiten, dass die Wimps noch schwerer sind als von den meisten
Theoretikern geschätzt. Jedes einzelne Phantomteilchen wiegt demnach doppelt so
viel wie ein ganzes Goldatom - weit mehr als jedes andere bisher bekannte Elementarteilchen.
Das Universum ist voll von Wimps. Jeder Mensch wird in
jeder Sekunde von 22 Millionen der ultraschweren Partikel durchquert.
Ungehindert passieren sie sogar Berge und ganze Planeten. Elsässer: "Wir sind
einem Dauerfeuer ausgesetzt - und merken nichts davon."
Was Laien wie
Hexerei anmutet, ist für Physiker ein normaler Vorgang. Nur scheinbar bestehen
Menschen, Tische oder Hochhäuser aus kompakter Materie. In Wahrheit enthalten
auch feste Gegenstände vor allem eines: leeren Raum. Wenn man sich einen
Atomkern auf die Ausmaße einer Erbse vergrößert vorstellt, kreisen die
Elektronen in hundert Meter Entfernung herum - und dazwischen ist nichts.
Selbst in einer Betonmauer wäre demnach genügend Platz, um
einfach hindurchzuschlüpfen. Warum können Menschen trotzdem nicht durch Wände
gehen? Verhindert wird das nicht durch die massereichen Atomkerne, sondern durch
die ultraleichten Elektronen. Weil diese negativ geladen sind, stoßen sich Atome gegenseitig ab.
Wimps hingegen haben keine Ladung, nur Masse - nichts hält sie auf.
Genauer gesagt: fast nichts. Durch den äußerst
unwahrscheinlichen Zusammenstoß mit einem anderen Wimp lässt sich ein solches
Geisterteilchen stoppen. Im Prinzip können die unsichtbaren Partikel aber auch
dann aus ihrer Bahn geworfen werden, wenn sie mit voller Wucht gegen normale
Atomkerne prallen. Nur passiert das extrem selten.
Um ein solches
Rumpel-Ereignis zu beobachten, haben Forschergruppen überall auf der Welt
hochsensible Detektoren aufgebaut. Trotz jahrelanger Fahndung ist ihnen bis
heute noch nicht ein einziges Wimp ins Netz gegangen.
Vorzugsweise ermitteln die Teilchendetektive im Untergrund, denn dort sausen nicht so viele
störende andere Partikel herum. Astrophysiker der TU München beispielsweise haben sich mit ihrer Spürmaschine
"Cresst II" in einer Höhle unter dem italienischen Gran-Sasso-Gebirgsmassiv verschanzt.
Cresst
Messgerät im Gran-Sasso-Labor im gleichnamigen italienischen Gebirgsmassiv
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"Unser größtes Problem sind die Verunreinigungen", erläutert der Astrophysiker Wolfgang Rau. "Überall um uns herum sind geringste Mengen radioaktiver Substanzen, deren Strahlung in dem Kristall ebenfalls eine Reaktion auslösen kann."
Die Münchner Wimp-Jäger liefern sich ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit einem französischen und einem amerikanischen Team. Jede der drei Gruppen hat gute Chancen zu klären, ob es die Schattenteilchen tatsächlich gibt - und ob sie auch genau so beschaffen sind, wie es die Würzburger Astrophysiker meinen.
Unlängst mussten die Deutschen im Wettlauf einen Rückschlag hinnehmen. Bei einem anderen Experiment in dem Höhlenkomplex lief eine organische Flüssigkeit aus, sickerte ins Grundwasser und vergiftete angeblich in einem Gebirgsbach einen Fisch. Daraufhin musste das Abwassersystem zusätzlich abgedichtet werden. Und derzeit laufen gerade Umbauarbeiten, um die Messgenauigkeit von "Cresst II" noch weiter zu steigern. Spätestens im Herbst soll die Jagdsaison wieder beginnen.
"Wir werden alles versuchen, um die Dunkle Materie endlich einzufangen", kündigt Wimp-Fahnder Rau an. "Und es müsste schon mit dem Teufel zugehen, wenn uns das nicht auch sehr bald gelingt."
K3 A Unified, Merger-Driven Model for the Origin
K4
Sind Protonen- und Elektronenmasse variabel?
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Naturkonstanten
[21. April 2006] Das Verhältnis von Protonen- zu Elektronenmasse gilt bislang als konstant. Niederländische
Physiker wollen jetzt Hinweise dafür gefunden haben, dass sich der Quotient in den vergangenen zwölf Milliarden
Jahren minimal verringert hat. Eine plausible Erklärung dafür haben sie nicht.
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CERN
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Die Physiker glauben nun, dass sich der Massequotient dieser fundamentalen Atombausteine im Lauf der Entwicklung des Universums verändert hat. Die Ergebnisse ihrer Labormessungen verglichen die Forscher mit Werten von zwölf Milliarden Lichtjahren entfernen Galaxien.
Da das Licht von dort zwölf Milliarden Jahre bis zur Erde unterwegs war, spiegeln diese Messwerte das Massenverhältnis in der Frühzeit des Universums wider. Demnach hat sich das Verhältnis seither um 0,002 Prozent verändert - der Quotient müsste sich verkleinert haben. Dieses Resultat sei allerdings nur zu 99,7 Prozent sicher und damit noch kein Beweis, betonen die Physiker im Fachblatt "Physical Review Letters".
Ein Wasserstoffmolekül besteht aus einem Proton und einem Elektron. Wird es mit Licht bestrahlt, hängt die absorbierte Wellenlänge vom Massenverhältnis der beiden Elementarteilchen ab. Diesen Zusammenhang machte sich das Team von Ubachs für seine Messungen zu Nutze.
Ursache bislang unklar
Im Labor beleuchteten sie Wasserstoffmoleküle mit ultraviolettem Laserlicht und bestimmten aus der absorbierten Frequenz das gesuchte Massenverhältnis. Der Vergleichswert stammte aus zwölf Milliarden Lichtjahren entfernten Wasserstoffwolken, die von Neutronensternen beleuchtet werden. Bei der Untersuchung entdeckten die Forscher die Veränderung um 0,002 Prozent. Dass sich die Frequenz von Licht auf derart langen Strecken verändert, wurde bei der Messung berücksichtigt.
Mit den Ergebnissen ist eine weitere physikalische Konstante in den Verdacht geraten, doch nicht absolut konstant zu sein. In der Vergangenheit wurden bereits andere Konstanten verdächtigt, sich während der Zeit zu verändern. Schon 1937 vermutete der Physiker Paul Dirac, dass die Stärke der Gravitation nicht konstant ist. Gleiches gilt für die Feinstrukturkonstante.
Was eine solche Veränderung des Massenverhältnisses verursachen könnte, wissen die Physiker noch nicht. Dass die Protonen Masse verlieren, ist aber sehr unwahrscheinlich, erklärt Ubachs. Einige Theorien besagen, dass zusätzliche Dimensionen die Masse der Teilchen beeinflussen. Auch eine sich verlangsamende Lichtgeschwindigkeit könnte die Veränderung erklären.
"Wir wissen noch nicht, wie man das erklären könnte", sagte der Australier John Webb dem Online-Newsdienstder Zeitschrift "Nature". Der Physiker von der University of New South Wales in Sydney hat selbst Veränderungen bei der Feinstrukturkonstante und am Masseverhältnis Proton zu Elektron untersucht. Zweifel an den Messungen der niederländischen Forscher hat Webb keine: "Die haben das besser gearbeitet als alle anderen zuvor".
Eine Rettung für die Massenkonstante hält Ubachs nach wie vor für möglich: "Vielleicht hat sich der Quotient ja nur in der Frühzeit unseres Universums geändert".
| Literatur zu "" | |||
| D. Elsässer, K. Mannheim | 2005 | PRL 94, 171302 |
"Supersymmetric Dark Matter and the Extragalactic Gamma Ray Background "
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| Hopkins, Ph. et al. | 2006 | ApJS 163, 1 |
"A Unified, Merger-Driven Model for the Origin of Starbursts, Quasars..."
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 | H. Heintzmann | ( Eintrag vom 10.9.2007) |
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