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Geister-Teilchen gegen Atomwaffen

Neutrinos sorgten bisher als exotische Elementarteilchen vor allem für Aufregung unter theoretischen Physikern. In Zukunft könnten sie zur Überwachung von Atommächten dienen.

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Der Neutrino-Sommer 2018: Ergebnisse, Anomalien und neue Physik

“Unter allen bekannten Elementarteilchen ist das Neutrino mit Sicherheit das exotischte: Obwohl in jeder Sekunde 60 Milliarden Neutrinos durch jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche – und jedes menschlichen oder sonstigen Körpers – strömen, durchdringen sie uns, … Weiterlesen (Mehr in: BrainLogs)

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Meilenstein in der Physik: Forscher beobachten erstmals Zerfall von Higgs-Teilchen

Das Higgs-Boson verleiht anderen Elementarteilchen ihre Masse. Aber was entsteht, wenn das Teilchen selbst zerfällt? Forscher haben das nun erstmals beobachtet. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Meilenstein in der Physik: Forscher beobachten erstmals Zerfall von Higgs-Teilchen in Bottom-Quarks

Das Higgs-Boson verleiht anderen Elementarteilchen ihre Masse. Aber was entsteht, wenn das Teilchen selbst zerfällt? Forscher haben dabei nun erstmals zwei Bottom-Quarks beobachtet. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Elementarteilchen: Astrophysikerteam meldet ersten Fund kosmischer Neutrino-Quelle

Fast so gut wie Gravitationswellen: 100 Jahre suchte man den Ursprung kosmischer Strahlung. Nun schlug ein Detektor an. Das könnte einen neuen Blick ins All ermöglichen. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Vermessung von Neutrinos: Geisterteilchen-Waage nimmt Betrieb auf

Neutrinos sind die leichtesten Elementarteilchen im Universum. Wie wenig sie wiegen, wollen Forscher nun herausfinden. Dafür nutzen sie eine riesige Versuchsanlage in Süddeutschland. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Schnelle Neutronen, thermische Neutronen

In der Dezember-Ausgabe des „Spektrum der Wissenschaft“-Magazins findet sich ein interessanter Artikel von Manfred Popp mit der Titel „Hitlers Atombombe – Störfall der Wissenschaftsgeschichte“. Susanne Päch berichtet nebenan ausführlich über die Spurensuche zur Atombombe, die es nie gab. Mir ist bei der Lektüre ein Aspekt aufgefallen, der gut zu einem Thema passt, das ich seit der Frage „Wie schnell ist langsam?“ immer wieder aufgegriffen habe: Die Geschwindigkeit von Atomen und Elementarteilchen und ihre Auswirkung.

Wesentliche Unterschiede zwischen einem Atomreaktor der ersten Generation und einer Atombombe (Uranbombe) sind die Geschwindigkeit der Neutronen und der Wirkungsquerschnitt der Spaltreaktionen.

Wirkungsquerschnitt

Was Geschwindigkeit ist wissen Sie, der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Teilchen- oder Kern-Reaktion abläuft. Fliegt ein Teilchen durch eine Ansammlung möglicher Reaktionspartner, so hängt die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Reaktion eintritt, von der Dichte der Ansammlung und von dem Weg des Teilchens ab.

Beide Faktoren sind positiv: Je höher die Dichte von Reaktionspartnern, desto höher die Reaktions-Wahrscheinlichkeit. Je weiter das Teilchen durch die Wolke fliegt, desto sicherer ist eine Reaktion.

Nun ist die Einheit für eine Teilchendichte Teilchen pro Kubikzentimeter. Die Einheit für den zurückgelegten Weg ist Zentimeter. Wenn wir eine Konstante brauchen, die mit Teilchendichte und Wegstrecke multipliziert eine Wahrscheinlichkeit ergibt, dann muss diese Konstante die Einheit Quadratzentimeter haben. Quadratzentimeter bezeichnen einen Querschnitt, den Wirkungsquerschnitt. Wirkungsquerschnitt mal Teilchendichte integriert über die Wegstrecke ergibt eine einheitenlose Größe, die Reaktions-Wahrscheinlichkeit.

Reaktions-Wahrscheinlichkeiten sind Geschwindigkeitsabhängig. Ich hatte das für Fusionsreaktionen einmal herausgesucht. Bei konventionellen Atomreaktoren und Atombomben1 haben wir es mit Spaltreaktionen zu tun, die durch den Einfang von Neutronen ausgelöst werden.

Thermische Atomspaltung

Nun ist dieser Neutroneneinfang um so effektiver, je langsamer die Neutronen sind. Der Wirkungsquerschnitt langsamer Neutronen für diesen Vorgang ist größer. Um einen Reaktor effektiv zu betreiben, lohnt es sich also, die schnellen Neutronen, die bei jeder Kernspaltung auftreten, abzubremsen. Ein Atomreaktor besteht aus den Uranhaltigen Brennstäben und aus einem Moderator, der den Neutronen die Energie nimmt, sie auf seine Temperatur abkühlt und sie somit langsam macht. Die Abgebremsten Neutronen können dann wieder in die Brennstäbe eindringen und dort einen neuen Spaltprozess auslösen.

Wenn die Reaktions-Wahrscheinlichkeit jedes Neutrons gerade so groß ist, dass jede Atomspaltung im Schnitt eine weitere auslöst, ist der Reaktor kritisch.2 Die Reaktion erhält sich selbst. Zieht jede Spaltung mehr als eine nach, ist der Reaktor überkritisch. Er brennt zunehmend heftiger und heizt sich auf. Schlimmsten Falls bis zur Explosion.

Manfred Popp stellt nun klar, dass sich mit diem Konzept, thermische Neutronen zur Kettenreaktion zu verwenden, keine brauchbare Bombe bauen lässt. Und zwar, weil thermische Neutronen nicht viel schneller sind als die Atome in einem lauwarmen Gas. Sobald das Spaltmaterial warm wird und sich ausdehnt, läuft es den thermischen Neutronen davon. Die Reaktion kommt zum Erliegen.

Schnelle Atomspaltung

Unter schnellen Reaktoren habe ich mir früher immer welche vorgestellt, bei dem die Reaktion besonders schnell geht. Das Gegenteil ist der Fall. Bei schnellen Reaktoren sind die Neutronen schnell, damit ist ihre Reaktionsfreudigkeit deutlich gedämpft. Sie reagieren eher langsam. Die Neutronen selbst sind aber so schnell, dass sie die einsetzende Explosion einholen können. Nur so kann eine Atombombe effektiv funktionieren.

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Elementarteilchen: Es hätte so schön sein können

Ausgeträumt: Physiker haben doch kein neues Elementarteilchen gefunden. Nun durchlaufen sie die klassischen Phasen der Trauer. Denn die 750-GeV-Diphoton-Resonanz ist tot. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Astronomie: Weltall expandiert schneller als erwartet

Eine Messung bringt Astrophysiker in Erklärungsnöte: Unser Universum wächst rasanter als bislang bekannt. Ursache könnte auch ein bislang unbekanntes Elementarteilchen sein. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Nobelpreis für Jäger der Geister-Teilchen

Der Nobelpreis für Physik 2015 geht an den Japaner Takaaki Kajita und den Kanadier Arthur B. McDonald für den experimentellen Nachweis von so genannten Neutrino-Oszillationen. Mit diesem Beweis der Umwandlung von Neutrinos gilt es auch als gesichert, dass diese Elementarteilchen eine von Null verschiedene Masse haben.

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Pentaquark: Wie CERN Entdeckungen macht

Am größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist wieder etwas interessantes Entdeckt worden. Das Pentaquark, ein Zustand aus vier Quarks und einem Antiquark. Nach solchen Zuständen suchen die Teilchenphysiker schon lange, ich habe dazu 2011 gebloggt. Damals war die Datenlage aber zu mager um von einer Entdeckung zu sprechen. Nun berichtet des Experiment LHCb von der eindeutigen Entdeckung eines Pentaquarks und ich kann endlich meine Homepage um weitere Quarkteilchen erweitern.

LHCb ist eines der vier Experimente am LHC und darauf spezialisiert, den Zerfall von Teilchen zu untersuchen, die ein Bottom-Quark (B-Quark) enthalten. Eines dieser Teilchen ist das Λb (Lambda-b-Teilchen). Es ist dem Neutron, das sich in jedem Atomkern befindet, sehr ähnlich. Das Neutron ist aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks aufgebaut und zerfällt im Schnitt nach einer Viertel Stunde durch Beta-Zerfall.1 Das Lambda-b enthält ebenfalls ein Up-Quark und ein Down-Quark, aber das zweite Down-Quark ist durch ein Bottom-Quark ersetzt. Das Bottom-Quark ist dem Down-Quark ähnlich, aber es ist sehr viel schwerer und hat mehr Zerfallsmöglichkeiten. Dadurch ist auch das Lambda-b-Teilchen fast sechs mal so schwer wie das Neutron und kann in viele verschiedene Teilchen zerfallen.

Die Physikerinnen und Physiker fanden aber neben dieser breiten Massen-Verteilung noch eine scharfe Linie bei einer Energie von 4450 Megaelektronenvolt. Das ist eine Resonanz, ein extrem kurzlebiges Teilchen. Es muss einen Vorgang gegeben haben, bei dem zunächst das Kaon abgespalten wurde und für kurze Zeit ein Teilchen existierte, das dann in Proton und J/ψ-Meson zerfallen ist (links im Bild).

Der Pentaquark-Zustand hat nur sehr kurz existiert und wird PC genannt. Das Plus bedeutet, dass es sich um ein einfach positiv geladenes Teilchen handelt.

Auf der Quark-Ebene passiert hier immer dasselbe: Die schwache Kernkraft, symbolisiert durch die Wellenlinie und das W-Boson, wandet das Bottom-Quark in ein leichteres Charm-Quark um. Dabei erzeugt sie ein einfach negativ geladenes Quark-Antiquark-Paar bestehend aus einem Strange- und einem Anticharm-Quark. Das negative W-Boson, das hier in Aktion tritt, kann nur solche Quark-Antiquark-Paare erzeugen, die auch negativ geladen sind.

Erst was dann passiert ist in den beiden Prozessen unterschiedlich. Im konventionellen Zerfall (Bild a) finden sich das Charm und das Anticharm-Quark zum J/ψ-Meson zusammen und die anderen Quarks bilden das Lambda-Teilchen. Dieses zerfällt erst später unter Bildung eines Up-Antiup-Quark-Paares zu einem Proton und einem Kaon. Solche neutralen Quark-Antiquark-Paare können einfach so entstehen, wenn die Energie dazu vorhanden ist.

Im zweiten Fall (b) geschieht diese Paarbildung sofort und das Kaon wird gleich abgespalten. Zurück bleibt für kurze Zeit der Pentaquark-Zustand aus zwei Up-Quarks, einem Down-Quark und einem Charm-Antischarm-Paar. Dieses Pentaquark ist gerade lang genug stabil um für eine scharfe Energie dieses Fünf-Quark-Paketes zu sorgen. Es zerfällt ohne neubildung von Quarks in Proton und J/ψ-Meson.

Beide Prozesse (a) und (b) führen letztlich zu denselben Endzuständen, können aber in der energetischen Analyse des Vorgangs voneinander unterschieden werden. Wichtig sind solche Prozesse, weil sie schwache Kernkraft und die starkte Kernkraft enthalten. Die schwache Kernkraft ist als einzige der Grundkräfte nicht symmetrisch gegen Spiegel- und Ladungssymmetrie. Diese sogenannte cp-Asymmetrie wird schwerpunktmäßig am LHCb untersucht und könnte dafür verantwortlich sein, dass es unsere Welt aus Materie und wenig Antimaterie gibt. Die starke Kernkraft ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich. Die Vermessung von Pentaquark-Zuständen kann helfen die Modelle zu verbessern, mit denen Stabilität und Lebensdauer von Elementarteilchen und Atomkernen berechnet werden können.

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empirische WIMPs und rationale SUSY-Teilchen

In einem alten Artikel von 2014 habe ich über die Suche nach Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) geschrieben. Solche nur über die Schwache Kernkraft wechselwirkenden Teilchen sind ein wichtiger Kandidat für die gesuchte dunkle Materie. Andererseits könnte es sich bei diesen Teilchen um supersymmetrische (SUSY) Teilchen handeln. Ein Anlass, einmal über verschiedene Motivationen für Grundlagenforschung nachzudenken.

Ob ein Experiment wie der Teilchenbeschleuniger CERN oder das unterirdische Labor SNOWLAB nach WIMPs oder SUSY-Teilchen suchen, ist in erster Linie eine Frage der wissenschaftlichen Motivation. Die Anforderungen und sogar die zu entdeckenden Teilchen sind gleich.

Erklärung für Phänomene

Nach WIMPs suchen wir, weil es ein Phänomen gibt, dessen Erklärung unklar ist. Astronomische Beobachtungen legen die Existenz dunkler Materie nahe. Diese Materie könnte aus Teilchen bestehen, die nicht elektromagnetisch wirken1 und nicht oder nur sehr langsam in andere Teilchen zerfallen2. Wir erwarten also schwach wechselwirkende Teilchen, das ist das WI in WIMP. Außerdem müssen die Teilchen mehr Masse haben als zum Beispiel Neutrinos. Es müssen massive Teilchen sein. Das ist das MP in WIMP.

Die Eigenschaften von WIMPS sind also durch bereits erfolgte Beobachtungen festgelegt. Wir suchen ein fehlendes Steinchen zu einem Mosaik von ineinander passenden Beobachtungen.

Konsequenz einer Theorie

Dieselben Geräte, mit denen WIMPs gefunden werden können, können auch supersymmetrische (SUSY) Partner zu den bekannten Elementarteilchen finden. Hier ist die Motivation diese Teilchen zu suchen anders: Symmetrie hat sich als Konzept bisher hervorragend bewährt. Deshalb suchen theoretische Physikerinnen und Physiker nach neuen Ansätzen, die der Natur weitere Symmetrien zusprechen.

Bekannt ist die Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen. Das ist eine Ladungssymmetrie3, Antiteilchen haben die gegenteilige elektrische Ladung wie ihre Partner. Sie gehören aber zur selben Teilchenklasse. Mit Teilchenklasse meine ich hier Fermionen und Bosonen. Fermionen sind Teilchen, die Materie bilden, also Quarks und Elektronen. Bosonen sind Teilchen, die Kräfte übertragen, also unter anderem Photonen und Gluonen.

Wenn die These der Supersymmetrie stimmt, dann gibt es einen supersymmetrischen Partner zu jedem der bekannten Teilchen, der einer anderen Teilchenklasse angehört. Jedes Materie-Teilchen (Fermion) hat einen bosonischen Partner. Jedes Kraft-Teilchen (Boson) hat einen fermionischen Partner.

Die Eigenschaften des SUSY-Teilchen sind nicht aus anderen Beobachtungen bekannt, sondern aus der Theorie. Es gibt in den supersymmetrischen Erweiterungen der Teilchenphysik Regeln, die besagen wie ein supersymmetrischer Partner wechselwirken muss. Diese Regeln geben vor wie ein Experiment aussehen muss, das SUSY-Teilchen finden soll.

Glücklicher Weise müssen sich Teilchenphysikerinnen und -physiker nicht festlegen, ob sie nach WIMPs oder SUSY-Teilchen suchen wollen. Erstens weil beide Arten von Teilchen ganz ähnliche Maschinen erfordern, zweitens weil sie vermutlich sogar identisch sind: das einfachste SUSY-Teilchen, das Neutralino, ist ein heißer Kandidat für ein WIMP: Es ist elektrisch ungeladen, wechselwirkt über die Schwache Kernkraft und es ist schwer.

Deduktion vs. Induktion

Die zwei Motivationen nach denselben Teilchen zu suchen repräsentieren sehr schön die beiden klassischen Ströme der Philosophie:

  1. Auf WIMPs kommen wir über den Weg der Empirie: Eine Beobachtung4 wird verallgemeinert. Das ist die induktive Art, neue Erkenntnis zu gewinnen. Die Erkenntnis ist: Es muss eine unbekannte Art von Materie geben.5
  2. Auf SUSY-Teilchen kommen wir dagegen, indem wir eine Theorie, das Standardmodell der Teilchenphysik, weiterdenken und eine neue Symmetrie einführen. Daraus lässt sich die Existenz zusätzlicher Teilchen ableiten (Deduktion).

Beide Methoden waren in der Vergangenheit erfolgreich, moderne Wissenschaftstheorie6 weiß aber auch, dass keine der Methoden allein zu haltbaren Erkenntnissen führt. Rationalismus ohne Überprüfung durch und an der Empirie wird zu Theorien führen, die mit der erlebten Welt nichts zu tun haben. Nicht einmal die Grundlegende Struktur der Raumzeit hätten die Menschen rein rational erfassen können.7 Empirische Untersuchungen ohne Einbindung in ein theoretisches Modell führt dagegen nur auf einen Katalog unabhängiger Beobachtungen. Daraus ist keine tiefere Erkenntnis zu erwarten.

Wissenschafterinnen und Wissenschaftler müssen theoretische Modelle entwickeln und sie müssen sie am Experiment oder durch Beobachtung absichern. Ob die Modelle rational aus Vorgängermodellen entwickelt oder empirisch aus Beobachtungen verallgemeinert wurden, ist dabei zunächst unerheblich.

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Exotischer Teilchenzerfall: Physikalischer Fachartikel hat 3000 Autoren

Zwei Teams am Teilchenbeschleuniger LHC haben sich zusammengetan: Sie beobachteten den extrem seltenen Zerfall von Elementarteilchen. Ein großes Thema für ein außergewöhnlich großes Team. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Nicht so schnell, Licht!

Photonen sind ziemlich schnell. Als masselose Elementarteilchen müssen sie sich immer mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. Das ist eine Konsequenz der Relativitätstheorie, die sich immer wieder experimentell bewährt. Andererseits bewegt sich Licht bekanntlich in Luft und Festkörpern langsamer als im Vakuum. Das ist das Prinzip von Linse, Prisma und allen anderen optischen Geräten, die in Durchsicht betrieben werden. In diesem Artikel möchte ich Ihnen die langsame Geschwindigkeit von Licht in Medien erklären. Die Photonen werden nicht langsamer, sie wechselwirken nur mit Masse-behafteter Materie.

Links im Bild habe ich die Wellengleichungen einmal hingeschrieben, wobei das ε0 schon durch ε, das μ0 durch μ ersetzt wurde. Wenn Sie sich mit Differentialgleichungen, insbesondere mit der Wellengleichung, etwas auskennen, können Sie die Gleichung leicht nachvollziehen, wenn nicht, müssen Sie mir glauben: Es kommt heraus, dass das elektromagnetische Feld eine Welle bildet, die sich mit einer Geschwindigkeit fortpflanzt, die um so geringer ist, je stärker das Vakuum-Feld durch die atomare Polarisation verstärkt wird.

Die Analyse dieser Gleichungen zeigt also, dass Materie das Licht nicht abbremst, indem es das Fortkommen der Photonen behindert, sondern indem sie die gegenseitige Induktion von elektrischem und magnetischem Feld beeinflusst. Schwingt die Polarisation der Materie mit dem elektrischen Feld mit, so wird die Geschwindigkeit der Welle verringert. Schwingt die Polarisation gegen das Feld, so ist die die Welle sogar schneller als Licht im Vakuum3. Letzteres ist für Wellen der Fall, deren Frequenz höher ist als die Resonanzfrequenz. Für Röntgenstrahlung ist das die Regel.

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Am Ende des Strings

Nach der Begeisterung für die Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN in Genf ist eine gewisse Ernüchterung eingetreten. Schließlich ist die Theorie alt, nach der es mindestens ein Higgs-Boson geben muss. Viele fragen sich, ob sich der Bau eines Telichenbeschleunigers für dieses eine Teilchen überhaupt gelohnt hat. Ob die Unauffindbarkeit weiterer Teilchen am CERN das Ende der Stringtheorie bedeutet. Ob damit vielleicht entschieden ist, dass die Loop-Quantengravitation jetzt die Kandidatur für die nächsttiefere Theorie übernehmen wird.

Eines ist klar, die Luft für sogenannte supersymmetrische Theorien ist dünn. Supersymmetrie fordert, dass es mehr unbekannte Teilchen1 gibt. Die zusätzlich geforderten Teilchen fallen dabei nicht vom Himmel, sondern sind für die Stabilität der Theorie so wichtig wie die Existenz des Z-Bosons für die elektroschwache Wechselwirkung. Die Massen der zusätzlichen Teilchen können nicht beliebig hoch sein, je größer sie sind, desto schwieriger wird es für die Theorie, die Stabilität der Welt zu erklären. Außerdem sind die Wechselwirkungen, die die Teilchen miteinander und mit anderen, bekannten Elementarteilchen eingehen können, nicht beliebig. Sie ergeben sich aus einer wohl definierten Erweiterung der bekannten Teilchenphysik. Vertreter/innen der Supersymmetrie wissen also sehr genau, wonach sie suchen: Nicht zu schwere Teilchen mit wohl definierten Zerfallskanälen2.

Das dürfte jetzt für einige Nervosität sowohl bei den theoretischen Physikerinnen und Physikern als auch bei den Experimentator/innen führen, die an Supersymmetrie glauben und ihre Theorie darauf aufgebaut haben. Der Beschleuniger LHC am CERN befindet sich gerade im Upgrade auf die maximale Energie von 7 Tera-Elektronenvolt und soll in 80 Tagen anlaufen. Dann sollten supersymmetrische Teilchen gefunden werden.

Oder auch nicht, denn es gibt zwei Möglichkeiten, die dazu führen würden, dass der LHC auch bei maximaler Energie nicht fündig wird:

  1. Der supersymmetrische Ansatz und damit alle Stringtheorien könnten schlicht falsch sein.
  2. Eine komplexere als die angenommene Version der Supersymmetrie erlaubt Teilchen, die so schwer sind, dass sie vom LHC nicht messbar sind. Im oben verlinkten Beitrag hatte ich beschrieben, wie die Existenz von Z-Boson und Charm-Quark die elektroschwache Theorie retteten. Ähnliches könnte bei hohen Energien für supersymmetrische Theorien gelten.

Das klingt jetzt erstmal unbefriedigend. Der LHC ist nicht das Experiment, das die Stringtheorien oder allgemeiner alle supersymmetrischen Theorien endgültig ausschließen kann. Es könnte einfach die Frage offen lassen, ob es Supersymmetrie gibt oder nicht.3

Allerdings werden wir das nicht gleich nächstes Jahr wissen, denn neben der Möglichkeit der direkten Detektion neuer Teilchen gibt es noch die mühsamere Möglichkeit, kleine Hinweise auf neue Physik zu finden. LHC ist ja nicht nur eine Higgs-Bosonen-Entdeckungs-Maschine. Die beiden Detektoren ATLAS und CMS versuchen alle möglichen Prozesse bei den erreichbaren Energien zu analysieren und führen damit Messungen an allen bisher bekannten Teilchen bei höheren Energien als bisher durch. Das Top-Quark wird genauer untersucht, das Higgs-Boson wird auf alle seine Eigenschaften abgeklopft, andere Prozesse werden analysiert. Für die Untersuchung der Bottom-Quarks gibt es sogar einen eigenen Detektor namens LHC-B.

In vielen Jahren Datennahme und Auswertung wird LHC die Vorhersagen des bisherigen Standardmodells mit experimentellen Daten vergleichen und dabei nach Abweichungen Ausschau halten. Solche Abweichungen können dann eventuell doch noch Aufschluss über Supersymmetrie oder andere neue Modelle geben. Erst wenn auch dort alles dem Standardmodell entspricht, können wir davon reden, dass LHC außer dem Higgs-Teilchen nichts neues entdeckt hat. Er hätte dann aber immerhin das Standardmodell grandios bestätigt. Das wäre doch schonmal etwas.4

Und dann? Wenn nicht Supersymmetrie und Stringtheorie, käme dann die Zeit der Loop-Quantengravitation? Leider nein, denn die Loop-Quantengravitation ist ein Versuch, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu versöhnen. Sie kann in der Kosmologie, im Versuch die Entstehung des Universums zu verstehen, sicher einige Fragen klären. Sie hat aber zumindest bisher noch keinen Ansatz hervorgebracht, den Teilchenzoo der Elementarteilchenphysik zu erklären, also die verschiedenen Teilchentypen auf tiefere Prinzipien zurückzuführen. Das tut die Supersymmetrie zwar auch nicht, aber sie ist die natürliche Fortführung der bisherigen Teilchenphysik. Was bisher so erfolgreich war, wird man nicht so schnell aufgeben. Jedenfalls nicht, bis jemandem ein besserer Ansatz einfällt.

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Falsifikation ist nicht alles

Bei Internetdiskussionen zur Wissenschaft fällt immer wieder das Schlagwort Falsifizierbarkeit. Jede wissenschaftliche Theorie müsse falsifizierbar sein. An der Falsifizierbarkeit erkenne man sofort den Unterschied zwischen richtiger Wissenschaft und Pseudowissenschaft oder Esoterik. So einfach ist es aber nicht.

Falsifizierbar ist eine Theorie, wenn sie konkret genug ist, dass sie durch ein Experiment oder eine Beobachtung widerlegt werden kann. Zeigen Sie mir eine trockene Straße im Regen und ich muss die Theorie „Wenn es regnet, ist die Straße nass.“ zurückziehen. Dieser Satz ist, wenn ich ihn als Theorie verstanden haben möchte, falsifizierbar.1

In der Wissenschaftstheorie von Karl Popper ist Falsifizierbarkeit ein wichtiges Kriterium für wissenschaftliche Theorien. Dieser kritische Realismus besagt, dass eine Theorie rationalistisch, also auf Logik beruhend, erstellt und dann am Experiment kritisch überprüft wird. Die Überprüfung kann bei einer gemeingültigen Aussage niemals durch einen experimentellen Beweis erfolgen, denn eine Theorie hat eine unbeschränkte Menge an Anwendungsfällen, die selbstverständlich nicht alle überprüft werden können. Es bleibt also nichts anderes als eine Theorie solange als mögliche Wahrheit hinzunehmen, bis sie durch Beobachtung einer Abweichung wiederlegt ist. Diese Beobachtung einer Abweichung ist die Falsifikation.

Nicht in allen Ansätzen zur Wissenschaftstheorie ist Falsifizierbarkeit so zentral. Eine Theorie muss nicht am Experiment scheitern.2 So sind die spezielle Relativitätstheorie und die Lorentzsche Äthertheorie in ihren experimentell zugänglichen Aussagen identisch. Beide wären mit demselben Experiment falsifiziert. Beide haben bisher jeder Überprüfung standgehalten. Dennoch ist die Lorentzsche Äthertheorie gescheitert, weil sich auf ihr als Basis nichts weiter aufbauen ließ. Sowohl die Quantenelektrodynamik als auch die allgemeine Relativitätstheorie bauen auf die spezielle Relativitätstheorie auf und können, zumindest bisher, nicht mit einem Ätherkonzept in Einklang gebracht werden.

Dazu kommt die größere Tiefe der Relativitätstheorie. Während in der Lorentzschen Äthertheorie der relativistische Faktor einfach vom Himmel fällt3, kann er in der Relativitätstheorie aus sehr einfachen Grundannahmen hergeleitet werden. Die relativistischen Effekte wirken in der Äthertheorie künstlich herbeigeführt, in der Relativitätstheorie erschließen sie sich logisch aus grundlegenden Prinzipien.

Es gibt also durchaus Theorien, die aus anderen Gründen Scheitern als an der erfolgten Falsifizierung oder der fehlenden Falsifizierbarkeit. Umgekehrt halten sich Theorien bisweilen recht lange in der Wissenschaft, ohne je ihre Falsifizierbarkeit unter Beweis zu stellen. Weder die Stringtheorien, noch die Ansätze der Loop Quantengravitation haben es bisher geschafft, eindeutige experimentelle Vorhersagen zu machen, an denen sie gemessen werden können.

Natürlich liegt das zum großen Teil daran, dass auch die modernsten Teilchenbeschleuniger nicht den Energiebereich erreichen, in dem Effekte von Stringtheorie oder Quantengravitation zum Tragen kämen. Man könnte also einwenden, beide Theoriegruppen seien im Prinzip falsifizierbar, es fehle nur noch an der technischen Leistungsfähigkeit der Experimente. Das aber ist ein schwaches Argument, das ich genau so auch bei esoterischen Theorien gefunden habe. Auch die bestehen oft darauf, man könne ihre postulierten Effekte gerade noch nicht messen, aber prinzipiell sei alles überprüfbar.

Dass Stringtheorien anerkannter Teil der Wissenschaft sind, Rupert Sheldrakes morphogenetische Felder aber nicht, liegt nicht an ihrer Falsifizierbarkeit, sondern an ihrem Potenzial. Stringtheorien passen in die moderne Physik, es ist nicht sicher, aber sie haben das Potenzial, den Teilchenzoo etwas zu lichten und zu erklären, warum es gerade die Elementarteilchen gibt, die wir beobachten. Für die morphogenetischen Felder fehlt dagegen das Phänomen, das damit zu erklären wäre und sie passen nicht in das Bild, das wir zur Zeit von der Natur haben.

 

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Mesonen-Zoo

Meine kleine Serie über das Quarkmodell der Elementarteilchen möchte ich heute mit einer Zoologie der Mesonen fortsetzen. Im Beitrag zum vierten Meson bin ich stillschweigend davon ausgegangen, dass uns nur das Upquark und das Downquark interessieren. Nun möchte ich die anderen hinzunehmen.

Die von mir gezeichete Tabelle zweigt bei weitem nicht alle Mesonen. Es handelt sich nur um die Grundtzustände der Kombinationen aus je einem Quark und einem Antiquark. In diesen Zuständen zeigen die Spins der beiden Teilchen in entgegengesetzte Richtungen und sie haben keinen Bahndrehimpuls. Wie ein Atom ein gebundener Zustand aus Atomkern und Elektron(en) ist, so sind Mesonen gebundene Zustände aus Quark uns Antiquark. Mesonen kommen genau wie Atome in verschiedenen Anregungszuständen vor. Unter Berücksichtigung solcher Anregungen erhalten wir erheblich mehr mögliche Mesonenzustände.

Links habe ich eine Tabelle kopiert, die alle Mesonen aus den drei leichten Quarks enthält. Die ganz linke Spalte zeigt die Analogie zum Atommodell und die in der Teilchenphysik übliche Bezeichnung. Die zweite Spalte enthält die drei Pi-Mesonen und alle Varianten hiervon. Jeder Eintrag in dieser Spalte kommt in drei Ladungszuständen vor. Die zweite Spalte zeigt die vier K-Mesonen und ihre Varianten. Dieser Spalte ist viermal zu nehmen. Die beiden anderen Spalten zeigen je das Eta- und das Eta-Strich-Meson mit ihren Varianten.

Der Mesonen-Zoo ist also groß. Er kann schnell unübersichtlich werden.

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Mesonen-Zoo

Meine kleine Serie über das Quarkmodell der Elementarteilchen möchte ich heute mit einer Zoologie der Mesonen fortsetzen. Im Beitrag zum vierten Meson bin ich stillschweigend davon ausgegangen, dass uns nur das Upquark und das Downquark interessieren. Nun möchte ich die anderen hinzunehmen. (Mehr in: BrainLogs)

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Das vierte Pion und das neunte Gluon

In meinem vorletzten Beitrag über die sechsunddreißig Quarks und acht Gluonen ist eine Frage übrig geblieben: Gibt es noch ein neuntes Gluon? Die Antwort ist – ich nehme es gerne vorweg – Nein. Aber zunächst möchte ich die Fragestellung mit einer Analogie erklären, die auch aus der Teilchenwelt kommt und zum morgigen Pi-Tag passt, dem Pi-Meson. Zum Schluss erkläre ich, warum es zwar ein viertes Pi-Meson aber kein neuntes Gluon gibt.

Bevor die komplizierte Farbwechselwirkung der Quarks bekannt war, gab es eine andere Erklärung dafür, dass die Teilchen im Atomkern, die Protonen und Neutronen zusammenhaften. Protonen und Neutronen haben unterschiedliche elektrische Ladungen. Die des Protons ist einfach positiv, und die des Neutrons ist Neutrall. Gleiche Ladungen stoßen einander elektrisch ab und deshalb müsste ein Atomkern auseinander fliegen, wenn er mehr als ein Proton enthält. Es braucht also eine zusätzliche Kraft, die zwischen Protonen und Protonen, aber auch zwischen Neutronen und Neutronen und Protonen und Neutronen, anziehend wirkt. Da aber Kerne verschiedener Atome einander nicht anziehen, sondern nur noch elektrische Kräfte aufeinander ausüben, muss diese Kraft eine kurze Reichweite haben.

Auf eine Idee, wie das gehen könnte, kam 1935 Hideki Yukawa, theoretischer Physiker und Nobelpreisträger 1949.

Seine Annahme war, dass die Kernbauteile untereinander Elementarteilchen austauschen, die nicht nur Kräfte übertragen, sondern auch ein Neutron in ein Proton und ein Proton in ein Neutron umwandeln können. Dazu müssen diese Austauschteilchen Ladung haben. Ein Teilchen, das ein Proton in ein Neutron umwandelt, muss die positive Ladung des Protons mitnehmen, wenn es abgegeben wird. Ein Proton kann also ein positiv geladenes Teilchen abgeben und dabei zu einem Neutron werden. Oder es kann ein negatives Teilchen aufnehmen und ebenfalls zu einem Neutron werden. Ein Neutron dagegen kann ein negatives Teilchen abgeben oder ein positives aufnehmen um zum Proton zu werden. Die Kraft zwischen den Kernteilchen sollte aber universell sein, auch zwei Neutronen müssten miteinander ein Teilchen austauschen können ohne dass Ladung übertragen wird. Oder zwei Protonen. Es müsste also ein drittes, neutrales Teilchen geben, das ebenfalls Kraft zwischen Kernteilchen überträgt.

Damit die Kraft, die durch diese Teilchen übertragen wird, nicht unendlich weit reicht, führte Yukawa für die Teilchen eine Masse ein. Massive Teilchen reichen im Gegensatz zu den masselosen Photonen nicht so weit. Eine Abschätzung ergab, dass diese Teilchen etwa 200 mal schwerer sein sollten als die Elektronen und damit etwa ein Zehntel so viel wie Proton oder Neutron wiegen sollten. Wegen ihrer mittleren Masse zwischen den leichten Elektronen und den schweren Kernteilchen, bekamen die von Yukawa vorhergesagten Teilchen den Namen Mesonen, das ist griechisch für „das Mittlere“.

Genauer gesagt hat Yukawa mit den drei Teilchen die Pi-Mesonen, oft auch Pionen genannten Teilchen vorhergesagt. Nachgewiesen wurden diese Teilchen erstmals 1947. Ihre tatsächliche Masse ist etwas höher als abgeschätzt. Etwa 140 Megaelektronenvolt1  für die geladenen Pionen und 135 Megaelektronenvolt für das neutrale.

Wir dürfen uns nicht davon verwirren lassen, dass Protonen und Pionen elektrische Ladungen haben. Die hat mit der Yukawa-Wechselwirkung nichts zu tun. Es ist eine Wechselwirkung zwischen ein Paar Elementarteilchen, dem Neutron und dem Proton. Zwischen anderen geladenen Teilchen, wie den Elektronen, gibt es diese Wechselwirkung nicht. Die Pionen koppeln also nicht an die Ladung der Protonen, sondern an eine weitere Eigenschaft, die man Isospin nennt.

Drei für Zwei

Neutron und Proton sind ein sogenanntes Isospin-Dublett. Sie sind aus Sicht der Starken Kernkraft zwei Seiten derselben Medaille. Um die Wechselwirkung zwischen solchen Teilchen zu beschreiben, die in zwei verschiedenen Ausprägungen vorkommen, ist ein Triplett, also ein Dreigespann aus kraftübertragenden Teilchen nötig. Das lässt sich verallgemeinern: Für eine Welchselwirkung mit zwei Komponenten, ist pro Komponente ein Austauschteilchen nötig, das diese Komponente in die andere Umwandelt. Zudem ist ein Austauschteilchen nötig, dass die Komponenten unberührt lässt und die Phase der Wellenfunktion zwischen ihren verändert. Wir haben also 2+1=3 solcher Austauschteilchen. Es gibt drei Pi-Mesonen.

Acht für Drei

Wenden wir diese Regel jetzt für eine Kraft an, die drei Komponenten kennt, so braucht wieder jede der drei Komponenten je ein Austauschteilchen, das diese Komponente in eine der beiden anderen umwandelt. Das macht also 2 mal 3 gibt 6 Austauschteilchen. Außerdem gibt es zwischen drei Wellenfunktionen zwei relative Phasen2 Insgesamt werden also 6+2=8 Austauschteilchen benötigt. Ein sogenanntes Oktett.

Diese Regel lässt sich beliebig verallgemeinern: Für 4 Komponenten braucht es 12+3=15 Austauschteilchen; für 5 Komponenten brauchen wir 20+4=24 Austauschteilchen; Bei 6 Komponenten bekommen wir es mit 30+5=35 Austauschteilchen zu tun.3

Quark-Wechselwirkung

Nun ist die Starkte Kernkraft tatsächlich keine Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, sondern eine zwischen den Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Der Austausch von Pionen ist nur eine Näherung für die komplexere Wechselwirkung zwischen Quarks. Quarks interagieren nun zum Glück nicht mit den sechs Arten von Quarks, Up-, Down-, Strange-, Charm-, Bottom- und Top-Quark. Wenn das der Fall wäre, müsste die Wechselwirkung durch 35 Gluonen erfolgen. Im Gegenteil, die Starke Kernkraft ist gar nicht in der Lage, den Typ von Quarks zu verändern. Statt dessen setzen Gluonen an die drei Farbkomponenten jeder Quarkart an. Eine Kraft, die an drei Komponenten ansetzt, braucht genau acht Gluonen.

Das vierte Pion

Wenn Pionen nicht die Austauschteilchen der starken Kernkraft sind, was sind sie dann? Nun, es handelt sich bei ihnen um relativ langlebige Teilchen, die aus einem Quark-Antiquark-Paar bestehen. Das positiv geladene Pion besteht aus Up-Quark (2/3 positiv geladen) und Antidown-Quark (1/3 positiv geladen). Das negativ geladene Pion besteht aus Down-Quark (1/3 negativ geladen) und Antiup-Quark (2/3 negativ geladen). Das neutrale Pion ist eine bestimmte Überlagerung von Up-Antiup- und Down-Antidown-Quark.

Nun ist es eine quantenmechanische Gesetzmäßigkeit, dass es von grundlegenden Quantenzuständen beliebige Überlagerungen geben kann, dass aber die Zahl der möglichen Zustände durch Überlagerung nicht geändert werden kann. Wenn also das neutrale Pion eine Überlagerung zweier grundlegender Quark-Antiquark-Zustände ist, muss es neben dieser Überlagerung noch eine zweite, komplementäre geben. Die gibt es tatsächlich: Eine weitere Überlagerung von Up-Antiup- und Down-Antidown-Quark ist das Eta-Teilchen. Es ist ungefähr viermal schwerer als das neutrale Pion und lässt sich in Teilchenbeschleunigern erzeugen und detailliert untersuchen.

Kein neuntes Gluon

Jetzt kann ich endlich erklären, warum es kein neuntes Gluon geben muss. Im Gegensatz zu Pionen sind Gluonen nach unserem besten Wissen nicht aus grundlegenderen Elementarteilchen zusammengebaut. Die Farbladungen, die sie tragen, sind keine eigenständigen Quantenobjekte, aus denen man ein neuntes Gluon bastelt könnte. Mathematisch ist das freilich möglich, aber es gibt keinen physikalischen Grund, warum ein neuntes Gluon existieren sollte. Ihre Eigenschaft als Kraftüberträger macht nur das Gluonen-Oktett notwendig. Denn drei Farbladungen brauchen acht Kraftüberträger.

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Sechsunddreißig Quarks und acht Gluonen

Elementarteilchenphysik kann verwirrend sein. Es gibt im Standardmodell einfach zu viele Teilchen und zu viele freie Parameter, die die Theorie nicht vorhersagt und die folglich nur experimentell bestimmt werden. Es gibt aber auch Zahlen im Standardmodell, die zwingend sind. Die sich logisch erklären lassen. Zum Beispiel, warum ich zuerst naiv davon ausging, dass es neun Gluonen geben müsse, und warum es tatsächlich acht sind.

Aber zunächst zu der Anzahl von Quarks: Dass es drei Familien von Elementarteilchen gibt, dürfte vielen meiner Leserinnen und Lesern geläufig sein. Die erste Familie reicht dabei aus, um alle stabile Materie zu erklären. Sie besteht aus Up-Quark, Down-Quark, Elektron und Elektron-Neutrino. Zwei Quarks also. Aber auch die Antiteilchen möchte ich in meiner kleinen Zoologie der Elementarteilchen mitzählen.1 Das Anti-Down-Quark und das Anti-Up-Quark haben dieselben Eigenschaften wie Quarks und unterscheiden sich nur in ihren Ladungen. Wir haben also in der ersten Familie vier Quarks und vier leichte Teilchen2.

Zu den vier Quarks der ersten Familie müssen wir noch die vier der zweiten Familie3 und die vier der dritten Familie4 zählen. Also sind wir bei insgesamt zwölf Quarks. Diese Quarks unterscheiden sich in ihrer Ladung. Eine Übersicht gibt es auf der Quark-Seite der Quantenwelt.

Quarks kommen also als Teilchen und Antiteilchen vor. Sie stammen aus verschiedenen Familien und kommen in den Geschmacksrichtungen (engl. flavor) Up, Down, Strange, Charm und Top. Sie tragen verschiedene elektrische Ladungen und nicht zuletzt haben sie eine weitere Art von Ladungen, die Farb-Ladungen. Jedes der bisher erwähnten zwölf Quarks gibt es in drei verschiedenen Versionen, die man nach den Grundfarben Rot, Grün5 und Blau nennt. Antiquarks haben die entsprechenden negativen Ladungen Antirot, Antigrün und Antiblau. Wir müssen also die Anzahl der Quarks noch einmal mit drei multiplizieren. Insgesamt gibt es Sechsunddreißig Quarks. Achtzehn der gewöhnlichen Materie und achtzehn Antiquarks.6

Farbladungen funktionieren so ähnlich wie elektrische Ladung. Im Elektromagnetismus gibt es positive und negative Ladung und es gibt ein Teilchen, das an diese Ladung koppelt. Das Photon. Das Photon kann ein Paar geladener Teilchen erzeugen, es kann von einem geladenen Teilchen abgegeben werden, wenn dieses seine Bahn ändert. Es kann zwischen zwei geladenen Teilchen ausgetauscht werden und dabei Energie und Impuls austauschen.

All das geht bei der Farbladung auch. Es gibt drei „positive“ Ladungen Rot, Grün, Blau und dazu drei negative Ladungen Antirot, Antigrün und Antiblau. So wie in der elektromagnetischen Kraft ein Teilchen neutral also nach außen ungeladen ist, wenn es gleich viele positive wie negative Ladungen hat, ist ein Teilchen nach außen farbneutral, wenn jedes Rot durch Antirot, jedes Grün durch Antigrün und jedes Blau durch Antiblau ausgeglichen ist.7 Es gibt aber eine weitere Möglichkeit, Neutralität zu erreichen. Ein Teilchen ist ebenfalls neutral, wenn es gleich viel Rot, Grün und Blau enthält.8

Gluonen

Auch farbige Quarks können paarweise erzeugt werden, Teilchen abgeben, wenn sie ihre Bahn wechseln, oder einander anziehen, indem sie Teilchen austauschen. Diese Teilchen nennt man Gluonen. Gluonen unterscheiden sich von Photonen darin, dass sie selbst Träger der Art Ladung sind, von der sie die Austauschteilchen sind. Und zwar trägt jedes Gluon eine Farbladung und eine Antifarbladung. Bildet man alle möglichen Paare, so würde man also naiv annehmen, dass es neun arten von Gluonen geben muss. Jede der drei Farben kombiniert mit jeder der drei Antifarben. Das stimmt jedoch nicht ganz.

Wir müssen bedenken, dass Teilchen in der Elementarteilchenphysik etwas ganz anderes sind als die klassischen Punktteilchen in der Mechanik. Sie repräsentieren Rechenvorschriften, mit denen die Dynamik von Quantenobjekten untereinender beschrieben wird. Die Farben der Quarks sind Metaphern für eine bestimmte Symmetrie, die der starken Kernkraft zugrunde liegt. Diese Symmetrie heißt spezielle unitäre Gruppe und behandelt sowas wie verallgemeinerte Drehungen in Räumen aus komplexen Zahlen. Das klingt kompliziert und ist es auch, aber die Drehung gibt uns einen neuen Ansatz, bildhaft zu verstehen worum es geht.

Ich habe in einem früheren Beitrag mal geschrieben, wie interessant komplexe Zahlen für die Physik sind. Wir könenn mit ihnen recht einfach Schwingungen und Wellen beschrieben. Und weil Quantenobjekte wie Quarks über Wellenfunktionen beschrieben werden, ist es nicht verwunderlich, dass wir die Kräfte zwischen Quarks mit komplexen Zahlen beschreiben können.

Ein Photon, das elektrische Kraft überträgt, kann auch als komplexe Zahl beschrieben werden. Es hat als Welle eine Amplitude9 und eine Phase10. Die Übertragung von Photonen verändert die Geschwindigkeit von Elektronen, sie ändert die Wellenfunktion der Elektronen in mathematisch exakt definierter Art. Ganz ähnlich ist es mit der Farbwechselwirkung, nur dass es sich um einen Dreiklang unterschiedlicher Ladungen handelt, die wir Farbe nennen.

Die mathematische Struktur der Interaktion von Quarks kann nicht mit einfachen komplexen Zahlen arbeiten, sie muss Größen verwenden, die drei komplexe Zahlen enthalten. Das sind diese speziellen unitären Gruppen. Wir können sie uns wie Drehungen vorstellen. Beliebige Drehungen im Raum lassen sich in einzelne Komponenten zerlegen. Ein Flugzeug kann die Nase hoch und runter bewegen, das nennt sich Nicken (engl. pitch), es kann seitlich schwenken, was man als Gieren (yaw) bezeichnet, oder es kann sich um die Längsachse drehen, das ist das Rollen (roll).

Was der Austausch von Gluonen mit den Wellenfunktionen von Quarks macht ist Drehungen ähnlich. Da gibt es die sechs oben genannten farbändernden Drehungen, die durch Gluonen wie Rot-Antigrün oder Blau-Antirot vermittelt werden. Es gibt aber noch zwei andere Grunddrehungen, die die Farben lassen wie sie sind und nur die Phasen, also die relativen Lagen der Wellenfunktionen zueinander verändern. Diese beiden Drehungen sind Überlagerungen aus den denkbaren Zuständen Rot-Antirot, Grün-Antigrün und Blau-Antiblau. Es gibt für diese Phasendrehung nur zwei Freiheitsgrade, ähnlich wie man auf einer dreidimensionalen Kugel wie unserer Erde nur zwei Koordinaten braucht um einen Ort eindeutig zu bestimmen.

Insgesamt gibt es also acht Gluonen, die die Überträger von Kräften zwischen Quarks sind. Sechs von ihnen verändern dabei deren Farbladung, zwei lassen die Farben unangetastet und drehen nur an ihren relativen Phasen. Eine weitere Kombination von Rot-Antirot, Grün-Antigrün und Blau-Antiblau ist denkbar, gehört aber nicht zu den erlaubten Drehungen der speziellen unitären Gruppe und existiert deshalb nicht als Gluon.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Higgs-Erklärungen und -Missverständnisse reloaded

Es war keine große Überraschung: Der diesjährige Physik-Nobelpreis wurde an Peter Higgs und François Englert vergeben – dafür, dass sie den Higgs-Mechanismus formuliert haben, der Elementarteilchen auf Umwegen eine Masse verleihen kann. Jetzt, wo das Higgs-Teilchen – oder etwas sehr ähnliches – tatsächlich entdeckt wurde (die näheren Umstände hatte ich im Sommer 2012 in Higgs-Suche: Grundlagen und Hintergrundinformationen beschrieben), war die Frage im wesentlichen: Wann ist der Nachweis dem Nobel-Komitee sicher genug? Und bekommen die Theoretiker den Preis, oder (auch) dieweiter (Mehr in: BrainLogs)

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Collider ohne Not-Aus?

Gestern, am Tag der Deutschen Einheit habe ich es mir nicht nehmen lassen, den deutschen Katastrophenfilm „Helden – Wenn dein Land dich braucht“ zu sehen. Nicht weil ich glaubte das könne ein guter Film werden, die Hoffnung nahm mir schon die Rezension von Arno Frank, sondern weil ich sehen wollte, welchen Eindruck der Film von Wissenschaft in Forschungseinrichtungen wie dem CERN vermittelt.

Das Bild ist nicht gut. Ruchlose Wissenschaftler setzen die Existenz der Menschheit aufs Spiel um… ja, was genau sie erreichen wollen, wird in dem Film nicht klar. Als Wissenschaftler, der selbst an Großgeräten arbeitet, tut es mir etwas weh, wenn die Menschen ein so schlechtes Bild von uns haben. Bitte nehmen Sie sich doch bei Gelegenheit mal die Zeit, einen Tag der Offenen Tür oder eine geführte Besichtigung in einer Forschungsanlage Ihrer Wahl und Nähe mitzumachen. Das DESY öffnet seine Türen zum Beispiel am 2. November im Rahmen der Nacht des Wissens, bietet aber auch sonst ganzjährig Führungen an.

Eine Radiofrequenz-Beschleunigungs-Struktur eines alten Ringbeschleunigers auf dem Gelände des CERN in Genf.

Aber zurück zum Film: Die meiste Zeit irren die Protagonisten quer durch Deutschland, um die Abschaltsequenz für den Teilchenbeschleuniger zu suchen. Diese Sequenz spielt eine Wissenschaftlerin am Ende unter Einsatz ihres Lebens in die Maschine ein. Ist das ein realistisches Szenario? Ist es wirklich so schwer, einen Teilchenbeschleuniger abzuschalten?

Vor vielen Jahren – ich war noch Student und hatte mit Beschleunigern gar nichts zu tun – fragte mich mal ein Freund, was denn passiert, wenn ein Teilchenbeschleuniger einen Stromausfall hat. Damals ging es noch nicht um den Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf, sondern um den Protonen-Elektronen-Speicherring HERA in Hamburg. Die Frage ist berechtigt, wenn man bedenkt, dass mein Freund kein Physiker ist und eine Parallele zu Atomkraftwerken befürchtet hat. Tatsächlich wissen wir ja, dass ein Stromausfall eines Kernkraftwerks durch den Ausfall der Kühlung zu einer Katastrophe führen kann. Die Zerfallswärme in den Brennstäben kann diese zum Schmelzen bringen und in ungünstigen Fällen kann sogar eine Kettenreaktion aufrechterhalten bleiben.

Ringbeschleuniger wie HERA und LHC sind aber ganz anders aufgebaute Anlagen. In Ihnen werden Elementarteilchen auf ringförmigen Bahnen gehalten und an bestimmten Punkten der Anlage zur Kollision gebracht. Die Teilchen müssen elektrisch geladen sein, damit sie sich in einem Speicherring halten lassen. Starke Magnete zwingen die Teilchen auf Ringbahnen. Das ist ein gut bekannter Effekt: Magneten lenken durch ihr Feld fliegende geladene Teilchen ab. Früher, als wir noch Röhrenfernseher in unseren Wohnzimmern hatten, konnten wir das Zuhause gut überprüfen: Ein starker Lautsprecher-Magnet konnte deutliche Bildänderungen verursachen.

In den Speicherringen HERA und LHC sorgen verschiedene Elektromagnete dafür, dass die Teilchen auf den richtigen Bahnen unterwegs sind. Ein Stromausfall hätte zur Folge, dass die Elektromagnete ihre Feldstärke verlieren und die Teilchenstrahlen in die nächstliegende Wand gehen. Der Beschleuniger wäre in wenigen Millisekunden aus. Beim LHC kommt dazu, dass die Magneten supraleitend sind und auf Tiefsttemperaturen gekühlt werden müssen. Ein Ausfall der Kühlung würde den Beschleuniger ebenfalls schnell stoppen.

Bei jeder Ablenkung elektrisch geladener Teilchen verlieren diese ein wenig Energie. Diese Energie wird als elektromagnetische Strahlung tangential abgestrahlt, das ist die sogenannte Sychrotronstrahlung. Die in Synchrotronstrahlung verloren gegangene Energie muss den Teilchen bei jedem Umlauf wieder zugeführt werden. Dafür sind in Ringbeschleunigern Radiofrequenz-Strukturen zuständig, auf deren Radiowellen die Elementarteilchen surfen. Auch ein Ausfall der Radiofrequenz-Generatoren würde den Beschleuniger schnell stoppen. Selbst wenn die Radiofrequenz aus dem Takt der umlaufenden Teilchen gerät, würden die Teilchen schnell an Fahrt verlieren, die Bahn verlassen und in den Wänden der Vakuumrohren absorbiert werden.

Es ist kein Problem, einen Speicherring wie den LHC auszubekommen. Die Schwierigkeit liegt darin, ihn am Laufen zu halten. Seien Sie also unbesorgt: Wenn es zu einem irgendwie problematischen Zustand im LHC kommen sollte, finden die Wissenschaftler/innen mit Sicherheit schnell den Not-Aus-Taster. Vermutlich geht die Maschine aber vorher von selbst aus.

 

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Kirche: Warum das Higgs-Boson kein Gottesteilchen sein darf

Erzbischof Ludwig Schick will Gott nicht auf ein Elementarteilchen reduziert und schon gar nicht wie auf dem Seziertisch analysiert wissen. Schöpfung kann für ihn nun mal nicht im Labor nachgebaut werden.
Quelle: WELT ONLINE – Wissenschaft

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Higgs: Warum das Higgs-Boson kein Gottesteilchen sein darf

Erzbischof Ludwig Schick will Gott nicht auf ein Elementarteilchen reduziert und schon gar nicht wie auf dem Seziertisch analysiert wissen. Schöpfung kann für ihn nun mal nicht im Labor nachgebaut werden.
Quelle: WELT ONLINE – Wissenschaft

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Higgs-Teilchen-Sensation: Urknallexperiment erfolgreich.

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Am europäischen Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik CERN in Genf sind heute die neuesten Ergebnisse der Suche nach dem Higgs-Teilchen vorgestellt worden. In den Daten des Large Hadron Colliders (LHC) wurden deutliche Anzeichen für ein neues Teilchen beobachtet, welches das seit langem gesuchte Higgs-Teilchen sein könnte, dem eine Schlüsselrolle in der Elementarteilchenphysik zukommt. Continue reading „Higgs-Teilchen-Sensation: Urknallexperiment erfolgreich.“

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Higgs-Boson: Cern-Wissenschaftler entdecken ein neues Teilchen

Wissenschaftler des Kernforschungszentrums Cern melden eine Jahrhundert-Entdeckung: Sie wiesen ein Elementarteilchen erstmals nach, das dem so genannten Gottesteilchen entspricht.
Quelle: WELT ONLINE – Wissenschaft

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Large Hadron Collider: Das Milliarden-Monster

Der Teilchenbeschleuniger LHC beim Kernforschungszentrum Cern in Genf ist mit 27 Kilometern Länge die größte je gebaute Maschine. Wissenschaftler benötigen den Riesen, um winzige Elementarteilchen zu jagen.
Quelle: stern.de – Wissenschaft & Gesundheit

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Neutrino-Experiment: Loses Kabel blamiert Teilchenphysiker

Können manche Elementarteilchen schneller als das Licht reisen? Das legte ein spektakuläres Experiment aus dem vergangenen Jahr nahe. Doch nun zeigt sich: Bei der Messung gab es mehrere Fehler – unter anderem verfälschte offenbar ein loses Kabel die Ergebnisse.
Quelle: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft

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Jagd nach dem Gottesteilchen: Spuren des Higgs-Bosons gefunden.

Eine Spur des Higgs-Teilchens: Bei den roten Linien handelt es sich um Myonen, die über eine Kaskade von Zerfällen aus dem Higgs-Boson entstehen können. Da andere Prozesse jedoch eine ähnliche Signatur hinterlassen, müssen Physiker unzählige solcher Ereignisse analysieren, um die Existenz des Higgs-Bosons mit ausreichender Wahrscheinlichkeit zu beweisen. Atlas Cooperation
Eine Spur des Higgs-Teilchens: Bei den roten Linien handelt es sich um Myonen, die über eine Kaskade von Zerfällen aus dem Higgs-Boson entstehen können. Da andere Prozesse jedoch eine ähnliche Signatur hinterlassen, müssen Physiker unzählige solcher Ereignisse analysieren, um die Existenz des Higgs-Bosons mit ausreichender Wahrscheinlichkeit zu beweisen. Atlas Cooperation

Physiker aus aller Welt haben vor bald zwei Jahren mit Messungen im Large Hadron Collider (LHC) am Genfer Cern begonnen. Seit einigen Tagen nun kursieren Meldungen, dass ein wichtiges Forschungsziel bald erreicht sein könnte: Offenbar gibt es Hinweise auf das Higgs-Teilchen. Stefan Stonjek ist Wissenschaftler in der Atlas-Kooperation, einem der Experimente, mit dem Physiker dem Elementarteilchen nachspüren. Er spricht darüber, was am LHC tatsächlich gefunden wurde und welche Konsequenzen das haben könnte. Continue reading „Jagd nach dem Gottesteilchen: Spuren des Higgs-Bosons gefunden.“

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Wo hat sich das Higgs-Teilchen versteckt?

Video: Harald Lesch über Higgs-Teilchen

Ein Interview mit Siegfried Bethke vom Münchner Max-Planck-Institut für Physik über die aktuellen Forschungsergebnisse am Large Hadron Collider (LHC) in Genf

Professor Bethke, seit zwei Jahren kollidieren am LHC Teilchen miteinander, fast eine Billiarde Zusammenstöße haben die Detektoren inzwischen registriert. Was ist dabei herausgekommen? Continue reading „Wo hat sich das Higgs-Teilchen versteckt?“

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Neutrino-Teleskope fangen Signale von Meeressäugern auf

Pottwale tummeln sich auch im Mittelmeer – das haben Biologen mithilfe eines Instrumentariums herausgefunden, das in der Tiefsee unvorstellbar winzigen und flüchtigen Besuchern der Erde auf der Spur ist: großen Unterwasserteleskopen, mit denen Physiker Signale von Neutrinos, beinahe masselosen Elementarteilchen, aus den Tiefen des Universums nachweisen wollen. Aus den anfallenden Daten können Meeresbiologen die Geräusche der Wale herausfiltern. Das Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) wird dabei sein, wenn die ungewöhnliche Querverbindung zwischen zwei Disziplinen am 1. und 2. Dezember 2010 in Paris diskutiert wird.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Von Myon in Tau : Neutrinos sind Meister der Verwandlung

Erstmals konnte direkt nachgewiesen werden, dass sich ein Elementarteilchen ganz von alleine in ein anderes Teilchen umwandeln kann.
Quelle: WELT ONLINE – Wissenschaft

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Lässt CERN „tote“ Materie lebendig werden?

Leben ist gekennzeichnet durch die prinzipielle Unvorhersagbarkeit des Verhaltens. Die Flugbahn eines Steins kann man vorhersagen. Für die Bahn des Vogelflugs gilt das nicht. Doch die Welt toter Materie ist im Kleinen ungeahnt lebendig. Continue reading „Lässt CERN „tote“ Materie lebendig werden?“

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Teilchenbeschleuniger LHC: Protonen sollen mit Rekordenergie zusammenprallen

Der riesige Beschleunigerring LHC in Genf kommt auf Touren: Am heutigen Dienstag wollen Forscher einen neuen Energierekord bei Kollisionen von Elementarteilchen aufstellen. Das Experiment wird live im Internet übertragen.
Quelle: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft