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CERN: Musk will bohren

Am CERN soll ein riesiger neuer Teilchenbeschleuniger den bisherigen LHC weit übertreffen. Dazu muss ein 100 Kilometer langer Tunnel her – ein Fall für den Multi-Unternehmer Elon Musk?

Quelle: Technology Review

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Teilchenbeschleuniger LHC: Wetten, die Welt geht unter?

Als der Teilchenbeschleuniger LHC an den Start ging, begann ein kurioses Gewinnspiel: Wetten, dass die Apokalypse kommt? Jetzt ist Zahltag. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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LHC bei Genf: Weltgrößter Teilchenbeschleuniger wird aufgerüstet

Eine Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde schafft der weltgrößte Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf. Das ist immer noch zu wenig, klagen Physiker. Also wird die Anlage nun über viele Jahre ausgebaut. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Leptoquarks oder neue Kräfte am LHC?

“Teilchenwelt vor dem Umbruch: Am weltgrößten Beschleuniger häufen sich die Hinweise auf neue Physik”, so titelt das aktuelle Spektrum [1]. Was ist da los? Haben wir die neue Revolution in der Teilchenphysik verschlafen? Hier die … Weiterlesen (Mehr in: BrainLogs)

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Kernforschungszentrum Cern: Teilchenbeschleuniger LHC läuft wieder

Monatelang hatte die mächtigste Maschine der Welt stillgestanden, nun läuft der Teilchenbeschleuniger LHC wieder. Forscher hoffen, damit gänzlich neue Partikel zu entdecken – und erste Hinweise dafür scheint es zu geben. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Teilchenkanone im Schuhkarton

Teilchenbeschleuniger wie der LHC am Cern in Genf sind gigantische Maschinen, die nicht viel mehr tun, als Teilchen mit Energie aufzuladen. Das geht auch sehr viel kleiner, glauben Physiker aus den USA und Deutschland.

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Unfall am LHC: Wiesel löst Kurzschluss am Teilchenbeschleuniger aus

Der weltgrößte Teilchenbeschleuniger am Cern muss vorübergehend abgeschaltet werden: Ein Wiesel hatte einen Trafo außer Gefecht gesetzt. Für das Tier ging der Zwischenfall nicht glimpflich aus. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Drei Faktoren für Fusionsenergie

Nachdem ich beschrieben habe, wie einfach Fusion ist, möchte ich Ihnen die Schwierigkeiten nicht vorenthalten, die auf dem Weg zur Fusionsenergie zu bewältigen sind. Auf meinem Besuch in Greifswald fiel von Experten immer wieder der Begriff „Tripel-Produkt“. Das Tripel-Produkt, offenbar ein Produkt aus drei Faktoren, müsse für Fusion ausreichend groß sein. Auf meine Nachfrage nannten mir die Experten die drei entscheidenden Faktoren: Teilchenenergie, Dichte und Isolation des Plasmas.

Energie

Da Kernfusion durch inelastische Streuung von Atomkernen zustande kommt, ist die Bewegungsenergie der Kerne wichtig. Ausreichend viele kollidierende Kerne müssen genügend Energie haben um zu fusionieren. Hier gilt nicht der Grundsatz „je mehr desto besser“, es gibt eine optimale Energie für den Fusionsprozess.

Dargestellt ist das im Bild links. Mit zunehmender Stoßenergie wird zunächst die Fusion von Deuterium mit Tritium (D-T) immer wahrscheinlicher. Die Fusion von Deuterium unter sich (D-D) setzt erst bei höheren Energien ein und bleibt deutlich schwächer. Das ist der Grund, warum Fusionsreaktoren auf den D-T Prozess setzen. Zwischen 50 und 100 Kiloelektronenvolt (keV) Energie erreicht die Wahrscheinlichkeit für D-T-Fusion ihr Maximum. Danach nimmt sie wieder ab.

Anschaulich lässt sich dieses Verhalten so verstehen: Die Kerne stoßen einander elektrisch ab. Es braucht eine Mindestenergie, um die Abstoßung zu überwinden. Deshalb steigt die Fusionskurve zunächst an. Wenn aber die Kerne zu schnell werden, bleibt weniger Zeit für den Austausch eines Protons aus dem Deuterium Kern zum Tritium Kern. Die Kerne fliegen öfter ohne Wechselwirkung aneinander vorbei. Die Kurve nimmt bei höheren Energien wieder ab. Dort wird die Wahrscheinlichkeit für schwerere Kerne größer, die bei gleicher Energie weniger schnell sind.

In einem Plasma sind nicht alle Kerne gleich schnell. Die Bewegungsenergie der Kerne folgt einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, der Maxwell-Boltzmann-Verteilung. Sie ist von der Temperatur des Plasmas abhängig. Die mittlere Teilchenenergie liegt in der Größenordnung von 0,0001 eV pro Grad 12, deshalb braucht ein Fusionskraftwerk 150 Millionen Grad Celsius Plasmatemperatur, um den Fusionsprozess aufrecht zu erhalten.

Dichte

Schnelle und damit energiereiche Kerne allein machen noch keine effektive Fusion. Damit genügend Energie pro Zeiteinheit erzeugt wird, müssen die Stöße zwischen den Atomkernen genügend oft erfolgen. Das lässt sich durch ausreichende Dichte des Plasmas erreichen. Die Teilchendichte im Plasmaexperiment Wendelstein 7-X liegt bei 1020 Teilchen pro Kubikmeter3. Zum Vergleich: In einem Gas bei Raumtemperatur und Normaldruck haben wir es mit 3×1025 Teilchen pro Kubikmeter zu tun. Das Plasma ist in den großen Plasmaanlagen also eher dünn.

Nun ist die Dichte allein kein gutes Maß dafür, wie schwierig es ist, ein Plasma zusammen zu halten. Druck ist da das bessere Maß. Druck ist die Kraft pro Flächeneinheit, mit der ein Plasma auseinanderzustreben versucht. Aus der Dichte ergibt sich, wie viele Teilchen den Rand des Plasmas erreichen, aus der Temperatur, mit welcher Wucht sie ankommen. Welche Kraft nötig ist um sie zurückzuhalten.

Der Druck des Plasmas liegt mit unter 5 Bar nicht all zu hoch. Eine gewöhnliche Gasflasche hält locker 200 Bar. Aber bei den hohen Teilchenenergien kann keine Wand das Plasma halten. Die Kerne würden nicht, wie bei einem kalten Gas, von den Wänden zurückgehalten werden, sondern tief ins Wandmaterial eindringen und für das Plasma verloren geben. Um das Plasma festzuhalten, muss der Gegendruck von einem starken Magnetfeld erzeugt werden, wie es nur mit supraleitender Technologie erzeugt werden kann.

Isolation

Der letzte Wert im Bunde ist die Isolation. Sie wird als eine Zeit angegeben. Diese Zeit gibt an, wie lange Energie dem Plasma erhalten bleibt.4 Es gibt eine ganze Reihe Mechanismen, die zu Energieverlusten führen können:

Unvermeidbar sind die Verluste aufgrund der thermischen Strahlung des Plasmas. Ein Plasma, das heißer als die Sonne ist, sendet Wärmestrahlung im Bereich sichtbaren und ultravioletten Lichtes. Dazu verliert ein Plasma auch Produkte aus den radioaktiven Vorgängen, die in ihm vorgehen. Neutronen verlassen das Plasma, wenn sie nicht von einem Kern eingefangen werden. Für Gammastrahlung ist ein Plasma durchsichtig, so dass sie verloren geht. Elektronen und Kerne werden zwar als geladene Produkte vom Magnetfeld zurückgehalten, können aber bei zu hoher Bewegungsenergie ebenfalls verloren gehen. Außerdem gibt es innere Verluste. Zum Beispiel durch schwere Atomkerne im Plasma, die durch inelastische Stöße Bewegungsenergie aufnehmen können. Dadurch werden sie selbst zwar angeregt, kühlen das Plasma aber ab.

Die Wärmeisolierung liegt im Wendelstein 7-X im Bereich weniger Sekunden. Damit ist das der einzige Wert, der noch nicht ausreicht, um einen Fusionsprozess aufrecht zu erhalten, bei dem mehr Energie gewonnen als eingesetzt wird. Wie aber die Isolation verbessert werden kann, ist bekannt: Die meisten Verluste geschehen über die Oberfläche des Plasmas, um es besser zu isolieren, muss das Verhältnis Oberfläche zu Volumen kleiner Werden. Das ist mit größeren Plasmen zu erreichen. Fusionskraftwerke werden, wenn es sie mal geben wird, Großkraftwerke sein. Es gibt momentan keinen realistischen Ansatz, kleine und kompakte Fusionsreaktoren zu bauen. Das fusionsgetriebene Auto wird ein Traum bleiben.

Das Tripel-Produkt

Das Tripel-Produkt ist also ein Produkt aus den drei Größen Bewegungsenergie, Dichte und Isolation. Diese Größen zu multiplizieren ist deshalb sinnvoll, weil sie einander zum Teil ersetzen können. Wenn die Isolation schlecht ist, lässt sich durch höhere Dichte oder Bewegungsenergie die Energieerzeugungs-Rate erhöhen und die Temperatur dennoch halten. Bei höherer Dichte lässt sich die Fusion mit niedriger Energie aufrechterhalten. Die Wahrscheinlichkeit für Fusion nimmt zwar zusammen mit der Energie ab, aber bei höherer Dichte nimmt die Anzahl der Stöße pro Sekunde zu, so dass gleich viel Fusion erfolgt.

Dem Produkt aus Dichte und Energie sind durch die verfügbare Leistung supraleitender Magneten Grenzen gesetzt. Aus Dichte und Energie ergibt sich ein Druck, dem das Magnetfeld entgegengesetzt werden muss. Für die Isolation setzt, wie oben beschrieben, die Größe der Anlage ein Limit. Je größer desto besser.

Der Weg zum Fusionskraftwerk

Spannend bleibt die Frage, wann es erstmals Energie aus Kernfusion geben wird. Der Zeitplan wird momentan durch das Projekt ITER vorgegeben, über dessen Verspätung Alf Köhn nebenan schon berichtet hat. Erstes Plasma in ITER können wir in knapp zehn Jahren erwarten. Und die Anlage wird dann etwa 20 Jahre lang Versuche durchführen. Wie es dann weitergeht, hängt nicht nur vom physikalischen Fortschritt, sondern vor allem von der energiepolitischen Situation und der Stimmung ab. Momentan sieht es nicht so aus, als ob Großkraftwerke eine breite Unterstützung bekommen können.

Spötter sagen, die Fusionsenergie stünde immer konstant 50 Jahre vor ihrer Realisierung. Tatsächlich wurde wohl schon in den 1950er Jahren optimistisch die Jahrtausendwende als Start für Fusionsenergie angepeilt. Nun wird es wohl nicht vor 2050 soweit sein. Dennoch stehen die Fusionsforscher heute an einer ganz anderen Stelle. Mitte der 1950er Jahre war es noch völlig unklar war, wie ein Plasmaspeicher aussehen würde, wie also ein heißes Plasma sicher von Wänden ferngehalten und isoliert werden kann. Heute ist die Technologie supraleitender Magneten soweit ausgereift, dass sie zum Beispiel an Teilchen-Speicherringen wie dem Large Hadron Collider (LHC) mit großem Erfolg ein gesetzt werden. Seit den 1990er Jahren ist es zudem möglich, komplizierte Plasmakonfigurationen am Computer zu simulieren. So kann eine große Fusionsanlage zuverlässig voraus geplant werden. Technisch ist die Fusionsforschung also so weit, dass sie sich nicht mehr auf Spekulationen verlassen muss. Sie hat einen realistischen Plan.

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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. (Mehr in: BrainLogs)

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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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LHC: Teilchenbeschleuniger schafft Weltrekord

13 Teraelektronenvolt – noch nie sind bei einem Experiment Teilchen mit solcher Wucht aufeinandergeprallt wie jetzt am Europäischen Kernforschungszentrum Cern. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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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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Teilchenphysik: Die Strebertheorie wusste es wieder mal vorher

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist einfach zu gut: Vor 30 Jahren sagte es ein seltenes Phänomen vorher. Dieses spürten Forscher mit dem LHC-Beschleuniger nun auf. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Cern: Mit Crashtests auf der Suche nach purer Schönheit

Es geht wieder rund am LHC-Beschleuniger in Genf: Nach zwei Jahren Umbaupause und Holperstart soll jetzt der Nachweis für die ultimative Symmetrie des Universums her. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Cern: Teilchenbeschleuniger LHC läuft wieder rund

Zwei Jahre war die „Weltmaschine“ außer Betrieb, nun schießt sie wieder Protonenstrahlen durch einen Tunnel. Die Forscher hoffen auf Erkenntnisse über die Dunkle Materie. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Neustart von Teilchenbeschleuniger LHC: Kurzschluss legt runderneuerte „Weltmaschine“ lahm

Der Teufel steckt im Detail – besonders bei gigantischen Maschinen wie dem LHC. Ein winziger Fehler hat den Fahrplan zum Neustart des komplett erneuerten Teilchenbeschleunigers durcheinandergebracht. (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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Beschleuniger LHC: Kurzschluss verzögert Neustart am Cern

Der Neustart des Large Hadron Collider am Cern verzögert sich. Grund ist ein Kurzschluss im 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Teilchenphysik: Was wurde aus den Schwarzen Löchern vom Cern?

Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt könnte uns alle töten – so tönten Kritiker vor dem Start des LHC: Sie warnten vor Schwarzen Löchern. Nun startet der Beschleuniger wieder – mit fast doppelter Energie. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Teilchenbeschleunigers LHC: Neustart für das Teilchenkarussell

Nach langer Wartungszeit sollen die Teilchen im Genfer LHC wieder kreisen – noch schneller als zuvor. Nun soll die nächste große Frage des Universums geklärt werden: Gibt es die Supersymmetrie? (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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Teilchenbeschleuniger LHC: Neustart für die Weltmaschine

Anderthalb Jahre lang stand der mächtigste Teilchenbeschleuniger der Welt still – weil er noch kraftvoller werden sollte. Mit dem Neustart wollen Forscher nun dem dunklen Teil des Universums seine Geheimnisse entreißen. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Kernforschungszentrum Cern: Teilchenbeschleuniger LHC wird wieder angeschaltet

Nach rund zweijähriger Pause soll der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt Ende März wieder in Betrieb genommen werden. Viele Wissenschaftler sind bereits hellauf begeistert. (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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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.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Perlentaucher im Datenozean

Das EU-Projekt Crisp soll helfen, den Daten-Tsunami zu bewältigen, der am weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC entsteht.

(Mehr in: Technology Review)

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Riesiger Teilchenbeschleuniger: Cern startet Suche nach LHC-Nachfolger

Der Teilchenbeschleuniger LHC am Cern in Genf hat ein Forschungsprogramm bis zum Jahr 2035 – und trotzdem beginnt schon jetzt die Arbeit an seinem Nachfolger. Es könnte ein bis zu hundert Kilometer langer Tunnel werden. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Noch keine WIMPs gefunden

Letzten Freitag erschien in Physical Review Letters, einem etablierten Wissenschaftsjournal ein Bericht der ATLAS-Detektor-Kollaboration Search for Dark Matter in Events with a Hadronically Decaying W or Z Boson and Missing Transverse Momentum in pp Collisions [..]. Der Anfang der Überschrift „Search for…“ (Suche nach…) zeigte mir auf dem ersten Blick, dass die nichts gefunden haben. Aber weil auch negative Resultate Resultate sind und weil das so ein schöner Anlass ist, möchte ich hier kurz erklären, was es mit dieser Suche nach Dunkler Materie eigentlich auf sich hat.

Dass es Dunkle Materie gibt, ist durch astronomische Beobachtungen gut belegt. Aus der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien lässt sich ihre Masseverteilung abschätzen. Je massiver die Galaxie ist, desto schneller rotiert sie. Täte sie das nicht, so würde sie unter der Gravitationskraft zusammenbrechen. Eine weitere Abschätzung für den Massengehalt einer Galaxie ergibt sich aus ihrer Leuchtstärke. Gewöhnliche Materie besteht zum Großteil aus Wasserstoff, zu einem geringen Teil aus Helium und zu einem eher überschaubaren Teil aus schwereren Elementen. Sie leuchtet aus verschiedenen Gründen, zu denen Astronomen sicher viel mehr sagen können als ich.

Der Vergleich der Abschätzungen von leuchtender Materie und gesamter Masse in den Galaxien ergibt nun eine große Diskrepanz. Weniger als ein Fünftel der Materie ist sichtbar. Der Rest ist Dunkle Materie. Aus der Beobachtung der Galaxien lässt sich schließen, dass Dunkle Materie überall ist, also auch hier, und dass sie schwer ist, also an Gravitation teilnimmt. Mehr Eigenschaften der Dunklen Materie gibt die Beobachtung nicht her.

Heiße Kandidaten dafür, woraus Dunkle Materie besteht, sind WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), also schwach wechselwirkende schwere Teilchen. Das schwach bezieht sich dabei auf die Schwache Kernkraft. Diese Teilchen sollten also außer an der Gravitation auch noch an der Schwachen Kernkraft teilnehmen. Das ist gut, weil die schwache Kernkraft trotz ihres Namens deutlich stärker ist als Gravitation und eine Chance eröffnet, die Teilchen hier auf der Erde zu beobachten.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Existenz einer unbekannten Teilchenart nachzuweisen: Wir können nach Spuren von Teilchen suchen, die die Erde aus dem All erreichen, oder wir können versuchen, diese Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger zu erzeugen.

WIMPs finden

Da Dunkle Materie überall ist, sollte sie auch ständig die Erde erreichen. Der Grund, warum sie bisher nicht gefunden wurde, ist dann ihre schwache Interaktion mit gewöhnlicher Materie. Wir kennen bereits Teilchen, die ebenfalls schwer zu beobachten sind, die Neutrinos. Auch Neutrinos gehen fast immer ungehindert durch die Erde durch und lösen nur selten in einem Atomkern der Erde einen Betazerfall aus. In großen unterirdischen Tanks kann das nachgewiesen werden.

Um WIMPs, wenn es sie denn gibt, nachzuweisen, gehen die Forscherinnen und Forscher etwas anders vor. WIMPs sollten so massiv sein, dass sie nicht von einem Atomkern gestoppt werden können. Sie stoßen mit ihm zusammen und setzen ihn dabei in Bewegung. Sie erzeugen einen Rückstoß. Solch ein Kernrückstoß kann in unterirdischen Blasenkammern und in Detektoren aus hochreinem Germanium nachgewiesen werden.

Das Experiment mit der Blasenkammer ist dabei am einfachsten zu verstehen: Ein Tank ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Temperatur oberhalb ihres Siedepunktes liegt. Sie müsste also eigentlich verdampfen. Da dieses Verdampfen aber einen Keim braucht, also irgendeine Unebenheit an der sich Dampf bilden kann, passiert das nicht. Damit sich Dampfblasen überhaupt bilden und vergrößern können, muss genug Energie lokal zur Verfügung stehen, um die Oberflächenspannung zwischen Gas und Flüssigkeit zu überwinden. Diese Energie kann ein Kernrückstoß oder eine andere Teilchen-Wechselwirkung aufbringen.

Findet irgend wo in dem Behälter eine Bewegung von Atomkernen statt, die ausreichend Energie hat um einen Blasenkeim zu bilden, so wächst um diese Bewegung herum sofort eine kleine Blase, die eine messbare Druckwelle1 erzeugt und sichtbar ist. Von außen kann das mit mit Mikrofonen und Kameras beobachtet werden.

Auch andere Wechselwirkungen erzeugen Blasen. Würde man solch eine Blasenkammer auf der Erdoberfläche betreiben, so würden kosmische Strahlen, also Myonen, ganze Spuren von Blasen erzeugen. Außerdem ist Radongas fast überall und kann sich in die Kammer einschleichen und kurze Spuren von Alpha-Strahlung erzeugen, die optisch nicht von einzelnen Blasen unterscheidbar sind. Zum Glück klingen die aber in den Mikrofonen ganz anders. Zu guter letzt erzeugen auch Neutronen, die bei radioaktiven Zerfällen und spontaner Kernspaltung entstehen können, Kernrückstöße, die von den durch WIMPs erzeugten ununterscheidbar sind.

Die COUPP Collaboration hat  eine mit vier Kilogramm Flüssigkeit gefüllte Blasenkammer betrieben und dabei vom September 2010 bis August 2011 zwanzig Kandidaten für durch WIMPs erzeugte Einzelblasen und drei Mehrfachblasen gefunden.

Diese Kandidaten sind mit etwas Vorsicht zu genießen, weil es einen Hintergrund gibt. Um diesen so gering wie möglich zu halten, fand das Experiment zwei Kilometer unter der Erde im unterirdischen Labor SNOWLAB in Kanada statt. Dieses Labor hat eine extrem geringe Umweltradioaktivität.

Trotzdem ergaben die Voruntersuchungen der Kollaboration, dass etwa acht Radonzerfälle täglich in der Kammer zu erwarten sind. In der Regel kann man die akustisch gut von WIMP-Rückstößen unterscheiden, aber dass die eine oder andere der zwanzig Blasen doch durch Radon erzeugt wurde, ist nicht unmöglich. Außerdem ließ sich auch der Einfluss von Neutronen nicht ausschließen. Abschätzungen ergaben, dass in dieser Messperiode etwa sechs Einzelblasen und ein bis zwei Mehrfachblasen durch Neutronen auftreten sollten.

Das COUPP Experiment macht also Hoffnung, dass es WIMPs tatsächlich geben könnte. Von einer Entdeckung sollten wir hier noch nicht sprechen.

WIMPs herstellen

Den zweiten Weg geht das eingangs erwähnte Experiment am ATLAS-Detektor im LHC am CERN und andere Experimente mit ähnlichem Gedanken. Wenn WIMPs existieren, lassen sie sich auch in einem Teilchenbeschleuniger erzeugen. Schließlich nehmen sie an der Schwachen Wechselwirkung teil. Teilchenerzeugungen durch Schwache Wechselwirkungen sind am Teilchenbeschleuniger Alltag.

WIMPs selbst sind für die Detektoren unsichtbar. Sie wechselwirken kaum mit anderer Materie und können deshalb vom Detektor nicht gestoppt werden. Wie ihre kleinen Verwandten, die Neutrinos, verlassen sie den ATLAS-Detektor ohne eine Spur zu hinterlassen. Würden bei einer Kollision von Teilchen im ATLAS-Detektor ausschließlich WIMPs entstehen, so wäre nichts zu beobachten. Wenn sie aber gemeinsam mit anderen Teilchen entstehen, machen sie sich durch einen fehlenden Impuls bemerkbar.

Das ist also die Strategie der WIMP-Suche am LHC: Gesucht wird nach Ereignissen, bei denen eindeutig die Produktion eines bestimmten Teilchens nachgewiesen werden kann und ein großer Teil von Impuls und Energie fehlt. Der fehlende Anteil ist dann ein WIMP-AntiWIMP-Paar2.

Im Vorliegenden Experiment ist das bekannte Teilchen ein W-Boson, dessen Charakteristik sehr gut bekannt ist und das deshalb identifiziert werden kann. Es wurden gut siebenhundert Ereignisse mit W-Boson und fehlender Energie über 350 Gigalelektronenvolt und knapp neunzig Ereignisse mit mehr als 500 Gigaelektronenvolt fehlender Energie gefunden. Allerdings lassen sich diese Zahlen durch Hintergrundereignisse gut erklären. Fehlende Energie gibt es nämlich auch in Prozessen, in denen Neutrinos den Detektor verlassen oder andere Leptonen unentdeckt bleiben.

Auch die vorliegenden Ergebnisse vom CERN weisen also nicht auf eine unmittelbar bevorstehende Entdeckung von WIMPs hin. Die Experimente gehen aber weiter, denn es handelt sich um Daten, die bei der weitergehenden Untersuchung des gefundenen Higgs-Bosons ohnehin anfallen.

(Mehr in: Quantenwelt)

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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.

 

(Mehr in: Quantenwelt)

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Größter Teilchenbeschleuniger LHC: Der Riese ruht

Mehr als drei Jahre war LHC im Einsatz, bis man das lang gesuchte Higgs fand. Nun wird der größte Teilchenbeschleuniger der Welt gewartet – und für das nächste Abenteuer gerüstet. Ein Ortstermin. (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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Wieviel elementare Bausteine des Universums gibt es?

Die Daten der großen Detektoren wie dem CMS am CERN in Genf ermöglichen es, den Aufbau der Materie im Detail zu untersuchen. (Bild: KIT/ Markus Breig)
Die Daten der großen Detektoren wie dem CMS am CERN in Genf ermöglichen es, den Aufbau der Materie im Detail zu untersuchen.
(Bild: KIT/ Markus Breig)

Wie viele Materieteilchen gibt es in der Natur? Diese Frage beschäftigt die Teilchenphysiker schon eine lange Zeit. Sind es die 12 Materieteilchen, die das Standardmodell der Teilchenphysik enthält? Oder gibt es Weitere, die nur zu massereich sind, um in den bisherigen Experimenten erzeugt zu werden? Continue reading „Wieviel elementare Bausteine des Universums gibt es?“

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Angst vor Weltuntergang: Klage gegen Cern endgültig gescheitert

Kann der Teilchenbeschleuniger LHC die Erde zerstören? Aus Angst vor Schwarzen Löchern zog eine Deutsche gegen das Forschungszentrum Cern vor Gericht. Nun ist ihre Klage endgültig gescheitert.
Quelle: SPIEGEL 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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Kernforschungszentrum: Cern-Physiker finden bisher unbekanntes Teilchen

Entdeckung am Kernforschungszentrum Cern: Physiker haben mit Hilfe des Teilchenbeschleunigers LHC ein bisher unbekanntes Partikel nachgewiesen. Es gehört zu den Baryonen – und ist ein besonders exotisches Gebilde.
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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Teilchenbeschleuniger am Cern: LHC erzeugt Mini-Urknall

Der Start des Teilchenbeschleunigers LHC war von Pannen überschattet. Inzwischen hat die Forschung an der Riesenmaschine begonnen. Im November konnten die Physiker im Experiment Zustände wie beim Urknall herstellen.
Quelle: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft

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LHC: Teilchenbeschleuniger produziert Mini-Urknall

Der weltgrößte Teilchenbeschleuniger LHC ist in eine neue Phase getreten: Erstmals haben Forscher Blei-Ionen kollidieren lassen. Dabei sind unvorstellbare Temperaturen entstanden – und ein winziger Urknall.
Quelle: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft