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Teilchenphysik: Ein Riesenbeschleuniger löst die Riesenprobleme nicht

Cern - Vorschlag für 100-Kilometer-Teilchenbeschleuniger

Die Physik steckt in einer Krise, deshalb wollen Forscher einen gigantischen Teilchenbeschleuniger bauen, der mehr als 20 Milliarden Euro kostet. Doch die Welt hat dringendere Probleme.

Quelle: SZ.de

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Gender-Wahn und Gender-Sinn: Sexismus in der Teilchenphysik und der Fall Strumia

Vor einigen Wochen stand die Welt der Teilchenphysik wieder einmal Kopf. Das Ungewöhnliche dabei: Dieses mal ging er nicht um eine Anomalie in den Daten, einen möglichen neuen Effekt oder ein bisher unentdecktes Teilchen. Der … Weiterlesen (Mehr in: BrainLogs)

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Cern: Teilchenbeschleuniger spielt Urknall nach

Wie entstand Materie im Weltall? Physiker am weltweit größten Forschungszentrum für Teilchenphysik wollen genau diese Frage beantworten – und spulen dafür 14 Milliarden Jahre zurück. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Gender-Workshop am Cern: Physiker beleidigt Kolleginnen und wird suspendiert

„Die Physik wurde von Männern erfunden und aufgebaut“: Ein Physiker am weltweit größten Forschungszentrum für Teilchenphysik hat sich diffamierend über Frauen geäußert. Das hat Konsequenzen. (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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Gastbeitrag: Kleine Teilchen, große Faszination

Heute unternehmen wir sozusagen einen Quantensprung – denn in diesem Beitrag geht es in die Welt der Teilchen- und Astroteilchenphysik! Das “Netzwerk Teilchenwelt” ist ein Projekt, in dem naturwissenschaftlich interessierte Jugendliche nicht nur etwas lernen, … Weiterlesen (Mehr in: BrainLogs)

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Teilchenphysik: Cern entdeckt ein neues Teilchen. Und jetzt?

Sein Name klingt kryptisch, niemand hatte es je gesehen, doch Physiker ahnten: Es muss es geben. Am Genfer Teilchenbeschleuniger wurde ein Xi cc++ entdeckt. Was ist das? (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Von der Beschreibung zur Erklärung

Stringtheorien gelten als mögliche Anwärter auf die nächste große Vereinheitlichung physikalischer Theorien. Was man von ihnen erwarten kann war unter anderem Thema im Omega Tau Podcast Episode 191. Hier interviewt Markus Voelter den DESY-Stringtheoretiker Alexander Westphal. Das Interview dauert etwas 2¾ Stunden. Zwei Aspekte sind mir dabei aufgefallen, die Jacob Bronowski in der BBC Serie „The Ascent of Man“ sehr schön dargestellt hat. Zwei wichtige Ziele naturwissenschaftlicher Forschung.

Bronowskis Dokumentation „The Ascent of Man“ erschien 1973 im britischen Fernsehsender BBC2. In dreizehn Folgen präsentiert der Autor eine persönliche Darstellung des Aufstiegs der Menschheit durch kulturelle Evolution. Es ist also im wesentlichen eine Ideengeschichte der Naturwissenschaft und Technik. Auch wenn die Sicht von vor über 40 Jahren in Teilen veraltet ist, ist die Serie im Ganzen empfehlenswert. Sie gibt einen schönen Überblick über die Geschichte von Biologie, Chemie und Physik. Aufgrund des persönlichen Charakters kann Bronowski einige überraschende Akzente setzen. Andere Standpunkte einnehmen als in einer Lehrbuchdarstellung zu erwarten sind.

Hier möchte ich auf Episode 6 eingehen: „The Starry Messenger“. Diese Episode beginnt auf den Osterinseln und Bronowski leitet mit der Frage ein, warum es nicht die Hochkulturen Südamerikas waren, die die Kugelgestalt der Erde entdeckt haben, sondern die arabisch-europäische Astronomie mit ihren griechischen Wurzeln. Seiner These nach ist es die Erfindung des Rads als Transportmittel und mechanisches Werkzeug.

„Wheels within wheels“, Räder in Rädern war das gängige Modell für den Kosmos beginnend in der Antike bis in die Renaissance. Bronowski zeigt das eindrucksvoll am Astrarium von Giovanni de Dondi von 1364. Einem Modell, in dem die Bahnen der sieben damals bekannten Planeten von Uhrwerken getrieben dargestellt sind. Sieben Zifferblätter mit Rädern die in Rädern laufen. Je eines für die klassischen sieben Planeten: Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter und Saturn. Bronowskis Kommentar: Die Schwäche dieses Himmelsmodells ist nicht, dass es kompliziert ist, sondern dass es sieben Mechanismen braucht. Eine gute Beschreibung sollte mit einem auskommen.1

In diese Richtung war der Perspektivenwechsel vom erdzentrischen zum sonnenzentrischen System, angestoßen durch Kopernikus, der richtige Weg. Vollendet wurde er erst durch Kepler, der seine drei bekannten Gesetze aufstellte. Damit schuf er ein Modell, das die Bahn jeden Himmelskörpers beschreibt. Leider auf Kosten der Kreisbahnen. Die Planeten kreisen auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne liegt.2

Nun gibt sich die Physik nicht mit guten Beschreibungen zufrieden. Was wir eigentlich wollen sind Erklärungen. Nicht wie sich die Planeten auf ihren Bahnen bewegen wollen wir wissen, sondern warum sie es tun. So leitet Bronowski in der siebente Episode die Arbeiten Newtons mit den Worten ein: „From the descriptions of the past to the explanations of the future“. Es ist ein großer Schritt, alle Planetenbewegungen durch Ellipsen zu beschreiben, die denselben Regeln gehorchen. Ein weiterer notwendiger Schritt ist es, diese Regeln auf ein Kraftgesetz zurückzuführen, wie Newton es getan hat. Später dann hat Einstein das Kraftgesetz durch Raumzeit-Krümmung erklärt.

Spätestens im Zeitraum von Kopernikus bis Newton, also im 16. und 17. Jahrhundert haben sich die beiden Ansprüche an die Physik herausgebildet: 1) Ähnliche Vorgänge sollten durch dieselben Regeln beschrieben werden können. 2) Diese Regeln sollten erklärbar sein, also möglichst nicht nur willkürlich der Beobachtung angepasst werden. Beim Hören des eingangs erwähnten Podcast-Interviews ist mir aufgefallen, dass sich die Stringtheorie genau diese Ansprüche auferlegt. Stringtheorien sind angetreten, die unterschiedlichen Felder und Teilchen des Standardmodells auf verschiedene Schwingungen derselben Objekte zurückzuführen. Aus dem Interview wird deutlich, dass das bisher nicht gelungen ist, es aber mathematische Strukturen gibt, die möglicherweise in diese Richtung gehen werden. Weiter erwähnt Alexander Westphal, dass es manchmal schwer ist, diese mathematischen Strukturen zu erklären.

Hier zeigt sich die Bestrebung, nicht nur irgendeine Beschreibung zu finden, sondern ein greifbares Konzept, das diese Beschreibung notwendig erscheinen lässt. So wie Ellipsenbahnen mit dem Zentralkörper in einem Fokus der Ellipse immer notwendig sind, wenn eine Kraft mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt.3

Zugegeben: Stringtheorien sind weit davon entfernt, die Teilchenphysik zu beschreiben oder gar zu erklären. Vielleicht werden sie auch zu etwas ganz anderem führen. Kopernikus führte das sonnenzentrierte System ursprünglich ein, um die einfachen Kreisbahnen zu retten. Das hat in letzer Instanz zur Überwindung der Kreisbahnen geführt. Vielleicht werden die Stringtheorien auch die jetzigen Ansätze unnötig machen und zu etwas ganz anderem führen. Das wäre auch ein nützliches Ergebnis.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Von der Beschreibung zur Erklärung

Stringtheorien gelten als mögliche Anwärter auf die nächste große Vereinheitlichung physikalischer Theorien. Was man von ihnen erwarten kann war unter anderem Thema im Omega Tau Podcast Episode 191. Hier interviewt Markus Voelter den DESY-Stringtheoretiker Alexander Westphal. Das Interview dauert etwas 2¾ Stunden. Zwei Aspekte sind mir dabei aufgefallen, die Jacob Bronowski in der BBC Serie „The Ascent of Man“ sehr schön dargestellt hat. Zwei wichtige Ziele naturwissenschaftlicher Forschung.

Bronowskis Dokumentation „The Ascent of Man“ erschien 1973 im britischen Fernsehsender BBC2. In dreizehn Folgen präsentiert der Autor eine persönliche Darstellung des Aufstiegs der Menschheit durch kulturelle Evolution. Es ist also im wesentlichen eine Ideengeschichte der Naturwissenschaft und Technik. Auch wenn die Sicht von vor über 40 Jahren in Teilen veraltet ist, ist die Serie im Ganzen empfehlenswert. Sie gibt einen schönen Überblick über die Geschichte von Biologie, Chemie und Physik. Aufgrund des persönlichen Charakters kann Bronowski einige überraschende Akzente setzen. Andere Standpunkte einnehmen als in einer Lehrbuchdarstellung zu erwarten sind.

Hier möchte ich auf Episode 6 eingehen: „The Starry Messenger“. Diese Episode beginnt auf den Osterinseln und Bronowski leitet mit der Frage ein, warum es nicht die Hochkulturen Südamerikas waren, die die Kugelgestalt der Erde entdeckt haben, sondern die arabisch-europäische Astronomie mit ihren griechischen Wurzeln. Seiner These nach ist es die Erfindung des Rads als Transportmittel und mechanisches Werkzeug.

„Wheels within wheels“, Räder in Rädern war das gängige Modell für den Kosmos beginnend in der Antike bis in die Renaissance. Bronowski zeigt das eindrucksvoll am Astrarium von Giovanni de Dondi von 1364. Einem Modell, in dem die Bahnen der sieben damals bekannten Planeten von Uhrwerken getrieben dargestellt sind. Sieben Zifferblätter mit Rädern die in Rädern laufen. Je eines für die klassischen sieben Planeten: Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter und Saturn. Bronowskis Kommentar: Die Schwäche dieses Himmelsmodells ist nicht, dass es kompliziert ist, sondern dass es sieben Mechanismen braucht. Eine gute Beschreibung sollte mit einem auskommen.1

In diese Richtung war der Perspektivenwechsel vom erdzentrischen zum sonnenzentrischen System, angestoßen durch Kopernikus, der richtige Weg. Vollendet wurde er erst durch Kepler, der seine drei bekannten Gesetze aufstellte. Damit schuf er ein Modell, das die Bahn jeden Himmelskörpers beschreibt. Leider auf Kosten der Kreisbahnen. Die Planeten kreisen auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne liegt.2

Nun gibt sich die Physik nicht mit guten Beschreibungen zufrieden. Was wir eigentlich wollen sind Erklärungen. Nicht wie sich die Planeten auf ihren Bahnen bewegen wollen wir wissen, sondern warum sie es tun. So leitet Bronowski in der siebente Episode die Arbeiten Newtons mit den Worten ein: „From the descriptions of the past to the explanations of the future“. Es ist ein großer Schritt, alle Planetenbewegungen durch Ellipsen zu beschreiben, die denselben Regeln gehorchen. Ein weiterer notwendiger Schritt ist es, diese Regeln auf ein Kraftgesetz zurückzuführen, wie Newton es getan hat. Später dann hat Einstein das Kraftgesetz durch Raumzeit-Krümmung erklärt.

Spätestens im Zeitraum von Kopernikus bis Newton, also im 16. und 17. Jahrhundert haben sich die beiden Ansprüche an die Physik herausgebildet: 1) Ähnliche Vorgänge sollten durch dieselben Regeln beschrieben werden können. 2) Diese Regeln sollten erklärbar sein, also möglichst nicht nur willkürlich der Beobachtung angepasst werden. Beim Hören des eingangs erwähnten Podcast-Interviews ist mir aufgefallen, dass sich die Stringtheorie genau diese Ansprüche auferlegt. Stringtheorien sind angetreten, die unterschiedlichen Felder und Teilchen des Standardmodells auf verschiedene Schwingungen derselben Objekte zurückzuführen. Aus dem Interview wird deutlich, dass das bisher nicht gelungen ist, es aber mathematische Strukturen gibt, die möglicherweise in diese Richtung gehen werden. Weiter erwähnt Alexander Westphal, dass es manchmal schwer ist, diese mathematischen Strukturen zu erklären.

Hier zeigt sich die Bestrebung, nicht nur irgendeine Beschreibung zu finden, sondern ein greifbares Konzept, das diese Beschreibung notwendig erscheinen lässt. So wie Ellipsenbahnen mit dem Zentralkörper in einem Fokus der Ellipse immer notwendig sind, wenn eine Kraft mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt.3

Zugegeben: Stringtheorien sind weit davon entfernt, die Teilchenphysik zu beschreiben oder gar zu erklären. Vielleicht werden sie auch zu etwas ganz anderem führen. Kopernikus führte das sonnenzentrierte System ursprünglich ein, um die einfachen Kreisbahnen zu retten. Das hat in letzer Instanz zur Überwindung der Kreisbahnen geführt. Vielleicht werden die Stringtheorien auch die jetzigen Ansätze unnötig machen und zu etwas ganz anderem führen. Das wäre auch ein nützliches Ergebnis.

Der Beitrag Von der Beschreibung zur Erklärung erschien zuerst auf Quantenwelt.

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Blue Yonder: Die Preisfrage

Algorithmen aus der Teilchenphysik sagen das Kaufverhalten von Kunden vorher.

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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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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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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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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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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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Was ist Radioaktivität?

Die uns bekannte Materie besteht aus verschiedenen Molekülen, die sich wiederum aus Atomen zusammensetzen. Der Begriff atomos stammt aus der antiken griechischen Naturphilosophie und bedeutet „unteilbar“. Wir wissen heute, dass Atome sich doch teilen lassen und aus verschiedenen Komponenten bestehen. (Diese Komponenten, die Elementarteilchen, sind jedoch nicht ihrerseits teilbar, sondern lassen sich nur in andere Teilchen umwandeln – aber diese Diskussion führt weg von der Atommüll-Debatte und hin zur Teilchenphysik und Quantenphilosophie.) Atome bestehen aus einer Hülle von leichten Elektronenweiter (Mehr in: BrainLogs)

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Geteilter Preis

Anlässlich des Physiknobelpreises, der dieses Jahr an Peter W. Higgs und François Englert für die theoretische Vorhersage des Higgs-Mechnismus gehen wird. Ist auf Twitter eine Diskussion entstanden, wie der Preis eigentlich aufgeteilt werden kann und ob er auch zum Teil oder ganz an das CERN hätte gehen können oder sollen. Dazu machen die Statuten des Preises sehr präzise Vorgaben:

§ 4.
A prize amount may be equally divided between two works, each of which is considered to merit a prize. If a work that is being rewarded has been produced by two or three persons, the prize shall be awarded to them jointly. In no case may a prize amount be divided between more than three persons.

Work produced by a person since deceased shall not be considered for an award. If, however, a prizewinner dies before he has received the prize, then the prize may be presented.

Each prize-awarding body shall be competent to decide whether the prize it is entitled to award may be conferred upon an institution or association.

Der erste Satz des ersten Absatzes legt fest, dass der Preis auf zwei Arbeiten verteilt werden kann. Der zweite Satz bestimmt, dass für eine Arbeit auch zwei oder drei Menschen gewürdigt werden dürfen. Im dritten wird aber eingeschränkt, dass maximal drei Personen insgesamt mit einem Nobelpreis bedacht werden dürfen. Schließlich wird im dritten Absatz noch dem Komitee die Kompetenz zugesprochen zu entscheiden, ob der Preis auch einer Institution gegeben werden kann. Das ist beim Friedensnobelpreis üblich, in der Physik noch nicht vorgekommen.

Die Option, den Preis zu Teilen oder nicht, ist bereits in allen denkbaren Kombinationen vorgekommen (hier die Liste aller Physiknobelpreise). So wurde der allererste Nobelpreis für Physik Wilhelm Conrad Röntgen allein für die Entdeckung der Röntgenstrahlung verliehen. Dieses Jahr bekommen Higgs und Englert gemeinsam den Preis für den Higgs-Mechanismus und 2004 wurde der Preis David J. Gross, H. David Politzer und Frank Wilczek zu je einem Drittel für die Entdeckung der Asymptotischen Freiheit in der Starken Wechselwirkung verliehen.

Zwei Forscher für je eine Arbeit erhielten den Preis zuletzt 1995: Martin L. Perl für die Entdeckung des Tau-Leptons und Frederick Reines für die Entdeckung des Neutrinos. Für zwei Arbeiten und insgesamt drei Personen gab es den Nobelpreis zuletzt 2009: Charles Kuen Kao für Lichtleiter für optische Kommunikation und Willard S. Boyle und George E. Smith für den CCD-Sensor, also mittelbar für Digitalkameras. In diesem Fall bekam Kao die Hälfte des Preisgeldes und Boyle und Smith je ein Viertel.

Damit sind schon alle Möglichkeiten ausgeschöpft, denn der Preis darf nicht an mehr als drei Personen gehen. Er kann verliehen werden für

  • eine Arbeit an
    1. eine Person,
    2. zwei Personen oder
    3. drei Personen oder
  • für zwei Arbeiten an
    1. je eine Person oder
    2. eine Person für die eine und zwei für die andere Arbeit.

 Organisationen

Das Komitee hätte auch entscheiden können, den Preis zu teilen. Eine Hälfte hätten sie für die Theorie an Higgs und Englert und eine Hälfte für das Experiment an CERN geben können. Das wäre dann die letzte der oben aufgezählten Möglichkeiten. Mit der Besonderheit, dass sich das Komitee für Physik erstmals entschieden hätte, eine Organisation auszuzeichnen. In dem Fall hätte das CERN die Hälfte des Preises bekommen und die beiden Menschen hätten je ein Viertel bekommen.

Bis vor Kurzem hätte ich das noch für eine gute Idee gehalten aber nach näherem Nachdenken halte ich das für falsch. Das CERN ist nämlich nicht der eigentliche Entdecker des Higgs-Bosons. Es wurde von den beiden Experiment-Kollaborationen ATLAS und CMS gefunden. Das ist jetzt keine Spitzfindigkeit, denn diese Kollaborationen sind nicht Teil des CERN, sondern Zusammenschlüsse von Arbeitsgruppen der experimentellen Teilchenphysik aus vielen Ländern. Die ATLAS-Kollaboration setzt sich zum Beispiel aus über 3000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus 174 Institutionen aus 38 Ländern zusammen. CERN ist in dieser Kollaboration also nur eine von 174 Organisationen.

Hätte sich das Nobelpreis-Komitee dafür entschieden, ATLAS und CMS auszuzeichnen, so hätte der Preis für die theoretische Vorhersage nur noch an einen Wissenschaftler gehen können. Zudem wären nur die Experimente, die die Kollisionen gemessen haben, nicht aber der Beschleuniger ausgezeichnet worden, der die Strahlen einmaliger Brillianz und Energie bereitgestellt hat. Vielleicht ist ja irgendwann einmal ein Nobelpreis dran für die präzise Vermessung der Welt im Teraelektronenvolt-Bereich: An CERN für die Bereitstellung der Protonenstrahlen und an ATLAS und CMS für die Messungen. Dieses Jahr feiern wir die Beiträge von François Englert und Peter W. Higgs zum Verständnis, wie die Ruhemasse subatomarer Teilchen zustande kommt.

 

(Mehr in: Quantenwelt)

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„Gottesteilchen“: Belgier und Brite teilen sich Physik-Nobelpreis

Der Nobelpreis für Physik geht 2013 an den Belgier François Englert und den Briten Peter Higgs. Mit ihren Forschungen haben sie zum Verständnis der Teilchenphysik beigetragen. (Mehr in: RSS-Feed Wissenschaft – die neusten Meldungen zum Thema Wissenschaft von STERN.DE)

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Teilchenphysik-Quiz: Faszination des Winzigen

Winzige Teilchen, riesige Maschinen, um sie zu entdecken – und die Frage, warum das Universum überhaupt existiert: Teilchenphysik fasziniert. Wie gut Sie sich mit Quarks, Higgs-Bosonen und der rätselhaften Antimaterie auskennen, können Sie im Quiz testen.
Quelle: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft

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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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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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Teilchenphysik: Neue Datenspur zum Higgs-Boson

Es ist ein weiterer Schritt zur Entdeckung des lange gesuchten Higgs-Bosons. US-Forscher haben auf einer Tagung in Italien Daten vorgestellt, die bisherige Schätzungen zur Masse unterstützen. Ein endgültiger Beweis ist das noch nicht.
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?“