Posts Tagged ‘Geoneutrinos’

Der Large Hadron Collider treibt das Higgs-Teilchen, die Supersymmetrie & Co. in die Enge

26. Juli 2011

Der Hochsommer ist die Zeit der großen Tagungen der Teilchenphysik, und dieses Jahr steht natürlich der Large Hadron Collider im Zentrum: nicht mit Entdeckungen, worunter man den Nachweis eines neuen Teilchens oder Effekts mit 5 Standardabweichungen (Sigma) Signifikanz versteht, ja nicht einmal “Evidenz” (3 Sigma). Sondern mit harten Limits für all die gesuchten Phänomene, für die immer weniger ‘Platz’ bleibt, um sich noch zu verstecken: Das gilt ebenso für das letzte noch unentdeckte Teilchen des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik, das Higgs, wie auch für Erweiterungen des SM in Richtung Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen etc. Die Datenmenge, die der LHC inzwischen eingefahren hat, ist deutlich größer als geplant, und täglich wird die Proton-Proton-Kollisionsrate weiter gesteigert: Nicht erst Ende 2012, wie das CERN-Management weiter konservativ verspricht, sondern schon diesen Herbst oder Winter könnten die ersten harten Aussagen möglich werden, hieß es vielfach auf der International Europhysics Conference on High Energy Physics, die derzeit in Grenoble läuft.

Das größte Interesse gilt dabei natürlich dem Higgs-Teilchen, das das SM abschließen und u.a. erklären würde, wie alle anderen Teilchen zu ihren Massen kommen – seine Masse selbst lässt sich indes nur sehr vage mit 100 bis 600 Protonenmassen = 95 bis 550 GeV/c^2 vorhersagen. Bereits der LHC-Vorgänger LEP hat nachgewiesen, dass das Higgs mindestens 114 GeV schwer sein musste, und der US-Beschleuniger Tevatron und nun der LHC haben den noch erlaubten Massenbereich immer weiter eingegrenzt: Verboten sind nun 155-190 und 295-450 GeV (LHC-Atlas, 95% Confidence) bzw. 149-206 und 300-440 GeV (LHC-CMS). Die beiden Tevatron-Detektoren CDF und D0 schließen derweil 157-174 bzw. 162-170 GeV aus. Die Limits aus diversen Detektoren einfach addieren darf man übrigens nicht; gemeinsame Limits zu berechnen ist kompliziert. Kurioserweise zeigt sich im erlaubten Bereich unter 150 GeV bei beiden LHC-Detektoren derzeit ein “Exzess”, d.h. ein vager Hinweis auf Teilchen mit weniger als 3 Sigma Signifikanz: bei 120-145 GeV mit 2.8 Sigma bei ATLAS und bei 130-150 GeV mit ca. 2 Sigma bei CMS.

Da allerdings beide Detektoren sehr ähnliche Mathematik zur Berechnung des Hintergrunds verwenden, auf dem dieses potenzielle Signal eines massearmen Higgs sitzt, handelt es sich nicht wirklich um eine gegenseitige Bestätigung, und gejubelt wird nicht. Auch das Tevatron sieht bei 140 GeV etwas, freilich nur mit nur 1 Sigma und daher kaum relevant, während LHCs ATLAS auch noch einen schwachen Exzess im erlaubten ‘schwereren’ Bereich bei 250 GeV hat. Der gute Lauf des LHC, der bis Jahresende fünfmal so viele Kollisionen wie bisher eingefahren haben sollte, dürfte dafür sorgen, dass die Exzesse nun binnen weniger Monate entweder zu Evidenz und schließlich Entdeckungen werden (was man daran erkennen würde, dass bei ATLAS wie CMS das Signal parallel weiter wächst) – oder aber ebenso verschwinden wie diverse andere vor ihnen. Das Higgs ist also eingekesselt, und spätestens nächstes Jahr wird klar sein, ob es existiert oder nicht: Beides wäre für die Physik spannend, letzteres sogar auf- und für die Zukunft auch anregender aber auch ziemlich unheimlich.

Derweil hat der LHC inzwischen auch scharfe Limits für zahlreiche von Theoretikern erdachte Erweiterungen des SM geliefert, denn weder Teilchen der Supersymmetrie noch Hinweise auf zusätzliche Raumdimensionen auf kleiner Skala (was die Entstehung der berüchtigten Schwarzen Mini-Löcher fördern würde) oder unbekannte Bosonen oder sonstige schwere Teilchen sind bisher in den Kollisionsdaten zu sehen, und die Quarks bleiben auch bei den bisherigen LHC-Energie punktförmig. “Niedrig hängende Früchte” für den teuren Beschleuniger, auf die so mancher Physiker heimlich gehofft hatte, gibt es damit offenbar nicht, und in Grenoble machte sich bei aller Begeisterung über die Leistung des LHC, der nun reihenweise theoretische Vorhersagen mit der Realität konfrontiert, auch etwas Frust breit. Konkret für die populäre Supersymmetrie bedeutet das bisherige LHC-Nullresultat bereits, dass ihre einfachste Variante kaum mehr zu halten ist, da unter ~900 GeV keine “Spartikel” gefunden wurden: “Die Luft wird dünn,” hieß es in Grenoble.

Rasant geht es nun jedenfalls weiter: Bereits morgen werden auf der Tagung die gemeinsamen Higgs-Limits der beiden Tevatron-Detektoren präsentiert [NACHTRAG: Danach ist 156-177 GeV ausgeschlossen], im August dann in Mumbai gemeinsame der beiden LHC-Detektoren [NACHTRAG: die zusammen derzeit etwas bei 144 GeV mit 2.9 Sigma sehen]. Und ein britischer Buchmacher geht bei Wetten auf das Higgs neuerdings klar von seinem Nachweis noch 2011 aus … Physics World Blog, Symmetry Breaking, Basler Zeitung 26., Nature News & Blog, Quantum Diaries, New Scientist, Not Even Wrong, Cosmic Log, Independent, BBC, Space.com, Science Journalism Tracker 25., BBC, Ian Sample 24., BBC, KosmoLogs 23., Nature News, Physics World, Symmetry Breaking (mehr), Science Now, New Scientist Blog, Quantum Diaries 22.7.2011. Auch Fermilab Relase 20., Ars Technica 21., Welt der Physik 22.7.2011 zu einem neuen Baryon (aus strange, up & bottom) vom Tevatron und Nature News 23., Spiegel 15., Symmetry Breaking 14.7.2011 zu weiteren aktuellen Tevatron-Entdeckungen (asymmetrische Quarks bzw. ein seltener Zerfall) sowie DLF 26.7.2011 zum möglichen LHC-Nachfolger CLIC

Geoneutrinos: Halbe innere Erdwärme von Radioaktivität

Gleich 111 (Anti-)Neutrinos aus dem Erdinneren hat das japanische KamLAND-Experiment einfangen können, eine Größenordnung mehr als bei früheren Experimenten (“10±4 Neutrinos …”): Daraus lässt sich berechnen, dass der radioaktive Zerfall im Erdinneren ungefähr 20 Terawatt Leistung erbringt, in ganz gutem Einklang mit theoretischen Modellen zur Menge der radioaktiven Isotopen. Da aber insgesamt 44 TW aus dem Erdinneren dringen, muss es noch andere Quellen geben: vielleicht aus der Entstehung des Sonnensystems herüber gerettet, vielleicht von einem anderen Prozess erzeugt. (Physics World, New Scientist 19.7.2011)

Spielt die Rotation der Milchstraße eine Rolle … in der Teilchenphysik? Das Frame-dragging von Materie durch das Schwerefeld der rotierenden Milchstraße bringen jetzt Theoretiker ins Spiel, um die CP-Verletzung bei bestimmten Teilchenzerfällen in den Griff zu bekommen: Das wiederum könnte den Weg zur Erklärung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie nach dem Urknall weisen. (Hadley, Preprint 8., Warwick Release, Space.com 14.7.2011. Auch Physics World 25.7.2011 zur leichteren Positronium-Herstellung und BdW 8.6.2011 zum Langzeit-Fang von Antimaterie)

Erste 7-TeV-Kollisionen im LHC ab dem 30. März

23. März 2010

In genau einer Woche soll zum ersten Mal versucht werden, im Large Hadron Collider zwei Protonenstrahlen mit je 3.5 TeV Energie zur Kollision zu bringen, nachdem diese Energie am Freitag erreicht worden war (“Mit großen …”). Bis zu einem Routinebetrieb mit Kollisionen ohne Ende dürfte es aber noch dauern, auch beim LHC-Vorgänger LEP klappte es nicht schon am ersten Tag. Gleichwohl ist für den 30. März ein ähnlicher PR-Wirbel geplant wie 2008 anlässlich der allerersten Strahlen im Tunnel: Da es diesmal um Kollisionen geht, darf man – vor Ort bzw. per Webcast – auch auf Live-Daten aus den großen Detektoren hoffen. NACHTRÄGE: Nature News zu den sozialen(!) Aspekten des LHC mit seiner Unmenge an Wissenschaftlern und ein UCLA Press Release zu den Erwartungen.

10±4 Neutrinos aus dem Inneren der Erde aufgefangen

hat der Borexino-Detektor im Gran-Sasso-Motiv: Mit einer Wahrscheinlichkeit von 99.997% ist damit der erste direkte Nachweis vom von radioaktivem Zerfall tief im Inneren der Erde gelungen, der nach den Zahlen für 50 bis 100% ihrer inneren Wärmequelle sorgt, welche wiederum die Triebfeder manch geologischen Prozesses ist. Im Prinzip scheint der Nachweis solcher Geoneutrinos auch schon 2004 mit dem japanischen KamLAND-Detektor gelungen zu sein, doch er hat wegen der vielen Kernkraftwerke in der Umgebung einen enormen Hintergrund – im Gegensatz zum Borexino-System, das auch sonst besonders frei von radioaktivem Material gehalten wurde.

Die Geoneutrinos stammen im Wesentlichen vom Zerfall von Uran und Thorium etc., wenn auch quantitative Aussagen noch vage bleiben: Weitere Messungen, auch mit anderen Neutrinodetektoren rund um den Globus, sollten demnächst einen noch klareren Blick durch dieses neue Fester (neben Seismologie und Schwerkraftmessung) ins tiefe Erdinnere erlauben. Dass dort ein Kernreaktor für die innere Wärme sorgt, schließen die Borexino-Daten aber schon jetzt aus. (Borexino Collab., Preprint 20., MPI für Kernphysik PM 15., PhysOrg 16., Welt der Physik 19.3.2010, ASPERA Newsletter 3/2010) NACHTRAG: Die Japaner sagen, ihre Daten wären schon genau so klar gewesen.

Vage – astrophysikalische! – Hinweise auf “sterile” Neutrinos sehen manche in Daten des Chandra X-ray Observatory und auch des WMAP-Satelliten, dessen 7-Jahres-Daten mit 4 statt der allgemein akzeptierten 3 Neutrino-Familien vereinbar sind; Laborexperimente sprechen allerdings eher gegen die zusätzliche (und noch viel schwerer direkt nachzuweisende) Neutrino-Variante. Auch hier bleibt das Gesamtbild konfus. (Nature 17.3.2010 S. 334-5)

Die Korrelation von UHECRs und AGN schwindet

Zwar mag man das Teilchen der Kosmischen Strahlung mit der höchsten je gemessenen Energie einem Quasar zuschreiben (“Kam das Auger-Teilchen …”), doch eine 2007 publizierte Korrelation dieser UHECR-Teilchen mit Aktiven Galaxien-Kernen ist seither immer schwächer geworden: Weniger als 40% passen jetzt noch. Dafür scheinen aber überraschenderweise Eisen-Kerne einen wesentlichen Anteil auszumachen, was wiederum andere Experimente nicht bestätigen – das Bild der Kosmischen Strahlung höchster Energie wird im Augenblick wieder konfuser … (Back Reaction 8.11.2007, Science News 4.5., 18.6.2009, Pierre Auger Collab., Preprint 3., Nature 22.2.2010 S. 1011)

“Dunkle Materie auf dem Schreibtisch” – na ja, nicht ganz: Vielmehr hat sich herausgestellt, dass sich sogenannte topologische Isolatoren ähnlich verhalten wie die hypothetischen Axionen, einer der populäreren Kandidaten für die Dunkle Materie des Universums. Laborexperimente könnten so immerhin helfen, die Eigenschaften der Axionen besser zu beschreiben, was wiederum der astronomischen Suche nach ihnen dienen mag. (SLAC Press Release 15.3.2010)


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