Posts Tagged ‘Relativitätstheorie’

Gravity Probe B bestätigt Allgemeine Relativität – aber wer brauchte das noch?

6. Mai 2011

Kann man ein Forschungsprojekt als Erfolg verbuchen, bei dem 52 Jahre von der Idee bis zum Abschluss vergangen sind, das über 750 Mio.$ gekostet und dessen Entwicklung nebenher eine Menge bemerkenswerter Technologien abgeworfen hat – aber dessen Ergebnis, das aus genau zwei Zahlen besteht, in der Zwischenzeit längst von anderen Methoden mit wesentlich kleineren Fehlerbalken eingefahren wurde, wenn auch nicht ganz so direkt? Genau das ist die Quintessenz des Satelliten Gravity Probe B aus Artikel 889: erdacht 1959, ein (mehrfach abgebrochenes und dann wieder belebtes) NASA-Projekt von 1963 bis 2008. Und Abschluss am 4. Mai 2011 (oben der Chefwissenschaftler F. Everitt – seit 1962 dabei – auf einer NASA-PK; hinter dem Screenshot liegen weitere Bilder) mit der Feststellung: Zwei von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte Effekte durch das Schwerefeld der Erde und den von ihrer Rotation quasi mitgeschleiften Raum auf vier ansonsten störungsfrei in einem Satelliten im Erdorbit rotierende Kugeln treten in genau dieser Größe ein.

Die geodätische Drift beträgt -6602±18 Millibogensekunden (mas) pro Jahr (a) bei vorausgesagten -6606 mas/a, das Frame-Dragging durch Gravitomagnetismus -37±7 mas/a (Theorie: -39 mas/a). Damit sind die Effekte auf 0.3% bzw. 19% genau bestätigt – dumm nur, dass im vergangenen Jahrzehnt Messungen an anderen Satelliten, der Mondbahn und im interplanetaren Raum beide Effekte mit um Größenordnungen höherer Genauigkeit – und ebenfalls im Einklang mit der Allgemeinen Relativität – vorgefunden haben: Der einzige Vorteil der Gravity Probe-Messungen ist, dass sie etwas direkterer Natur und ein kontrolliertes Experiment waren. Oder auch wieder nicht, denn unerwartete elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den superpräzisen Kugeln in dem Satelliten und ihrer Einkapselung führten zu gewaltigen zusätzlichen Drehmomenten, die wenigstens teilweise heraus zu rechnen – die eigentlichen Messungen hatten von August 2004 bis August 2005 gedauert (siehe Artikel B31) – viele Jahre erfordert hatte.

Darin liegt eine weitere Ebene der Tragik dieses ungewöhnlichen Projekts: Wäre nämlich etwas anderes als die Einstein’schen Driftraten heraus gekommen, dann hätte das jeder auf Restfehler der Messung zurück geführt. Jetzt konnte zwar das “richtige” Ergebnis präsentiert werden – wenn auch mit deutlich größeren Fehlerbalken als ohne den elektrostatischen Ärger zu erwarten gewesen wären – aber keinerlei neue Erkenntnis über das Wesen der Gravitation. Auf einer ziemlich nervigen Pressekonferenz der NASA (die die Finanzierung während der hoffnungslos scheinenden Datenauswertung abgebrochen hatte; die letzten 3 Jahre hielten Sponsoren – u.a. aus Saudiarabien! – das Projekt am Leben) gab es daher schlicht nichts über pyhsikalische Erkenntnisse zu hören. Stattdessen wurden im Wesentlichen Errungenschaften beim Lösen von technischen und Management-Problemen gefeiert … Stanford, Lockheed Martin, NASA Releases, Science@NASA 4.5.2011; Sky & Tel., NPR, Starts with a Bang, Science Journalism Tracker 6., Space Today, Bild der Wissenschaft, Science Blogs 5., Science News, New Scientist 4.5.2011. NACHTRAG: auch Nature News zur Frage, ob es das wert war

Keine Gravitationswellen vom Vela-Pulsar, die dieser während seiner abnehmenden Rotationsrate aussenden müsste, hat der VIRGO-Detektor nachweisen können: Das haben über 700 Autoren konstatiert, die aus dieser Grenze immerhin gewisse Schlüsse über das Wesen des Neutronensterns ziehen können. (LIGO & Virgo Collaborations, Preprint 15.4.2011)

Direkte Detektionsversuche der Dunklen Materie: Das Bild der Messdaten wird immer konfuser …

Denn nun sieht auch das CoGeNT-Experiment eine vage (nur 2.8 Sigma, also nicht signifikant!) jahreszeitliche Schwankung der Detektionsrate der von ihm angeblich erkannten massearmen WIMPs – in Phase mit den Schwankungen, die DAMA schon seit 1998 meldet und die sonst allgemein für einen kuriosen Störeffekt gehalten werden. Jedes Experiment für sich überzeugt nur wenig, aber die DAMA- und CoGeNT-Direktmessungen (442 Tage, typisch 3 Events/Tag), das Gammaglühen aus Richtung des Galaktischen Zentrums und ein nebulöser Radioeffekt, den der Satellit WMAP sah, wären alle mit einem WIMP von 5 bis 10 GeV verträglich. Das wiederum die Direktexperimente XENON100 und CDMS II ausgeschlossen zu haben glauben, was die DAMA- und CoGeNT-Forscher umgekehrt für Rechenfehler halten: Wieder einmal ging es gerade auf einer Tagung hoch her. Konstatieren kann man bisher nur, dass die Messverfahren fortwährend genauer werden (CoGeNT wie XENON 100 werden z.B. demnächst erheblich vergrößert) – aber ein Gesamtbild und ein klarer Nachweis eines spezifischen Dunkel-Materie-Teilchens lassen weiter auf sich warten … (Scientific American 6., Discovery 5., Starts with a Bang, Science Journalism Tracker 4., Cosmic Variance, New Scientist, Science News, Photonist 3.5., Physics Central 30., Physics World 26.4.2011)

309 Anti-Wasserstoff-Atome 1000 Sekunden lang eingesperrt hat jetzt das ALPHA-Experiment am CERN: eine deutliche Steigerung in Menge wie Zeit, die weitere Forschungen an diesem einfachsten Atom aus Antimaterie erlauben sollte. (ALPHA Collab., Preprint 26.4., Physics World 4., Bild der Wissenschaft 5.5.2011)

IceCube sieht keine diffusen Myon-Neutrinos aus dem All

Astrophysikalische Neutrinos würden sich von den allgegenwärtigen atmosphärischen – die durch Kosmische Strahlung produziert werden – deutlich unterscheiden, aber kein einziges von 12’877 Events, die das Teleskop unter dem Südpol sah und die genauer untersucht wurden, hat eine astronomische Charakteristik. Für einen diffusen Neutrino-Fluss würden viele über den Himmel verteilte Quellen sorgen, die IceCube nicht einzeln auflösen könnte. (IceCube Collab., Preprint 27.4.2011. Auch der CERN Courier 3.5.2011 über die Einweihung des Neutrino-et-al.-Detektors ICARUS im Gran Sasso)

IceCube sieht eine deutliche Anisotropie der Kosmischen Strahlung (die sich ihm über die o.g. Erzeugung atmosphärischer Neutrinos verrät): Nicht nur in Richtung des Vela-SN-Restes (“IceCube misst …”) sondern auch anderswo am Südhimmel sieht das Teleskop Über- und Unterhäufigkeiten. Die von ziemlich nahen Quellen stammen müssen, da sonst das Magnetfeld der Milchstraße die Herkunftsspuren der geladenen Teilchen verwischt haben müsste. Vielleicht noch die am wenigsten exotische Hypothese: Der Rand der Heliosphäre funktioniert irgendwie als großer Teilchenbeschleuniger … (New Scientist 3.5.2011. [NACHTRAG: auch Physics World dazu.] Auch Quantum Diaries 28.4.2011 zu einem Kosmischen Strahlungs-Detektor auf dem Weg zu IceCube)

Keine Higgs-Anzeichen im anderen großen LHC-Detektor

Die angebliche Sichtung durch ATLAS wird – abermals in einem vertraulichen und natürlich sofort bekannt gewordenen – Dokument des konkurrierenden CMS-Detektors nicht bestätigt: Damit hat es sich wohl, wie eh’ die meisten Beobachter vermuteten, nur um eine Fluktuation oder einen Dreckeffekt gehandelt. [NACHTRAG: Nach einer detaillierteren Analyse sieht ATLAS das Signal auch nicht (mehr).] Also: weitermessen – und das tut der LHC mit seiner gegenüber 2010 wie auch dem Konkurrenten Tevatron dramatisch gesteigerten Leuchtkraft besser denn je. (New Scientist 4.5., Symmetry Breaking 28., Quantum Diaries 27.4.2011. Und das Physics World Blog zum nahen Ende des Tevatron und seinem ‘Bump’, der weiter im Raum steht) NACHTRAG: Nature News zu LHC-Leaks.

Nachrichten aus der Physik kompakt

29. Oktober 2010

LHC immer “heller” – und eine erste echte Entdeckung?

Inzwischen kollidieren im Large Hadron Collider bereits 5-6 Mio. Teilchen pro Sekunde, eine gute Marke auf dem Weg zu den 600 Mio./s, für die der Teilchenbeschleuniger ausgelegt ist, die sogar zwei Wochen vor dem Plan erreicht wurde. Immer offener wird inzwischen der Hoffnung Ausdruck verliehen, dass der LHC schon 2011 – bevor er länger abgeschaltet wird – etwas wirklich Fundamentales wie Anzeichen für die Supersymmetrie entdecken könnte, und ein erstes Paper mit einer Überraschung gibt es bereits. Bestimmte Korrelationen von Teilchen, die aus den Kollisionen herausfliegen, könnten auf Strukturen im Inneren des Protons hindeuten oder auch ein Quark-Gluon-Plasma, wie es der RHIC vielleicht schon sah (siehe Artikel 689 und A50a) – allerdings bei Kollisiosen von schweren Ionen, nicht simplen Protonen. (CERN News 14.10., 24., 21., CMS, STFC News 21.9.2010; LiveScience, Reuters, Science Journalism Tracker 20., New Scientist 13.10., Science 2.0 26., Welt der Physik 24., Physics World 23., Ars Technica, BBC, Telegraph, Guardian, ScienceBlogs 22., New Scientist, Ars Technica 21., Ars Technica 20.9., Life & Physics 17.8.2010. Und beim RHIC werden bald Uran-Ionen kollidieren)

Eine weitere Empfehlung, das Tevatron noch bis 2014 weiter zu betreiben anstatt den betagten US-Beschleuniger 2011 abzuschalten, ist jetzt vom High Energy Physics Advisory Panel ausgesprochen worden (dem wichtigsten Beratungsgremium für Teilchenphysik der USA) – aber nur, wenn zusätzliche Mittel gefunden werden können, wonach es zur Zeit nicht aussieht. Und selbst wenn, dann würde vor allem die Neutrino-Forschung am Fermilab leiden, die dort viele für zukunftsweisender halten als die bei der Tevatron-Verlängerung möglicherweise gelingende Sichtung des Higgs-Teilchens knapp vor dem LHC. Was passieren soll, wird man vermutlich erst erfahren, wenn im Februar 2011 der Etatentwurf des Energieministeriums publik wird. (Physics World 27., Nature News, BBC 26.10., Physics World 22., 1.9.2010)

Grünes Licht für großen indischen Neutrinodetektor

Er wird aus dem größten Magneten aller Zeiten – 50 Tonnen Eisen – bestehen und tief in einem Berg in Tamil Nadu an der Grenze zu Kerala vergraben, wozu seitlich ein 2-km-Tunnel in die Bodi West Hills getrieben wird: das Indian Neutrino Observatory (INO), das die Regierung am 18.10. genehmigt hat. Dem ursprünglich geplanten Standort in TN hatten – buchstäblich – Elefanten und Tiger im Weg gestanden, für den neuen muss mehr Infrastruktur geschaffen werden. Neutrinos – aus der Atmosphäre wie aus speziellen “Fabriken” in anderen Ländern – sollen mit dem Eisen kollidieren und geladene Teilchen produzieren, deren Bahnen dann das Magnetfeld ablenkt: Neutrinos und Antineutrinos können unterschieden und ihre Eigenschaften ergründet werden. Mit Gesamtkosten von rund 12 Mrd. Rp. (200 Mio. EUR) und 26 beteiligten Organisationen wird das INO eines der größten Forschungsprojekte Indiens überhaupt: Baubeginn ist 2012. (The Hindu 18., Physics World, Nature Blog 19., BBC 20., New Scientist 22.10.2010)

Britischer Detektor in japanischem Experiment zur Neutrino-Oszillation: In Tokai wird der Strahl aus den flüchtigen Teilchen für das T2K-Experiment erzeugt (indem ein Protonenstrahl in Kohlenstoff-Target beschleunigt wird) und im 300 km entfernten SuperKamiokande-Detektor gemessen – dann wird man sehen, was ihnen unterwegs widerfahren ist. (BBC 23.9.2010. Auch Welt der Physik zum OPERA-Experiment, eine ThyssenKrupp PM zum Neutrinodetektor ICARUS, ein AIP Release zum fast fertigen IceCube [NACHTRAG: ein Paper zum Status] und die BBC über die fortgesetzten Arbeiten am Neutrinoteleskop im Baikalsee – das der Blogger 1997 besuchte. Und der New Scientist über das ANITA-Experiment, das statt Neutrinos überraschend Kosmische Strahlung höchster Energie detektiert)

Eine Ortsabhängigkeit der Feinstrukturkonstanten ist sehr unwahrscheinlich

Zum einen sieht es so aus, als gehe ein vermeintlicher Effekt auf die Verwendung zweier verschiedener Teleskope zurück, zum anderen würde eine Nichtkonstanz dieser fundamentalen Größe der Physik gravierende Auswirkungen quasi quer durch den Kosmos haben: Ausschließen soll man natürlich nichts, aber hier ist die Beweislast derart hoch, dass sie von den Daten bei weitem nicht erreicht wird. (Cosmic Variance 18.10.2010. [NACHTRAG: Nach über einem Jahr(!) ist das Paper tatsächlich erschienen …] Auch zum kompletten Verständnis aller Physik … des Alltags)

Ein Wert der Avogadro-Konstanten mit 9 gültigen Stellen ist beim jahrelangen Bemühen, die Zahl der Atome in einem definierten Volumen Silizium zu zählen, herausgekommen – und der Fehlerbereich ist nur noch doppelt so hoch wie eine Grenze, ab der die Atomzahl als neue fundamentale Definition des Kilogramms (“Ein Kilogramm …”) in Frage kommen könnte. (Andreas & al., Preprint 12., arXiv Blog 14. Nature News 19.10.2010)

Relativistische Effekte bereits im ‘alltäglichem’ Maßstab demonstriert haben Physiker mit zwei per optischen Kabel verbundenen Atomuhren besonders hoher Ganggenauigkeit: Schon Dezimeter Höhenunterschied verändern ihren Lauf und ebenso langsame Bewegung (des für die Zeitnahme zuständigen eingesperrten Atoms). Eine nette Demonstration und vielleicht auch für Präzisionsmessungen am Erdschwerefeld einsetzbar. (Nature News, Science News, Ars Technica 23., Physics World 24.9.2010)

Die Sonne ist nicht beängstigend inaktiv: Sie kehrt nur zur Normalität zurück

19. März 2010

Auch wenn es mit der Sonnenaktivität nun wieder deutlich aufwärts geht: Das lange und tiefe Minimum warf so manche Fragen auf – die der prominente Sonnenforscher Sami Solanki heute im letzten Plenarvortrag der DPG-Tagung in Bonn zum Teil beantworten konnte. Das Minimum war tatsächlich ungewöhnlich, mit doppelt so vielen fleckenfreien Tagen (nämlich >800) als im Schnitt der vorangegangenen 8 Minima. Die Gesamtstrahlung der Sonne (TSI) war – geglättet – geringer als irgendwann seit Beginn der direkten Messungen im Orbit, und der magnetische Fluss sank auf die Hälfte des Wertes der vorangegangenen 5 Minima. Doch TSI wie Fluss wie Länge des Minimums sind nur im 20. Jahrhundert ohne Beispiel: Im 19. Jahrhundert hat sich die Sonne durchweg so verhalten wie jetzt!

Der vermeintliche Einbruch – der nebenbei drastisch vor Augen führt, dass die Sonnenaktivität nichts mit der globalen Erwärmung (“Schwankungen der Sonnenleuchtkraft …”) zu tun hat; s.a. ISAN 106-5 – kann vielmehr als Abschied der Sonne von einem “Großen Maximum” gedeutet werden, das 60-70 Jahre währte, und Rückkehr zur Normalität. Wie sie im 19. Jh. und überhaupt dem Großteil des Holozäns herrschte, dessen im letzten Diagramm geplottete Sonnenfleckenzahlen natürlich nicht von Höhlenmenschen beobachtet sondern aus radioaktiven Spuren rekonstruiert wurden. Was übrigens den Sonnendynamo zu seinen langfristigen Schwankungen treibt, konnte auch Solanki nicht sagen: Vielleicht steckt eine generelle Instabilität an der Grenze zwischen Strahlungs- und Konvektionszone der Sonne dahinter, wo der globale Dynamo lokalisiert ist.

Mit großen und kleinen Experimenten auf der Suche nach “Neuer Physik”

Auf einer der letzten Sessions der DPG-Tagung gab es heute von so manchem Experiment zu hören, das demnächst vielleicht Hinweise auf exotische physikalische Phänomene finden – oder diesen zumindest neue Grenzen zuweisen – und dabei womöglich den lang gesuchten Weg zu einer Theory of Everything weisen könnte.

  • Der Large Hadron Collider – dessen Protonenstrahlen just heute morgen erstmals 3.5 TeV Energie erreichten; siehe CERN und STFC Releases und Artikel von Physics World, Discovery, Telegraph, BBC, Cosmic Variance, Spiegel und Science Blogs – könnte, wenn es zusätzliche Raumdimensionen geben sollte, extrem kurzlebige (10^-26 Sekunden!) und winzige Schwarze Löcher produzieren, weil die Schwarzschildradien der kollidierenden Protonen dann erheblich größer wären und einander berühren könnten. Wie Berechnungen zeigen, wären die Signatur des explosiven Zerfalls dieser Löchlein erstaunlich einfach nachzuweisen: Die Suche hat bereits begonnen. (T54.4)

  • Es muss nicht immer ein Experiment sein, das mehrere Milliarden Euro kostet: Mit vom LHC-Projekt für lau ausgeliehenen starken Magneten und Lasern spürt das Experiment OSQAR am CERN mit einem Etat nahe Null der nie gemessenen magnetischen Vakuum-Doppelbrechung der QED aber auch Axionen nach, einem Kandidaten für die Dunkle Materie des Universums. Dummerweise ist der 18-Watt-Laser gerade kaputt gegangen: Wer einen ungepulsten Laser für sichtbares Licht mit 10-20 Watt Leistung übrig hat, möge sich melden … (T54.2)

  • Astrophysikalische abbildende Cherenkov-Teleskope, namentlich H.E.S.S. in Namibia, könnten nebenbei auch magnetische Monopole nachweisen: Diese müssten eine Menge Cherenkov-Strahlung aussenden und dabei – im Gegensatz zu ‘normalen’ Teilchenschauern – nur wenige Pixel der Kameras in charakteristischer Weise triggern. Gefunden wurde bisher nichts, und diese Nachweistechnik ist auch generell viel unempfindlicher als es ein direkter Fang von Monopolen in Neutrinoteleskopen sein sollte – aber es handelt sich um eine unabhängige Technik, die bei künftigen Cherenkov-Teleskopen immerhin 10-mal besser empfindlicher sein sollte. (T54.3)

Abgesehen von der gezielten Suche nach speziellen Partikeln oder Phänomenen (wovon es auf der Tagung noch einiges mehr zu hören gab), kann man aber auch ‘blind’ nach ungewöhnlichen Phänomenen suchen, wie sie im gewaltigen Datenstrom des LHC auftauchen dürften: Dafür die richtigen statistischen Kriterien zu finden, die weder zuviel Insignifikantes durchlassen noch potenzielle Entdeckungen unterdrücken, ist freilich nicht leicht. (T54.8)

Pulsare sind das ultimative Labor zur Erforschung der Schwerkraft an sich und insbesondere Tests, ob die Allgemeine Relativitätstheorie die endgültige Antwort ist: Das machte Michael Kramer im vorletzten Plenarvortrag der DPG-Tagung (s.o.; PV IX) deutlich. Vor allem Pulsare mit Begleitern und insbesondere der Binärpulsar stellen derart extreme Systeme dar, dass subtile relativistische Effekte, die im Sonnensystem Jahrmillionen brauchen, hier binnen Jahre beobachtet werden können. Mehrere post-Kepler’sche Bahnveränderungen lassen sich messen und für direkte Tests der ART einsetzen – die bisher unangefochten bleibt. Insbesondere das sehr genau beobachtbare Verhalten einer Scheibe um einen der beiden Pulsare, die zeitweise den anderen Pulsar verfinstert, gibt eindeutige Antworten.


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