Posts Tagged ‘Antimaterie’

Dritter Mischungswinkel der Neutrinos bestimmt

12. März 2012

Es ist das erste bedeutende physikalische Experiment in der VR China, und es hat vier Konkurrenten abgehängt: Mit dem internationalen Daya Bay Reactor Anti-neutrino Experiment („Chinesisches Neutrino-Experiment …“) in der Nähe von Hongkong ist binnen weniger Monate der dritte bisher nur vage bekannte Mischungswinkel Theta-1-3 („‚Double Chooz‘ auf dem Weg …“) bestimmt worden, und er ist mit 9° überraschend groß. Bei dem Experiment werden Elektron-Antineutrinos sowohl direkt neben großen Kernkraftwerken als auch in 1.7 km Abstand gezählt: 80’376 bzw. 10’416 Exemplare wurden für die Analyse registiert. Letztere Zahl ist um 6% ‚zu klein‘, d.h. ein Teil der Antineutrinos ist in einen anderen Flavor oszilliert: Daraus lässt sich der Mischungswinkel berechnen, der im Prinzip auch Null hätte sein können. Ist er aber nicht, im Gegenteil: Die Natur ist mindestens so interessant wie erhofft. Was auch eine sehr gute Nachricht für künftige Neutrino-Experimente ist, die nun eine Chance zum Nachweis einer CP-Verletzung haben und damit sehr tiefen Einsichten in die Physik des ganzen Universums, die Existenz der Materie inklusive. The Daya Bay Collaboration, Preprint; BNL, VT, Caltech, IHEP, LBL Releases; Physics World, Symmetry Breaking, Nature Blog, Quantum Diaries, New Scientist, Scientific American, Science Now, Science Journalism Tracker. Und Wired mit noch mehr Neutrino-Experimenten und Tavecchio & al., Preprint, S&T, Physics World mit zwei Spekulationen über Axions

Das erste Spektrum eines Anti-Wasserstoff-Atoms ist beim CERN-Experiment ALPHA („309 Anti-Wasserstoff …“) gewonnen worden: Viel kann man daraus noch nicht lernen, aber mit dieser Technik sollte es später möglich sein („Zum ersten Mal …“), heraus zu finden, ob Materie und Antimaterie identisch sind oder aber eine CPT-Verletzung vorliegt. Was dann auch wieder ungemein fundamental wäre. (LBL, CERN Releases. Und New Scientist, BBC, IO9 mit weiterer Antimaterie-Forschung und Scientific American, Science Journalism Tracker zu kuriosen Gedanken über „Zeit-Kristalle“ …)

„Higgsterie“ – oder 125-GeV-Higgs de facto bewiesen?

„Das Higgs-Boson ist noch nicht entdeckt, aber seine Masse beträgt 125 Mrd. Elektronenvolt“, geht derzeit ein Physiker-Witz: Nicht nur die ATLAS- und CMS-Experimente des LHC sondern auch die CDF- und D0-Detektoren des Tevatron sehen ein vages Signal in diesem Energiebereich, allerdings mit immer nur wenigen Sigma. Der Tevatron in den USA liegt seit letztem September still, aber die Gesamtheit seiner Kollisionsdaten ist nun ausgewertet (wobei u.a. die bisher beste Massenbestimmung des W-Bosons heraus gekommen ist). Und da scheint zwischen 115 und 135 GeV etwas zu sein, mit 2.2 Sigma: ein viel breiterer „Bump“ als beim LHC, weil die Energieauflösung geringer ist, aber die Mitte fällt mit den 124 bw. 125 GeV der ähnlich (in)signifikanten LHC-Exzesse zusammen. Wenn man alle Daten in einen Topf wirft und gut umrührt, kann man eine Gesamt-Signifikanz von beinahe 5 Sigma, also eine Entdeckung, „erzeugen“, aber davor warnen Sachkenner energisch: Die Einzelergebnisse basieren auf einer Vielzahl von Zerfallsszenarien des Higgs, die nicht unabhängig sind – und manche davon zeigen auch gar keinen Exzess, weshalb die Signifikanz des ATLAS-Bumps sogar wieder etwas gesunken ist (aber nicht dramatisch). Gewarnt wird daher vor einer regelrechten „Higgsterie“ schon jetzt und noch etwas Geduld angemahnt: Übermorgen wird der LHC schließlich nach der Winterwartung wieder hoch gefahren, ab dem 7. April gibt’s wieder Proton-Proton-Kollisionen – und schon die International Conference for High Energy Physics im Juli in Melbourne könnte den Durchbruch bringen. (Science 9.3.2012 S. 1159; Symmetry Breaking 9., ATLAS Blog, Spiegel 8., STFC Release, New York Times, AFP, New Scientist, Physics World, Ars Technica, Nature, Resonaances, Quantum Diaries, Symmetry Breaking, BBC, Guardian 7., CERN Release 5., Not even Wrong 4., ATLAS Blog 3., FNAL Release, Guardian, Quantum Diaries, BdW [umfassende Lagebeschreibung] 2., DLF 1.3., Symmetry Magazine März, Edinbg. Video 24., Vixra 23., CERN Courier, Nature 22., Resonaances 21., Discovery, Quantum Diaries 18., Scientific American Blog 17.2.2012)

Nachrichten aus der Fundamentalphysik kompakt

10. August 2011

Auch Antiprotonen in den van-Allen-Gürteln gefangen

Wenn energiereiche Kosmische Strahlung auf die äußere Erdatmosphäre schlägt, entsteht ein wenig Antimaterie, und es war schon lange vermutet worden, dass diese teilweise in der ‚magnetischen Flasche‘ der van-Allen-Strahlungsgürtel der Erde landet, wo man schon länger auf Positronen gestoßen war – und jetzt hat dort das PAMELA-Instrument tatsächlich auch eine Handvoll Antiprotonen nachweisen können, 28 Stück in 850 Messtagen. Hochgerechnet ist dies gleichwohl das größte Antimaterie-Reservoir in Erdnähe, tausendmal dichter als im freien Weltraum vorhanden: Futuristische Raumschiffe mögen dort eines Tages auftanken können. Und wenn sie es erst bis zum Jupiter und Saturn geschafft haben, müssten sie in deren gewaltigen Magnetosphären noch wesentlich mehr Antimaterie vorfinden können. Vor allem beim Saturn sollte besonders viel Antimaterie gespeichert sein, da die ausgedehnten Ringe ein ideales Target für die Kosmische Strahlung darstellen. Vorerst kann man aber einen Erfolg der theoretischen Vorhersage des irdischen Antiprotonen-Gürtels feiern: Die meisten der Antiprotonen dort stammen aus dem Zerfall von Antineutronen, die wiederum die Kosmische Strahlung einige dutzend Kilometer über der Erdoberfläche in der dünnen Atmosphäre erzeugte. Einige Antiprotonen entstehen dabei aber auch direkt, im Paar mit jeweils einem Proton, und schaffen es ohne zu zerstrahlen bis in die Magnetosphäre. (Adriani & al., Preprint 25.7., New Scientist 4., Spiegel 6., BBC, Pharyngula 7., Ars Technica, UPI, Welt der Physik 8., Science Now, Starts with a Bang 9., Centauri Dreams 10.8.2011)

Antiprotonen und Protonen haben sehr genau dieselbe Masse, was die CPT-Symmetrie des Universums unterstützt: Das haben neue Experimente mit Helium-Atomen gezeigt, bei denen das Elektron durch ein Antiproton ersetzt wird. Solche Systeme lassen sich dann per Laser in andere Zustände versetzen, was dank Doppelstrahl nun Unschärfen durch den Doppler-Effekt weitgehend eliminieren konnte. Und bald soll das noch viel besser gehen: Die aktuelle Messgenauigkeit entspricht quasi dem Nachweis der Massenzunahme des Eiffelturms durch eine Spatz, später soll dann selbst eine Feder nachweisbar sein … (Hori & al., Nature 475 [28.7.2011] 484-8, auch Charlton, ibid 459-60; PM des MPIfQ, Physics World Blog 27., CERN Release, Symmetry Breaking, Quantum Diaries, Space.com 28.7., Pressetext 1.8.2011)

Naturkonstanten immer besser bestimmt – neue fundamentale Definition des Kilogramms rückt näher

Alle vier Jahre gibt es neue ‚amtliche‘ Werte für über 300 physikalische Konstanten, obskure wie auch wirklich fundamentale – und gerade bei der Bestimmung der Avogadro-, Planck- und Boltzmann-Konstanten hat es deutliche Fortschritte gegeben. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass es bis etwa 2015 eine neue Definition des Kilogramms („Eine fundamentale Definition …“) geben wird, die sich allein aus Naturkonstanten errechnet. Der Beschluss, diesen Prozess tatsächlich einzuleiten, dürfte damit wie erhofft diesen Oktober auf der General Conference on Weights and Measures in Paris getroffen werden. Das Kilogramm wäre dann direkt mit dem Planckschen Wirkungsquantum verkoppelt, das die Einheit J s = kg m^2 s^-1 hat: Bedenkenträger würden es gerne noch genauer bestimmt sehen als jetzt – aber das dürfte bis 2015 zu schaffen sein. (Nature News 26.7.2011. Auch Quantum Diaries 28.7.2011 zur Befindlichkeit von Experimental- und theoretischer Physik nach den bisherigen Nullresultaten des LHC in Sachen ’neuer Physik‘ und LBL Release 27., DLF 28.7.2011 zu neuen Neutrino-Experimenten sowie Gaisser & al., Preprint 9.8.2011 zu den bisherigen Erkenntnissen von IceCube)

Neue Runde auf der Jagd nach Gravitationswellen

Die Detektoren GEO600 in Deutschland und VIRGO in Italien haben jetzt einen koordinierten Science Run bis September begonnen, der eine kleine Hoffnung auf den ersten Nachweis kosmischer Gravitationswellen bietet, vor allem aber neue technologische Entwicklungen testet, die die nächste Generation von Laserinterferometern dramatisch empfindlicher machen soll. Gerade beim mit nur 600 Metern Armlänge eher kleinen GEO600 hat man besonders viele Innovationen einführen müssen, um mit den großen Brüdern VIRGO (3 km) und LIGO (4 km) mithalten zu können. Sollte der Kosmos ein Einsehen haben und in der Nähe zwei Neutronensterne verschmelzen lassen, müsste das ein nachweisbares Signal geben, und VIRGO allein hat auch eine vage Chance auf eine ‚Sichtung‘ des Vela-Pulsars bei 20 kHz. Auf jeden Fall ist es der erste koordinierte Science Run für Frequenzen von 1 bis 6 kHz, für die beide Detektoren besonders fit gemacht wurden. Anschließend wird VIRGO bis 2014/15 umgebaut, während GEO600 weiter ‚die Stellung hält‘. (PM des AEI, Hintergrund 5., STFC Release 8.8.2011)

Keine Hinweise auf „andere Universen“ in der Kosmischen Hintergrundstrahlung hat eine Suche nach ringartigen Strukturen im Echo des Urknalls zu Tage gefördert, die immerhin als vielversprechender Ansatz galt, eine Variante der Multiversums-Spekulationen tatsächlich mal zu testen – siehe auch diese Bestandsaufnahme zur Testbarkeit von Paralleluniversen vom letzten Jahr. (National Geographic 9., Not Even Wrong 5., UCL Release 3.8.2011, Cosmic Variance 22.12.2010 – seither ist die Signifikanz der damaligen vagen Indizien wieder verschwunden)

Fundamental-physikalische Nachrichten kompakt

29. November 2010

Unabhängiger geometrischer Beweis für die Dunkle Energie

Nur wenn man die Standardkosmologie mit ihrer bizarren beschleunigten Expansion des Alls annimmt, sind die räumlichen Orientierungen von fernen Galaxienpaaren so zufällig im Raum verteilt wie man es erwarten sollte: Das Argument ist nur statistisch aber doch so stark, dass es jetzt als weiterer – gänzlich unabhängiger – Beweis für die Existenz der Dunklen Energie gefeiert wird. Bei einer anderen Kosmologie und damit anderen Expansionsgeschichte sähe es so aus, als hätten die Verbindungslinien der Galaxien im Raum eine gewisse Vorzugsrichtung, was keinerlei Sinn machen würde. Dieser „Alcock-Paczynski-Test“ wurde schon 1979 vorgeschlagen, ist aber erst jetzt dank umfangreicher Galaxienkataloge samt Rotverschiebung möglich geworden: Den Dopplereffekt aus den Galaxienorbits heraus zu rechnen, um den rein kosmischen Unterschied der Rotverschiebungen und damit Entfernungen zu isolieren, ist immer noch kritisch, aber zumindest kommt schon mal heraus, dass der Kosmos insgesamt flach ist und beschleunigt expandiert – auch wenn das Ergebnis noch unscharf für Rückschlüsse auf die Natur der Dunklen Energie ist. Mit kommenden Galaxiendurchmusterungen im tiefen Kosmos sollte das aber gehen. (Marinoni & Buzzi, Nature 468 [25.11.2010] 539-41; auch Heavens, ibid 511-2; Nature News 24., Physics World 25., Ars Technica 26.11.2010. Und ein langer Review über The Accelerating Universe)

Labor-Messungen der Gravitationskonstanten widersprechen sich weiterhin: Die vermeintlichen Fehlerbalken der einzelnen Bestimmungen von G durch trickreiche Experimente auf kleinem Raum sind winzig – aber die Werte selbst passen nicht zusammen. Und so wird wohl der nächste „offizielle“ Wert, in den alle in letzter Zeit publizierten Messungen eingerechnet werden, wieder einmal einen peinlich großen Fehlerbalken haben. (Davis, Nature 468 [11.11.2010] 181-3. Auch Nature News, Ars Technica zu einer ungewöhnlich kleinen Messung des Proton-Durchmessers – und Pressemitteilungen der TU Darmstadt und der Uni Bremen sowie Nature, Physics World, Ars Technica, LiveScience und DLF zu einem Riesen-BEC im Bremer Fallturm; die Forschung zielt auf’s Äquivalenzprinzip)

Erste LHC-Blei-Ergebnisse: Früher Kosmos quasi eine perfekte Flüssigkeit

Die Blei-Ionen kollidierten im LHC erst ein paar Tage, da waren schon die ersten Papers mit Analysen eingereicht: Im Prinzip werden die Erkenntnisse des amerikanischen RHIC zum Quark-Gluonen-Plasma auch bei 13-mal höherer Energie von den Experimenten ALICE – spezialisiert auf diese Versuche – und ATLAS bzw. CERN bestätigt. Manche überraschte dabei aber, dass sich dieser kuriose Materiezustand, den es auch kurz nach dem Urknall gab, auch unter diesen Umständen wie eine perfekte Flüssigkeit und nicht wie ein Gas aufführt. Auch wurde Jet-Quenching beobachtet, d.h. statt diametralen Teilchenstrahlen wie zuvor bei den Protonenkollisionen wird einer der Jets unterdrückt, wenn die komplizierten Kerne kollidieren. (CERN Release 26., STFC Release 23., Univ. of Birmingham Release 22., CMS Release 18.11.2010; Symmetry Breaking 18., New Scientist 25., Welt der Physik 29.11.2010)

Zum ersten Mal Antimaterie „längere“ Zeit eingefangen hat das ALPHA-Experiment des CERN: Mindestens 38 Anti-Wasserstoff-Atome, zuvor „zusammengesetzt“ aus Antiprotonen und Positionen, hielten es dank ihres magnetischen Moments bei 335 Experimenten jeweils 172 Millisekunden in einem Oktupolfeld aus (das danach jeweils abgeschaltet wurde, so dass die Antimaterie an der Wand des Behälters mit charakteristischem Signal zerstrahlte). Etwas über das Wesen der Antimaterie lernen kann man so zwar immer noch nicht, aber der Weg zu längerem Einfang ist nun geebnet: Wenn man es – in fünf Jahren?? – schafft, 100 Antiatome gleichzeitig fest zu halten, könnte man sie per Laser spektroskopieren. Und herausfinden, ob sich Antimaterie von normaler unterscheidet, was wiederum zu verstehen helfen könnte, warum erstere im Kosmos de facto verduftet ist. (LBL, CERN Releases [mit kleiner Datumspanne am Anfang], Nature News, Physics World, Scientific American, Ars Technica, New Scientist, Telegraph, Spiegel 17., LA Times, Welt der Physik, BdW, ZEIT 18., Science Journalism Tracker 19.11.2010)

Radio-„Nebel“ in WMAP-Karte passt zu Dunkel-Materie-Verdacht im Gamma-Bereich

Bewiesen ist wieder einmal nichts – aber die (mit wenig Freiheitsgraden) berechnete Synchrotronstrahlung, die entstehen müsste, wenn das Gammaglühen aus der Umgebung des Galaktischen Zentrums auf die gegenseitige Vernichtung von WIMPs (3. Absatz) als Konstituenten der Dunklen Materie zurück gehen würde, passt verblüffend gut zu einem diffusen Radiosignal, das der WMAP-Satellit gesehen hat. Und nämliches WIMP würde auch noch zu den – höchst umstrittenen – direkten Detektionen von DAMA und CoGeNT passen. Hmm … (Hooper & Linden, Preprint 19.11.2010. Auch Spekulationen über ein X-Teilchen, das DM und weitere Probleme gleichzeitig lösen soll, der Detektor CAST für Axionen oder Chameleons in der Sonne, andere Dunkel-Materie-Kandidaten – und ein Nullresultat von XENON 100, einem weiteren Untergrund-Experiment zur DM-Jagd)

CERN-Chef verspricht mindestens eine wichtige Entdeckung mit dem LHC vor der großen Wartung

12. März 2010

Im Large Hadron Collider laufen inzwischen wieder die Protonen im Kreis, und es wird jetzt 18 bis 24 Monate lang Kollisionen mit – ab in Kürze – 7 TeV Gesamtenergie geben („LHC erst 2013 …“): Auf die übliche Winterpause wird verzichtet, um möglichst viele Ereignisse ‚im Kasten‘ zu haben, bevor der Beschleuniger für technische Nachbesserungen länger abgeschaltet werden muss. CERN-Direktor Rolf-Dieter Heuer erwartet, dass aus diesen Daten mindestens eine Entdeckung produziert werden kann: der erste Nachweis eines supersymmetrischen Teilchens, was bis zu einer Masse von 800 GeV (bisher 400 GeV) gelingen sollte, und/oder der Nachweis des Higgs-Teilchens, sofern es eine Masse in der Nähe von 160 GeV hat. Der LHC-Vorgänger LEP und der LHC-Konkurrent Tevatron haben den möglichen Massenbereich bereits erheblich eingegrenzt. Und vielleicht wird auch ein Teilchen gefunden, das mit zusätzlichen Raumdimensionen zusammenhängt: Hier wäre der LHC bis 2 TeV (bisher: 1 TeV) Masse empfindlich.

Insgesamt habe der LHC also nun das größte Potenzial für Entdeckungen in der Teilchenphysik seit einem Jahrzehnt – wobei der Fund eines SuSy-Partikels auch maßgeblich zur Aufklärung der Dunklen Materie des Kosmos beitragen könnte. Die große Panne von 2008, die – vergleichsweise banalen – Versäumnisse, die den großen Shutdown 2011/12 und die Verschiebung der 14-TeV-Kollisionen auf die Zeit danach erzwingen, und bizarre Gerichtsstreitigkeiten werden dann endlich nicht mehr die LHC-Nachrichten dominieren … CERN Press Release, PM des Bundesverfassungsgerichts 9.3.2010; Physics World Blog 22., 24., SkepticBlog, Register 25., Symmetry Breaking 28.2., Reuters 8., Discovery, ScienceBlogs 9., BBC, Telegraph, TelePolis, KosmoLogs 10., ScienceBlogs 12.3.2010. Auch ein LHC-Paper mit arg vielen Autoren, Impressionen und humoristische und künstlerische Aspekte des LHC

Schwerste Antimaterie-Kerne mit dem RHIC erzeugt: Anti-Hyper-Triton

Bei 100 Millionen Kollisionen zwischen Goldatomkernen im Relativistic Heavy Ion Collider in den USA mit 200 GeV sind im resultierenden Quark-Gluonen-Plasma ingesamt 70 Kerne nachgewiesen worden, die aus einem Antiproton, einem Antineutron und einem Antilambdahyperon bestehen, welches sich wiederum aus einem Anti-Up-, einem Anti-Down- und einem Anti-Strange-Quark zusammensetzt. Nicht nur ist dieser Kern mit 3.0 GeV etwas massereicher als der bisher schwerste Antimateriekern, der erzeugt werden konnte (Antihelium 3 mit 2.7 GeV): Es ist auch der erste überhaupt mit einem Strange-Quark.

Trotz der bedauerlich kurzen Lebensdauer des Antihypertritons von nur 2 x 10^-10 Sekunden kann man vom ihm vielleicht eine Menge lernen: etwa über das Innenleben von Neutronensternen, wo Strange-Quarks in großer Zahl vorkommen könnten, oder auch über die Physik ganz zu Beginn des Universums, als die Materie durch einen immer noch nicht ganz geklärten Prozess die Oberhand über die Antimaterie gewann. (LBL and BNL Releases, Nature News #2010.108 4., Physics World, Space.com 5.3.2010. Und ein BNL Release und noch einer sowie der Science Journalism Tracker mit weiteren RHIC-Artikeln vom Februar) NACHTRAG: ein Besuch beim RHIC. NACHTRAG 2: ein Paper dazu in Science 328 [2.4.2010] 58-62.

Erstes Neutrino im T2K-Versuch registriert: Dabei schießen Neutrinos aus einem Beschleuniger im japanischen Tokai durch die Erde in den Super-Kamiokande-Detektor. Das Ziel ist es, die bisher nur astrophysikalisch beobachteten Neutrino-Oszillationen unter quasi kontrollierten Bedingungen zu erforschen. (STFC Release, New Scientist 25., LA Times 27.2.2010) NACHTRAG: ein langer Review über Neutrino-Oszillationen. NACHTRAG 2: und ein Interview zu T2Ks erstem Fang.