Posts Tagged ‘Dunkle Materie’

Paper-Berg open-access: Dunkle Materie für alle!

15. Oktober 2012

Woraus sie besteht, wissen wir zwar noch nicht – aber dafür gibt’s sie jetzt in großer Menge gratis: Die bereits seit 1799(!) erscheinenden Analen der Physik haben eine dicke Sonderausgabe zu allen Aspekten dieses fundamentalen Phänomens der Astronomie heraus gebracht. Und das Beste: Sämtliche der vielen Papers können über das Inhaltsverzeichnis der „Special Issue: Dark Matter“ kostenlos herunter geladen werden, weit über 100 Seiten!

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XENON100 hat immer noch keine WIMPs gefunden

22. Juli 2012

Der Dunkel-Materie-Detektor im Gran Sasso, der immer wieder mit dem Nicht-Nachweis irgendeines Signals („Direkte Detektionsversuche der Dunklen Materie …“) für Unmut sorgt, hat schon wieder eine Negativ-Meldung heraus gegeben: 225 Tage Messungen in der neuesten Konfiguration zeigen wieder nichts. Zwar wurden zwei ‚Ereignisse‘ registriert, aber die sind statitisch konsistent mit dem einen Ereignis, das der Strahlungshintergrund in dem italienischen Tunnel liefern sollte. Gegenüber einem Paper von 2011, das auf 100 Tagen Messungen basierte, ist die Empfindlichkeit des Detektors abermals um einen Faktor 3.5 gesteigert worden, und der noch erlaubte Parameter-Bereich für Weakly Interacting Massive Particles ist weiter geschrumpft. Die XENON-Forscher sind aber weiter guten Mutes und halten WIMPs immer noch gleichzeitig für die beste Erklärung der Dunklen Materie aus der Kosmologie (an deren Realität sie nicht zweifeln) und naheliegendste Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik. Der einfachsten Supersymmetrie – die auch schon unter Nullresultaten des LHC leidet – geht es nun allerdings immer schlechter. Mit einem noch viel größeren Detektor, XENON1T mit Baubeginn dieses Jahr, soll die Jagd nun fortgesetzt werden: Er wird gleich eine ganze Tonne flüssiges Xenon – statt der 62 kg von XENON100 – verwenden. Und der große amerikanische Xenon-Detektor LUX soll ebenfalls dieses Jahr mit Messungen beginnen. Aprile & a., Preprint 14., INFN Press Release, PM des MPI für Kernphysik 18., New Scientist Blog 19., Cosmic Variance, Symmetry Breaking 20.7.2012. NACHTRAG: neuer Preprint mit der Auswertung der 225 Tage

Ein kurioses Konzept für einen biotechnologischen Dunkel-Materie-Detektor sorgt für Aufsehen oder wenigstens Amüsement: In dem würden unzählige quasi nummerierte DNS-Stränge an Goldplättchen aufgehängt, die von DM-Teilchen losgeschlagene Goldatome durchtrennen sollen. Anschließend würden die abgehackten DNS-Segmente mit etablierten Genanalyse-Techniken (Stichwort PMC) herausgefiltert, und die genaue Flugbahn der Atome wäre zu rekonstruieren. Und zwar in zwei Dimensionen Mikro- und in der dritten (entlang der DNS-Stränge) sogar Nanometer-genau. Zu wissen, aus welcher Richtung ein DM-Teilchen angeflogen kam, wäre eine wesentliche Erkenntnis, zumal die Methode schon eine niedrige Energieschwelle hätte. Sie würde bereits bei Zimmertemperatur funktionieren und die Appartur auch nur ein kleines Zimmer füllen – nur die konkrete Umsetzung ist noch mit einigen Hürden verbunden. (Drukier & al., Preprint 28.6., ArXiv Blog 2., astrobites 19.7.2012. Und Weniger, Preprint 12., Resonaances 17., Scientific American Blog 23., Physics World 24.4., Su & Finkbeiner, Preprint 14., astrobites 19.6.2012 zu möglichem Dunkel-Materie-Nachweis mit dem Fermi-Satelliten)

„Post-Higgs-Kater“: Physik vor ungewisser Zukunft

Between the infamous magnet quench of 2008 to the sobering exclusion plots of the last couple of years, an entire generation of graduate students and young postdocs is internalizing the idea that finding new physics will not be as simple as turning on the LHC as some of us had believed as undergrads. Despite our youthful naivete, the LHC is also still in its infancy with a 14 TeV run coming after its year-long shutdown. The above results are sobering, but they just mean that there wasn’t any low-hanging fruit for us to gobble up right away.“ (Flip Tanedo, Quantum Diaries 19.7.2012)

Bloss den LHC einschalten, und schon fällt einem spektakuläre „Neue Physik“ in den Schoss: Das mag in den letzten Jahren mancher Physiker gehofft haben, aber so ist es eben nicht gekommen. Der Super-Beschleuniger hat bisher letztlich nur bestätigt, was eh die meisten glaubten, und nach der Feierlaune Anfang des Monats bricht sich nun wieder die Besorgnis Bahn, dass nach dem Fang mutmaßlichen Higgs-Teilchens nicht mehr viel heraus kommen könnte. Supersymmetrie? Schwer eingeschränkt (auch durch Versuche des direkten Nachweises; s.o.). Hinweise auf zusätzliche Raumdimensionen? Keine Spur. Schwarze Minilöcher? Spricht schon keiner mehr drüber. Natürlich sind noch nicht einmal die bisherigen Kollisionsdaten komplett ausgewertet, bis Jahresende geht der 8-TeV-Run noch weiter, und dann kommt ja noch die 14-TeV-Ära: Die schiere Datenmenge der nahen Zukunft wird sicher der Physik einen viel klareren Weg als bisher weisen und z.B. die Eigenschaften des Higgs-Feldes – des einzigen fundamentalen Skalarfeldes in der heutigen Natur – genauer beschreiben. Aber eine Menge clevere Hypothesen über das Standardmodell hinaus, auch das ist nun unausweichlich, werden in den kommenden Jahren auf der Strecke bleiben – und in welcher Richtung die großen Antworten liegen, ist nun weniger klar als viele glaubten. (Science News, Quantum Diaries 20., Economist 19., NPR, Strassler, Nature, Telegraph 18., Strassler, Woit 16., Boston Globe 15., USA Today 14.7.2012)

Even though it wasn’t discovered until 2012, the Higgs boson was proposed back in 1964. It is very much a child of the 20th century. In particle physics and cosmology, the 21st century promises discoveries that will help illuminate the dark universe around us. That’s the great thing about history being made: you know things are different now, but you can’t be sure where you’re going to go next.“ (Sean Carroll, CNN 20.7.2012 [NACHTRAG: hier kommentiert])

Live-Blog „von“ der 219. AAS-Tagung in Texas

9. Januar 2012

Der 1. Exoplanet mit großem Saturn-artigem Ringsystem?

Es gibt nur einen einzigen beobachteten Transit dieses höchst seltsamen Objekts vor dem Scheibchen seines Sterns, aber der dauerte ~54 Tage und wurde von zwei voneinander entfernten Teleskopen verfolgt (Lichtkurven oben): Die einfachste Interpretation ist ein kleiner Begleiter des Sterns mit einem ausgedehnten Ringsystem (Grafik Mitte), der sich 2007 in die Sichtlinie schob, mit einer dicken inneren Scheibe und drei dünnen äußeren Ringen und deutlichen Lücken dazwischen. Aber weder vorher noch nachher ist auch nur ein weiterer Transit beobachtet worden: Die Bahnperiode muss mindestens 850 Tage betragen, und auch Amateurastronomen sind aufgerufen, nach weiteren Durchgängen Ausschau zu halten, um wenigstens die Jahreslänge des Objekts einzugrenzen. Auch seine Masse ist noch unbekannt; spektroskopische Messungen der Radialgeschwindigkeit sind aber beantragt. Ob man bei solch einer gewaltigen Scheibe – von der Masse ungefähr unseres Mondes! – noch von einem Ring sprechen kann, ist im Vergleich mit den Saturnringen (artist’s view unten) die Frage: Die Entdecker sprechen selber von einem „protoexosatellite system“, da sich aus den Ringen – die mehrere Lücken aufweisen – durchaus noch mehrere Monde des Objekts (sei es nun ein Planet oder ein Brauner Zwerg) bilden dürften. Die Lücken zwischen den Ringen lassen vermuten, dass die Mondbildung schon begonnen hat.

Mehrere weitere Kepler-Entdeckungen wurden auf der letzten AAS-PK ebenfalls vorgestellt: zum einen zwei weitere Exoplaneten, die um Doppelsterne kreisen. Kepler-34b und Kepler-35b gesellen sich zu Kepler-16b (siehe ISAN 146-7) und etablieren Planeten auf stabilen Bahnen um Doppelsterne als nicht mal seltene Kategorie in der Milchstraße, mit hochgerechnet Millionen Exemplaren. Beide Planeten sind etwa Saturn-groß und liegen deutlich außerhalb der habitablen Zonen (zu nahe an ihren Sonnen). Und es gibt die drei vom Durchmesser her kleinsten Exoplaneten, die alle um den Roten Zwerg KOI-961 kreisen und 0.78, 0.73 und 0.57 Erddurchmesser haben: Entdeckt wurden sie nicht vom Kepler-Team selbst sondern in öffentlichen Daten des Satelliten.

Weitere Nachrichten von der Tagung, die am Donnerstagnachmittag zu Ende gehen und keine weiteren PKs mehr bieten wird, umfassen erste Entdeckungen von ALMA, die ‚amtliche‘ Abkürzung „Jansky VLA“ (wer’s denn benutzen wird), weitere Einsichten von SOFIA, eine AAS-Rede zu LGBT-Fragen und weitere umfangreiche Impressionen vom heutigen Nachmittag und Vormittag sowie vom ganzen Dienstag. Aufzeichungen aller PKs – auch mehrerer vorangegangener AAS Meetings – sind übrigens hier zu finden! [21:45 MEZ am 11. Januar – Ende! Weitere AAS-News auf Twitter und im Cosmic Mirror]

Die fernste Typ-Ia-Supernova mit spektroskopischer Rotverschiebung – nämlich 1.55, was einem Weltalter zum Explosionszeitpunkt von nur 4.2 Mrd. Jahren entspricht – ist im Rahmen eines großen Hubble-Programms entdeckt worden, mit der WFC3 und ihren neuen IR-Möglichkeiten im Hubble Ultra Deep Field. Damit erweitert sich das kosmologische Diagramm dieser SNe (für den linken Teil gab’s letztes Jahr den Nobelpreis) deutlich, und mit weiteren so fernen SNe – mehrere Kandidaten gibt’s schon – wird sich u.a. untersuchen lassen, ob die Dunkle Energie zeitlich variabel ist. Und man wird auch sehen, wie alt oder jung ein Ia-Progenitor (siehe 19:50 MEZ) sein kann, auch hilfreich. [20:05 MEZ]

Aufwind für doppelt entartete Progenitoren der Ia-Supernovae

gab es auf der nächsten – und vorletzten – AAS-PK zu hören: Insbesondere gibt es mit dem Supernova-Rest SNR 0509-67.5 in der LMC jetzt einen Fall, wo alles andere ausgeschlossen ist als die Fusion zweier Weißer Zwerge als Ursache der Ia-Supernova. Denn eine tiefe Suche im Zentrum der Blase (die die Autoren übrigens beim Astronomy Picture of the Day ‚entdeckt‘ hatten!) hat keinerlei verbliebene Sterne – bis 26.9 mag.V herab, was +8.4 Mag.V absoluter Helligkeit entspricht, zum Vorschein gebracht: Bei allen anderen Szenarien als Weißzwerg-Fusionen bleibt aber der materiespendende Partner zurück. Allerdings mehren sich die Anzeichen, dass es mehrere Wege zu einer Ia-Explosion geben könnte, und so ist dieser eine – per se klare – Fall kein Beweis, dass alle doppelt-entartet sind.

Auch bei der Aufklärung des Vorgänger-Systems der SN 2011fe in M 101 gibt es Fortschritte: Hatte die Analyse der frühen Lichtkurve anhand der Fotometrie durch das Entdecker-Teleskop der PTF (Nugent & al., Nature 480 [15.12.2011] 344-7, zusammen gefasst in ISAN 153-4) noch eine Obergrenze des explodierten Objekts von höchstens 1/10 Sonnendurchmesser geliefert, so zeigt die Nichtdetektion der Supernova auf einer 1-Stunden-Aufnahme des Teleskops PIRATE auf Mallorca noch 7 1/2 Stunden vor dem ersten PTF-Datenpunkt bzw. etwa 4 Stunden nach der Explosion, dass das Objekt sogar höchsten 2% des Sonnendurchmessers gehabt haben kann! Eindeutig ein Weißer Zwerg also: Das folgt sowohl aus Modellierungen – und damit ein paar Annahmen – des Shock-Breakouts wie der Interaktion mit dem Massenspender. Dessen Durchmesser ist in diesem Fall weniger gut eingeschränkt, dürfte aber unter 1/10 Sonnendurchmesser gelegen haben: „a compact object of some sort“. Auch wenn es also weiter kein abschließendes Urteil zur Natur der Ia-Supernovae gibt: Das Feld ist mächtig in Bewegung geraten! [19:50 MEZ]

Das schärfste Bild des „Doppelkerns“ der Andromeda-Galaxie gab‘ auf der 1. PK des 3. Tages zu sehen: Diese Aufnahme mit Hubbles High Resolution Channel der ACS zeigt einen Haufen blauer Sterne um das mutmaßliche Schwarze Loch im Galaxienzentrum und einen Haufen roter Sterne, der es in größerem Abstand umkreist – so kommt die Illusion des Doppelkerns zustand. Andere Beiträge beschäftigten sich mit „failed AGB stars“ in der Nähe des Zentrums derselben Galaxie (wo stärkere Metallizität die Sternentwicklung beeinflusst): Die sorgen für Extra-UV-Licht. Und durch Vergleich mit anderen ähnlichen Galaxien wurde berechnet, dass die Milchstraße eine Farbtemperatur von 4840 Kelvin hat und damit sehr weiß ist: Dem Auge erscheinen ja auch Glühlicht (3000 K) und die Mittagssonne (6500 K) weiß. [17:25 MEZ]

Der VLA heißt jetzt „Karl G. Jansky Very Large Array“

Das also ist das Ergebnis der – von Astronomen wie Lokalpolitikern mit Argwohn betrachteten – ‚Volksbefragung‘ zur Umbenennung des 1980 gebauten aber seit 2000 innerlich runderneuerten (siehe Artikel 34) Radiointerferometers. Ein neues Akronym enthält die Pressemitteilung – der ’neue‘ Name wird in diesen Minuten auf der AAS-Tagung feierlich verkündet – übrigens nicht … Weitere News von der Tagung: die Rolle von Mergers (oder auch nicht), keine Hinweise auf Raumzeit-Granularität durch einen fernen GRB („Die Lorentz-Invarianz …“) und wie man sicher kein Funding bekommt (Grafik) – und weitere Berichte vom Tagungsgeschehen vom Nachmittag und Vormittag des 10. Januar und Nachmittag sowie ganzen 9. Januar. [1:45 MEZ]

Infrarot-Extravaganz Nr. 5: SOFIA und die Folgen der Sternentstehung in W3, wo der massereiche Jungstern IRS2 einen Hohlraum in das umgebende ISM geblasen hat (links im SOFIA-Bild, dessen Ausschnitt auf einer Spitzer-Aufnahme markiert ist) – ein typischer Prozess in Sternbildungsgebieten, den hier das Instrument FORCAST der fliegenden Sternwarte bei 37 µm so scharf wie noch nie betrachten konnte. [22:55 MEZ am 10. Januar]

IR-Extravaganz Nr. 4: Sternentstehungs-Statistik mit WISE anhand eines 1000-Quadratgrad-Mosaiks der Milchstraße, von dem hier nur ein Ausschnitt zu sehen ist. Die Sterndichte in verschiedenen Regionen als Funktion vom Abstand eines Konzentrations-Peaks spricht klar für eine Sternbildung in Kettenreakion, sog. triggered star formation, und gegen ein Alternativmodell mit bevorzugter Sternbildung in einer Schale. [22:45 MEZ]

IR-Extravaganz Nr. 3: Die Spitzer Cygnus X Legacy Survey, eine Durchmusterung einer der aktivsten Sternentstehungsregionen der Milchstraße, umfasst 25 Quadratgrad und hat eine große Zahl Young Stellar Objecs erwischt. [22:40 MEZ]

Infrarot-Extravaganz Nr. 1+2 (so hieß der Obertitel der letzten AAS-PK des 2. Tages): Spitzer und Herschel betrachten die Magellanschen Wolken, oben die LMC, und die SMC. Zu sehen ist kalter Staub, erstmals auf der Skala der Sternentstehung – die in den metallarmen Magellanschen Wolken so ablaufen dürfte wie allerorten vor 10 Mrd. Jahren zur Zeit der heftigsten Sternbildung in der kosmischen Geschichte. [22:25 MEZ]

Auf zu hohen (Röntgen-)Energien: RXTE, Fermi & NuSTAR

spielten bei dem nächsten Runde Pressekonferenzen auf dem Süßwarenmarkt für Astronomen AAS die Hauptrolle.

  • Der (gerade abgeschaltete) Rossi X-ray Timing Explorer hat – zusammen mit dem Radiointerferometer VLBA – den Ausbruch eines Schwarz-Loch-Kandidaten in der Milchstraße nahezu perfekt überwacht: Erst gab’s QPOs, als etwas in der Akkretionsscheibe nach innen spiralierte, dann wurden Jets herausgeschleudert: Der Zusammenhang beider zentralen Phänomene der Astrophysik lässt sich an diesem Beispiel näher ergründen.
  • Der Satellit Fermi hat den Kosmos jenseits von 10 GeV Photonenenergie erschlossen – das dauerte eine Weile, weil manche Quellen nur alle vier Monate mal ein Photon schicken! Der Vorgänger EGRET (auf dem Satelliten CGRO) hatte insgesamt nur 1500 Photonen > 10 GeV in 9 Jahren gesehen, von gerade mal 4 diskreten Quellen, alles Pulsare. LAT auf Fermi hat dagegen in 3 Jahren bereits 496 solche Quellen mit mindestens 4 Sigma nachgewiesen, galaktische wie extragalaktische: 274 sind AGNs, 25 Pulsare, 25 SNR & Pulsarwind-Nebel – aber 168 haben kein Gegenstück bei niedrigerer oder höherer Energie und bleiben einstweilen unidentifiziert. Nach 10 Jahren sollte LAT etwa 1000 Quellen >10 GeV identifiziert haben, alles Objekte mit außerordentlich energiereichen Prozessen.
  • Schließlich wurde noch der NASA-Satellit NuSTAR vorgestellt, der Nuclear Spectroscopic Telescope Array mit den ersten fokussierenden Teleskopen für 6 bis 79 keV, die ein dramatisch schärferes Bild des Himmels in diesem Energiebereich als frühere Satelliten versprechen. Während seine Webseite vor allem Beobachtungen an Supernovaresten, mutmaßlichen Schwarzen Löchern etc. als zentrale Ziele nennt, wurde in der PK betont, dass sich NuSTAR auch der Sonne zuwenden wird: in der Hoffnung, den Mechanismus der Heizung ihrer Korona aufzuklären.
Ansonsten noch frohe Kunde von Gemini (wo die AO jetzt ein 90″-Feld korrigiert), eine Lichtverschmutzungs-Story und Werbung für’s JWST bei den Postern. [20:45 MEZ]

Drei aus dem Rahmen fallende Galaxienhaufen

waren das Thema der ersten Pressekonferenzen am 2. Tagungstag (an dessen Ende gegen 1:30 MEZ übrigens die – umstrittene! – Umbenennung des Very Large Array verkündet werden soll):

Von der Tagung gibt’s außerdem einen Bericht und noch einen über den Vortrag „Big Science in Crisis“, Tagungs-Impressionen aus Zooniverse-Sicht, einen Artikel über das Missions-Proposal FINESSE und die PM zur LOFAR-PK in Englisch (und einen Artikel dazu) sowie einen Bericht von einer Vortagung über Venustransits in der Geschichte. [18:35 MEZ]

Und war da noch … jenseits der Pressekonferenzen

am ersten Konferenztag zum Beispiel von der Entdeckung zweier weiterer Planetenkandidaten durch die Planethunters und von einem Exoplaneten mit 10 Jahren Umlaufszeit zu hören sowie von Spekulationen über einen Exomond von Kepler 16b. Eine andere Arbeitsgruppe hatte ebenfalls (siehe 9. Januar, 18:10 MEZ) eine große Karte der Dunklen Materie im Kosmos zu bieten, das James Webb Space Telescope – das finanziell angeblich aus dem Gröbsten raus sei – wurde schon mal vorab gelobt und vermutet, dass Chandra noch weitere 20 Jahre durchhalten könnte. Der erdgebundenen US-Astronomie geht’s dagegen nicht so gut. Und dann war da noch der Astronaut S. Hawley, der in einer Festrede zu 50 Jahren bemannter Raumfahrt behauptete, Shepard hätte vor Gagarin im All sein können, wenn man nicht wegen der Schwierigkeiten beim Flug des Schimpansen Ham den menschlichen Flug noch mal verschoben hätte. [0:05 MEZ]

Erste vielversprechende Ergebnisse von LOFAR, dem europaweiten Radio-Interferometer, das sich der Fertigstellung nähert aber schon jetzt Wissenschaft produziert: oben ein typisches Einzelbild einer großen Himmelsdurchmusterung (deren Parameter darunter stehen), eine Pulsarbeobachtung und ihre Auswertung (die überraschend nahelegt, dass die Radiostrahlung bei allen Wellenlängen aus der selben Region der Pulsarmagnetosphäre kommt) sowie ein Ausblick auf den möglichen Nachweis eines Signals aus der Ära der Reionisation (EoR) des Kosmos – das sich in etwa einem Jahr aus dem Rauschen schälen können sollte, wenn viele Daten aufintegriert sind. [22:15 MEZ am 9. Januar]

Erste Ergebnisse von APOGEE, dem neuesten Subprojekt der SDSS-III, dessen aufwändiger IR-Spektrograph vor wenigen Monaten den Betrieb aufnahm. Ziel ist die Spektroskopie eines gehörigen Teils der Milchstraße, um ihre Struktur besser zu verstehen: Die detailreichen Spektren verraten sowohl Chemie (oben) wie Radialgeschwindigkeit (Mitte: Verteilung im markierten Feld). Und der Vorgänger SEGUE-2 ist auf Sterne auf Abwegen gestoßen. [19:25 MEZ]

Die große Astro-Show hat begonnen: Wie jeden Januar steigt diese Woche eine der größten Astronomie-Tagungen des Jahres, diesmal in Austin, Texas: Seitens der Teilnehmer wird – was bei entsprechenden Tagungen in Europa leider noch nicht der Fall ist – kräftig gebloggt und getwittert. Und es gibt neun Pressekonferenzen, die auch per Webcast verfolgt werden können. Bei der ersten gerade (oben das Panel, mit 75% Frauenanteil) ging es um die Beobachtung von Dunkler Materie: ihre Kartierung auf der bisher größten Skala per Weak Lensing – und die Vermessung von DM-Halos einzelner Galaxien durch Gravitationseffekte von Nachbargalaxien auf den Wasserstoff in der ausgedehnten Scheibe. Ein Ableger einer Technik, den dieselbe Gruppe schon ein Jahr zuvor präsentiert hatte („‚Dunkle‘ Galaxien …“). [18:10 MEZ]

Rasende Neutrinos schaffen neuen OPERA-Test

5. Dezember 2011

Nur 20 eindeutige Neutrinos aus dem CERN hat der OPERA-Detektor im Gran-Sasso-Tunnel während der Sondermessungen mit den scharfen Pulsen vom 22. Oktober bis 6. November einfangen können, aber diesmal war von jedem die Abflugszeit auf 3 Nanosekunden genau bekannt: Und wieder kamen sie 62±4 Nanosekunden ‚zu früh‘ an, konsistent mit dem 58±8 ns Verfrühung der 10 ms langen Neutrinopulse im regulären Experiment mit 15’233 detektierten Neutrinos. An falscher statistischer Analyse von deren Pulsform liegt die vermeintliche leichte Überlichtgeschwindigkeit der OPERA-Neutrinos also nicht. Der restliche Versuchsaufbau und der Gang der Auswertung waren bei dem Sondertest natürlich unverändert: Wenn z.B. – das bleibt der häufigste Verdacht – etwas mit der Synchronisation der Uhren bei CERN und OPERA nicht stimmt oder bei der Berücksichtigung von Signallaufzeiten in langen Kabeln, hätte dies wieder zum selben Phantom-Effekt geführt. Anhand der detaillierten Versuchsbeschreibung im jetzt zur Veröffentlichung eingereichten Paper hat bislang niemand Außenstehender einen offensichtlichen Fehler gefunden, während sich im OPERA-Team inzwischen die meisten mit dem kuriosen Ergebnis abgefunden und das Paper unterzeichnet haben. Ihnen ist aber genauso wie dem Rest der physikalischen Gemeinde klar, dass erst eine unabhängige Messung des Effekts mit einem ganz anderen Experiment aus der (immerhin 6.2 Sigma großen) Anomalie eine Entdeckung – dann freilich epochalen Ausmaßes – machen würde.

Beim vergleichbaren US-Experiment MINOS werden entsprechende Präzisionsmessungen der Neutrino-Flugzeiten bereits emsig vorbereitet, und es könnte schon in ein paar Monaten (nach anderen Quellen: im Sommer 2012) Ergebnisse geben, während möglicherweise auch das japanische Experiment T2K – mit leiderer kürzerer Flugstrecke seiner Neutrinos – ausreichend genau messen können wird. Und was, wenn MINOS et al. OPERA am Ende klar widerlegen? Dann wird es vielleicht für immer unklar bleiben, was dessen Anomalie zu verantworten hat, wie schon bei so manchem von der Geschichte überrollten physikalischen Sensationsexperiment. Es kann etwas furchtbar simples und zutiefst Menschliches sein, was da schief gelaufen ist, vielleicht nicht mehr als ein Zahlendreher beim Aufsummierungen all der technischen Signalverzögerungen … Science 2.12.2011 S. 1200-1; Symmetry Breaking 1.12., DLF 28., Physics World 22., AstroBites, New Scientist Blog, Telegraph 21., Reuters 20., Telegraph 19., STFC Release, Interactions, Physics World, NYT, Nature Blog, BBC, Guardian, Starts with a Bang, Universe Today, Principles, Wired (mehr), AFP, New Scientist, Science Journalism Tracker 18., revidiertes OPERA-Paper, Symmetry Breaking, Science Insider, Quantum Diaries, Cosmic Log 17.11.2011. Und ein Experiment-Vorschlag zum Nachweis steriler Neutrinos

Die nächste Beinahe-Entdeckung des Higgs (bei 125 GeV)

wird womöglich am 13. Dezember in Genf verkündet: Da werden die Teams der beiden LHC-Hauptdetektoren ATLAS und CMS ihre Ergebnisse des kollisionsreichen Jahres 2011 präsentieren – und mehrere einschlägige Physikblogs haben bereits erfahren, dass beide ein mutmaßliches Signal des Higgs-Teilchens bei 126 GeV (ATLAS, mit 3.5 Sigma) bzw. 124 GeV (CMS, mit 2.5 Sigma) sehen. Das wäre im physikalischen Sprachgebrauch eine „Beobachtung“ aber noch lange keine „Entdeckung“, die 5 Sigma Signifikanz erfordert. Zu diesen Gerüchten passt auch ein geleaktes Rundschreiben des CERN-Chefs, wonach man am 13. zwar von „signifikantem Fortschritt auf der Suche nach dem Higgs“ hören werde aber kein eindeutiges Statement über seine Existenz oder Nichtexistenz. Immerhin hätten die ATLAS- und CMS-Detektionen zusammen eine Signifikanz von etwa 4.3 Sigma, doch von einer präzisen Zusammenführung beider Messungen von insgesamt 10 inversen Femtobarn Kollisionen („Die Proton-Proton-…“) ist man noch weit entfernt.

Im November war eine solche gemeinsame Analyse immerhin für die Kollisionen bis zum Sommer präsentiert worden: Der Energiebereich 141 bis 476 GeV ist demnach mit mindestens 95% Sicherheit ausgeschlossen und der Großteil von 146 bis 443 GeV zu 99%, während Energien bis 132 GeV hinab noch zu 90% ausgeschlossen waren. Damit war eigentlich nur noch der Bereich 114 bis 132 GeV als ‚Rückzugsgebiet‘ für das Higgs übrig geblieben: Sollte es dort tatsächlich residieren, würde dies auch den meisten Erwartungen entsprechen – und würde den Freunden der Supersymmetrie (für die der LHC noch gar keine Hinweise fand) einigen Spielraum lassen. (Nature, Strassler Blogs 4., Strassler Blog 3., Vixra, Woit, MOTLS Blogs, Wired, Quantum Diaries [mehr] 2., BBC, Guardian, Telegraph, Physics World 1.12., Woit Blog 30., Space.com, NYT 28., CERN Courier, Quantum Diaries, Reuters 23., Physics World Blog, BdW, MPG-Interview 22., ATLAS = CMS Joint Analysis, Nature, Woit Blog, Quantum Diaries 18., Telegraph, LiveScience 17., Giudice, Preprint 15.11.2011. Und eine PM des PSI zur Nichtbeobachtung sehr seltener Zerfälle, was zum Standardmodell passt)

Die astronomische Beobachtung zerfallender Teilchen der Dunklen Materie bleibt widersprüchlich, zeigen gleich drei Ergebnisse zu diesem Labor-Nachweis-Versuchen komplementären Weg: So hat der Satellit Fermi zwar den Positronen-Überschuss PAMELAs bestätigt („Der Satellit …“) – aber diese vermeintlichen Produkte der gegenseitigen Vernichtung von DM-Teilchen sieht er auch bei viel größeren Energien, was für enorme Massen und damit eher eine andere Erklärung spricht. Mit Fermi wurden auch etliche Zwerggalaxien betrachtet und dort nur geringe Gamma-Strahlung festgestellt: Wenn diese bei der gegenseitigen Vernichtung von DM-Teilchen untereinander entsteht, müssten diese rar und mithin (nach einer Analyse-Methode jedenfalls) mindestens 40 GeV schwer sein, um zusammen den in den Galaxien beobachteten Gravitationseffekt auf zu bringen – im Widerspruch zu den angeblichen 3 Labornachweisen von DM-Teilchen mit deutlich geringeren Massen. Und das Ballon-Experiment ARCADE hat wiederum angebliche Radiostrahlung von DM-Vernichtungsprodukten in den Magnetfeldern von Galaxienhalos gesehen, die immerhin zu den Teilchenmassen der 3 Laborexperimente passen würde. (Kavli Release [mehr] 28., Brown Univ. Release 23.11.2011; Nature Blog, LA Times 2., Physics World 1.12., Space.com 30., New Scientist 29., Science Now 22.11.2011. Und ein ASPERA Release zu Forderungen der Astro-Teilchenphysik)

Dunkel-Materie-Detektion im Untergrund-Labor: Nun steht es 3:2 …

15. September 2011

Drei Detektoren für den Nachweis von Teilchen der Dunklen Materie in unterirdischen Labors melden jetzt moderat positive Resultate („CoGeNT-Daten …“), zwei andere – wie gehabt – nichts: Mit viel gutem Willen könnte man die drei Signale von DAMA, CoGeNT und nun auch CRESST II noch unter einen Hut bringen, aber sie stehen im krassen Widerspruch zu den Negativmeldungen von XENON 100 und CDMS II. Manche Physiker sind angesichts der CRESST-Daten – 67 Events in Kalziumwolframat-Kristallen, von denen nur 40 durch bekannten Untergrund erklärt werden können – jetzt optimistischer geworden, dass die direkte Beobachtung der ansonsten nur astronomisch motivierten Dunklen Materie geschafft sein könnte, andere halten es für mindestens so wahrscheinlich, dass alle drei Positivresultate falsch sind und durch unterschiedliche unerkannte Hinterhrundeffekte oder systematische Fehler vorgetäuscht werden. Umgekehrt werfen einige der vermeintlich erfolgreichen Gruppen der detektionslosen Konkurrenz weiterhin Unfähigkeit vor – als einziges echtes Fazit bleibt also wieder nur: weiter warten auf bessere Detektoren, tieferes Verständnis der Störquellen und signifikantere Signale … Paper von Angloher & al. 4., Cosmic Variance 5., DLF 6., New Scientist, BBC 7., Physics World 8., KosmoLogs 9., Science News 12., Nature News 13., ASPERA 15.9.2011. Auch Papers zu WIMPs geringer Masse und neuen Limits durch die Detektoren XENON 100 und EDELWEISS-II. Und New Scientist 6.9.2011 zu Beobachtungen des Fermi-Satelliten, die nicht mehr zu zerstrahlender Dunkelmaterie passen

LHC besser als geplant: einfachste Supersymmetrie schon tot, Urteil über das Higgs-Teilchen bis Weihnachten denkbar

Der Large Hadron Collider läuft so hervorragend, dass wichtige Meilensteine bis zu einem Jahr früher als erhofft erreicht werden könnten – bloss wirklich Neues hat er immer noch nicht gefunden. Was bei Experimental- wie theoretischen Physikern inzwischen zwiespältige Gefühle hervorruft: Das Standardmodell der Teilchenphysik hat sich dank der LHC-Daten als robuster denn je erwiesen (und eine vermeintliche Abweichung, die Daten des Konkurrenten Tevatron zu liefern schienen, bestätigt der LHC-Detektor LHCb nicht), während gleichzeitig das dazu gehörige Higgs-Teilchen fehlt und sich immer weniger verstecken kann. Auch die einfachste Version der unter Theoretikern so populären Supersymmetrie als Erweiterung des Standardmodells hat der LHC praktisch schon erledigt: Weder sieht er die von ihr vorausgesagten Teilchen noch hat LHCb entsprechende Effekte registriert. In Sachen Higgs gibt es nun Optimismus, dass schon bis Weihnachten 2011 (und nicht 2012) ein klares Urteil möglich sein könnte, ob es denn nun existiert oder nicht: Noch stehen dem LHC gut zwei Monate Proton-Proton-Kollisionen mit hoher Rate bevor (gefolgt von einem Monat Blei-Blei-Kollisionen und einer Wartungsperiode bis kommendes Frühjahr). Mehr und mehr Artikel sind nun zu finden, in denen Physiker beteuern, eigentlich wäre es ja viel spannender, wenn der LHC das Higgs ausschließen könne – denn das würde den ersehnten Schritt über das Standardmodell hinaus zwangsläufig zur Folge haben, und der LHC würde Nobelpreis-trächtiges Neuland betreten. Genau diese Erweiterung der Teilchenphysik über das nun doch schon Jahrzehnte alte Standardbild hinaus ist dem Tevatron bei allen Erfolgen versagt geblieben: Ende dieses Monats ist es nun vorbei mit ihm. (Science News „24.“, Telegraph 14., LBL ATLAS Blog 10., Not even Wrong, Reuters 5., Quantum Diaries 2., BBC, UPI 1.9., CERN Bulletin, Ars Technica 29., BBC 27., CERN Release 26.8.2011. Und ATLAS Blog 6.9.2011 zu CERN bei der Ars Electronica und DLF 12.9.2011 zu kommenden kleinen Ringbeschleunigern)

Erste Neutrinos aus seltener Fusionsreaktion der Sonne von Borexino nachgewiesen

Die Borexino-Kollaboration hat im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor hat dank verbesserter Unterdrückung von störenden Hintergrundereignissen erstmals Neutrinos aus der seltenen Fusionsreaktion von zwei Protonen und einem Elektron nachgewiesen und zugleich die bislang strengste Obergrenze für den so genannten Bethe-Weizsäcker-Zyklus bestimmt: Beide Resultate bestätigen die gängigen Modellvorstellungen zur Energieerzeugung der Sonne. Nach dem gängigen Sonnenmodell dominiert der so genannte Proton-Proton-Zyklus, der mit der Verschmelzung zweier Protonen (pp-Reaktion) startet: Die hieraus entstehenden Neutrinos haben recht niedrige Energie und waren daher lange Zeit schwer aufzuspüren. Borexino hat aber in den letzten Jahren unter Einbeziehung der Vorgängerexperimente Gallex/GNO den pp-Neutrinofluss indirekt bestätigt und zwei weitere Komponenten (7Be- und 8B-Neutrinos) aus diesem Fusionszyklus direkt nachgewiesen („Den 7Be-Sonnenneutrino-Fluss …“). Offen blieb noch der Nachweis einer alternativen Startreaktion, bei der zwei Protonen und ein Elektron zu einem Deuteriumkern unter Aussendung eines Neutrinos verschmelzen (pep-Reaktion). Dieses Neutrino hat höhere Energie und lässt sich besser nachweisen, jedoch ist diese Reaktion 400mal seltener, da sich hierfür drei Teilchen treffen müssen. Mit Borexino können täglich etwa 50 solare Neutrinos beobachtet werden, aber für den Nachweis der pep-Neutrinos mussten die Forscher weitere Tricks anwenden, um den Untergrund heraus zu filtern. (PM des MPI für Kernphysik 15.9.2011. Auch TU München Press Release, Exzellen Cluster Universe PM 6.9.2011 zur laufenden Theta13-Messung von Neutrinooszillationen mit dem Double-Chooz-Experiment und Physics World und Physics World Blog 13.9.2011 zu möglichen fundamentalen Physik-Tests mit Hilfe der Sonne)

Eine ausgedehnte Staubwolke umgibt Betelgeuse

23. Juni 2011

Der Überriese im Orion (im Deutschen fälschlicherweise Beteigeuze geschrieben) hat sie mit seinem starken Sternwind produziert, das VISIR-Instrument des VLT nun bei 7 bis 19 µm in schrillen Falschfarben abgebildet. Im gleichen Maßstab im Zentrum sternnahe Nebelstrukturen im nahen IR von NACO ebenfalls am VLT aufgenommen (siehe ISAN 91-9), die vielleicht mit den nun entdeckten staubigen Wolken bis in 60 Mrd. km Entfernung von der Sternoberfläche zusammen hängen.

Der protoplanetarische Nebel IRAS 22036+5306 aus Hubbles Sicht mit dem hochauflösenden Kanal der ACS: Noch wird das Licht des Zentralsterns von den Gasmassen, die er zuvor ausgestoßen hat, nur reflektiert – aber wenn er sich in einen heißen Weißen Zwerg umgewandet hat, wird er sie zur Emission anregen. Die Übergangsphase ist viel kürzer als der Zustand als planetarischer Nebel, weshalb nur einige hundert protoplanetarische bekannt sind.

Ein Stück aus dem Staubband der Galaxie Centaurus A, von UV bis NIR von Hubble aufgenommen mit der WFC3: Sonst hinter Staub verborgene Sternentstehungsgebiete werden so sichtbar.

Die Spiralgalaxie NGC 7479 auf einer Hubble-Aufnahme mit der ACS: Im Radiobereich sieht man kurioserweise einen Jet, der sich entgegen der Spiralstruktur im Sichtbaren krümmt – vermutlich das Ergebnis einer Kollision.

Sichtbare Galaxien, heißes Gas und Dunkle Materie des Galaxienhaufens Abell 2744: Das optische Bild stammt von Hubble und dem Very Large Telescope (die Galaxien machen kaum 5% der Haufenmasse aus), das Gas sieht Chandra im Röntgenlicht glühen (hier rosa dargestellt; 20% der Haufenmasse) – und die Verteilung der DM (blau; 75%) ist aus dem Hubble-Bild und Aufnahmen mehrerer irdischer Großteleskope über den Gravitationslinsen-Effekt auf Galaxien im Hintergrund ermittelt worden. Die komplexe Konfiguration von Gas und Dunkler Materie deutet auf die gleichzeitige Kollision von vier Galaxienhaufen hin.

Elektron „runder“ denn je gemessen: ein Test auch für manch ’neue Physik‘

31. Mai 2011

Auch ein Objekt ohne räumliche Ausdehnung kann rund oder in die Länge gezogen sein: Ein freies Elektron umgibt sich nämlich – quantenmechanisch gesehen – mit einer Wolke aus virtuellen Teilchen. Und deren Kugelform ist nun genauer als je zuvor im Labor gemessen worden: zwar nur um 50% besser als zuvor aber mit einem neuen Ansatz, der in ein paar Jahre eine noch 100-mal genauere Aussage über die „Rundheit“ des Elektrons erlauben dürfte – was wiederum Abweichungen vom Standardmodell der Teilchenphysik nachweisen oder ausschließen würde, komplementär zu Messungen etwa in Teilchenbeschleunigern (s.u.). Exakt gesprochen geht es um die Bestimmung eines eventuellen elektrischen Dipolmoments (EDM) des Elektrons, das um mindestens 16 Zehnerpotenzen kleiner als sein magnetisches ist: Die neuen Messungen bedienten sich erstmals eines Moleküls (Ytterbiummonofluorid, YbF), dessen Quantenzustände präzise untersucht wurden. Schon kleine elektrische Zusatzeffekte an seinen Valenzelektronen würden sich interferometrsisch bemerkbar machen, was sie aber nicht taten.

Anders ausgedrückt: Würde man das Elektron (bzw. die virtuelle Ladungswolke um es herum) auf die Größe des ganzen Sonnensystems aufblasen, dann läge die Abweichung von der Kugelgestalt unter der Dicke eines menschlichen Haares. Das Standardmodell sagt ein EDM voraus, das um 11 Zehnerpotenzen unter der heute messbaren Obergrenze liegt, aber diese schließt bereits jetzt bestimmte Ideen in Sachen Supersymmetrie aus, namentlich WIMPs mit einigen 100 GeV: Die würden ein schon jetzt nachweisbares EDM des Elektrons zur Folge haben. Und auch bestimmte Lösungen der Materie/Antimaterie-Asymmetrie – es gilt zu erklären, warum am Ende Materie übrig blieb – lassen sich anhand eines eventuellen EDM testen. Hudson & al., Nature 473 [26.5.2011] 493-6; Leanhard, ibid. 459-60; Imperial College PR, Nature News, New Scientist 25., Physics World 26., Welt der Physik 30.5.2011. Und Arina & al., Preprint 25.5.2011 zum konfusen Bild der diversen Versuche, Dunkle Materie nachzuweisen, und astrobites 26.5.2011 zu einer neuen Methode mit speziellen CCDs

LHC mit Rekord-Strahlintensität weiter auf Erfolgskurs

Inzwischen sind die öffenlichen Versprechen führender Manager des Large Hadron Collider schon sehr konkret geworden: Innerhalb eines Jahres werde der Beschleuniger sicher festgestellt haben, ob an der Supersymmetrie etwas dran ist. Und wenn das Higgsteilchen eine besonders LHC-günstige Masse hat, dann könnte es schon diesen Sommer dingfest gemacht werden – anderenfalls sei bis Ende 2012 eine klare Aussage möglich, ob es überhaupt existiert oder aber nicht. Dieser Optimismus beruht auf der ständig wachsenden Strahlintensität: Mitte April waren bereits 480 „Bunches“ im Protonenstrahl, also Pakete à rund 100 Mrd. Protonen, das Ziel sind 2080 Bunches. Und im Mai hat sich die Zahl der tatsächlichen Kollisionen zwischen den Protonen gegenüber dem Vormonat auf 100 Mio./Sekunde verzehnfacht. Auch liegen jetzt die ersten detaillierten Analysen des Quark-Gluonen-Plasmas vor, das Ende 2010 bei Blei-Blei-Kollisionen („Erste LHC-Blei-Ergebnisse …“) erzeugt worden war: Für kurze Zeit gab es im LHC Materie, die 100’000-mal heißer als das Innere der Sonne und dichter als ein Neutronenstern war – und sich fast wie eine ideale Flüssigkeit verhielt.

Viel diskutiert wurde in den letzten Wochen auch über die nach draußen gedrungene Falschinformation über einen angeblichen Nachweis des Higgsteilchens: Während beim ATLAS-Detektor, aus dessen Kreisen das Leck gekommen war, eher Ärger vorherrscht, freut man sich beim LHC-Management schon fast ein wenig, ist doch die Anlage mal wieder ‚in die Zeitung‘ gekommen – und jetzt wissen alle genau, wie das mit der mehrstufigen Prüfung vermeintlicher Entdeckungen läuft bzw. im Idealfall zu laufen hat. Die merkwürdige Anomalie („Ein weltbewegendes …“) beim bald still gelegten Konkurrenten Tevatron ist übrigens mit mehr Daten nicht wieder weg gegangen sondern sogar stärker geworden, doch der LHC sieht sie weiterhin nicht. Bei der enorm gestiegenen Strahlintensität wird es aber nicht mehr lange dauern, bis er das Tevatron-Resultat klar bestätigen oder widerlegen kann. (Quantum Diaries, Ars Technica, Scientific American 31., Resonaances, Cosmic Variance 30., Francis Science News 28., Nature News 27., AFP 24., CERN Release, Symmetry Breaking 23., New York Times 21., Science News 20., Physics World Blog, New Scientist 19., New Scientist 18., AFP, BBC 17., New Scientist 12., Scientific American 11.5., Quantum Diaries 22.4.2011) NACHTRAG: zum Tevatron-Bump auch dieser und dieser Artikel.

Der Satellit Fermi bestätigt PAMELAs mysteriösen Positronenüberschuss gegenüber Elektronen in der Kosmischen Strahlung: Eigenlich ein Gamma-Observatorium, ist der NASA-Satellit auch als Teilchendetektor zu gebrauchen – und durch clevere Ausnutzung des Erdmagnetfelds sogar in der Lage, positiv und negativ geladene Elektronen zu unterscheiden. Der Effekt ist also kein instrumentelles Problem PAMELAs – aber seine Natur so ungeklärt wie zuvor: Es kann sich ebenso gut um eine bisher übersehene astrophysikalische Quelle – populärste Erklärung: teilchenbeschleunigende Pulsare – handeln wie zerstrahlende Dunkle Materie. Der neue Super-Teilchendetektor AMS auf der ISS – installiert just als die Fermi-Ergebnisse präsentiert wurden – sollte aber in der Lage sein, zwischen den Modellen zu unterscheiden. (Resonaances 17., Physics World 20.5.2011. Und Aguilar & al., Preprint 24.5.2011 zur weiterhin vorhandenen Anisotropie der Quellen der Kosmischen Strahlung mit ~20 TeV über der Südhalbkugel, die das Neutrinoteleskop IceCube anhand von inzwischen 32 Mrd. Myonen sieht)

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.

XENON100 setzt neue schärfste WIMP-Limits für Dunkle Materie

20. April 2011

Die Untergrundexperimente CDMS und gerade erst EDELWEISS hatten schon vorgelegt, und nun hat XENON100 im Gran-Sasso-Tunnel noch deutlich schärfere Obergrenzen für die ‚erlaubten‘ Eigenschaften Weakly Interacting Massive Particles geliefert (in Gestalt einer geschwungenen Kurve des Wechselwirkungsquerschnitts als Funktion der WIMP-Masse). Der Untergrund, v.a. durch radioaktive Kontamination, sollte während des Messintervalls – in der ersten Jahreshälfte 2010 – 1.8±0.6 Events liefern, gesehen wurden drei: völlig insignifikant, die Wahrscheinlichkeit für 3 oder mehr Untergrund-Events lag bei 28%. 100.9 Tage lang waren auf vielfältige Weise abgeschirmte 48 kg flüssiges Xenon von Photomultipliern beobachtet worden: Eindringende WIMPs der Dunklen Materie – durch die Sonne und Erde auf ihrer Bahn um’s Milchstraßenzentrum hindurch saust – hätten sich mit eindeutigen Signaturen bemerkbar machen müssen.

Teilchen, die innerhalb des aktiven Flüssigkeitsvolumens streuen, regen Xenon-Atome an und ionisieren sie: Dies führt einerseits zur prompten Emission von ultraviolettem Szintillationslicht. Zu einer weiteren, verzögerten, Emission von Szintillationslicht kommt es durch die bei der Ionisation freigesetzten Elektronen, die durch die Flüssigkeit bis zu deren Oberfläche driften, um anschließend in dem darüber liegenden, mit Xenon-Gas gefüllten Volumen beschleunigt zu werden. Dabei kommt es im Gas zu Lumineszenz mit der gleichen Wellenlänge von 178 nm wie die des prompten Signals. Die beiden Szintillations-Lichtsignale werden mit zwei Anordnungen von 242 Photomultipliern nachgewiesen: Die gleichzeitige Messung beider Lichtsignale erlaubt die Bestimmung sowohl der Energie als auch der räumlichen Position des Ereignisses (auf Millimeter genau), was Informationen über dessen Natur liefert.

Die neuen Obergrenzen schließen einen großen neuen WIMP-Parameterbereich aus und stehen zum einen in noch viel schärferen Widerspruch zu angeblich positiven WIMP-Detektionen der Experimente DAMA/LIBRA und CoGeNT als ein XENON-Nullresultat vom letzten Jahr (wobei die Konkurrenten schon wieder an der XENON-Datenanalyse mäkeln). Und sie berühren sie erstmals einen Bereich, den gerade auch der Mega-Teilchenbeschleuniger LHC bearbeitet: Sowohl von kommenden XENON-Ergebnissen (eine neue Messreiche mit verringertem Untergrund läuft bereits) wie auch dem LHC dürfen mithin bald noch härtere Aussagen über das Wesen der hypothetischen WIMPs erwartet werden – und vielleicht auch endlich ein signifikant positives Ergebnis. Aprile & al., Preprint 13., Aprile & al., Preprint 15., Farina & al., Preprint 18.4.2011; PM des MPI für Kernphysik, NSF, Weizmann, UCLA Releases; Nature News, Science News [alt.], Physics World, New York Times [alt.], Cosmic Variance, New Scientist Blog, Scientific American, Science Journalism Tracker. NACHTRAG: was CDMS jetzt noch zu melden hat.

Keine Gammastrahlung von Dunkel-Materie-Zerfall in zwei Kugelsternhaufen hat das H.E.S.S.-Cherenkov-Teleskop in Namibia gesehen, das 27 und 15 Stunden lang NGC 6388 bzw. M 15 anstarrte: Gemäß des Standardbildes der Galaxienentstehung sollten in Kugelhaufen gewisse Konzentrationen Dunkler Materie auch heute noch vorhanden sein. (H.E.S.S. Collaboration, Preprint 13.4.) Dafür gibt es bereits eine Interpretation des neuen Tevatron-Mysteriums („Ein weltbewegendes schweres Elementarteilchen im Tevatron?“) als neues Eichboson, das sowohl für die kosmische Dunkle Materie als auch die – gerade von XENON100 ausgeschlossenen, s.o. – Detektionen von DAMA und CoGeNT in Frage käme … (Buckley & al., Preprint 15.4.2011. Auch STFC Release 11.4.2011 zur Technicolor-Interpretation des Effekts)

Den 7Be-Sonnenneutrino-Fluss genauer denn je gemessen

hat das Borexino-Experiment im Gran Sasso-Tunnel, das derzeit einzige weltweit, das Wechselwirkungen niederenergetischer Sonnenneutrinos in Echtzeit beobachten kann: Der Wert hat einen Fehler von weniger als 5% und liefert – zusammen mit dem 8B-Sonnenneutrino-Fluss, den das Experiment bereits früher bestimmte – harte Aussagen über das Wesen der Neutrino-Oszillationen. Dass der Mischungswinkel groß ist („LMA-Region“ des Parameter-Raums), ist nun mit >8.5 Sigma sicher. (Interactions 11.4.2011)

Erste Ergebnisse eines akustischen Neutrino-Detektors, des AMADEUS-Systems von ANTARES im Mittelmeer („Neutrino-Teleskop …“), liegen nun vor: Seit 2008 messen 6 x 6 Hydrophone, was es im Ozean für interessante Geräusche gibt. Neutrinos mit mehr als 100 PeV Energies sollten es auch krachen lassen, und die AMADEUS-Messungen zeigen, dass das System im Prinzip Neutrinos bis 1 EeV hinab sehen würde – wenn es groß genug wäre. (ANTARES Collaboration, Preprint 15.4.2011. Und Russia beyond the Headlines 19.4.2011 zu einem neuen großen Neutrino-Teleskop im Baikalsee)

Gravitationsmessungen an ultrakalten Neutronen

eröffnen neue Möglichkeiten, Eigenschaften der Schwerkraft auf mikroskopischen Distanzen – sind träge und schwere Masse wirklich dasselbe, gibt es Abweichungen vom Newton’schen Kraftgesetz, macht sich die Stringtheorie bemerkbar usw.? – mit extremer Präzision zu erforschen. Der Vorteil: Die Teilchen sind elektrisch neutral und gehorchen im Experiment – das ihre Quantennatur ausnutzt und dabei höchst sensitiv auf Energielevels reagiert – ausschließlich der Gravitation. (PM der TU Wien, All that matters 17., BBC 18.4.2011. Und der Telegraph 17.4.2011 zum LIGO/VIRGO/GEO600-Nachfolger „Einstein Telescope“ mit unterirdischen Riesen-Laser-Interferometern zur Beobachtung von Gravitationswellen) NACHTRAG: noch ein wesentlich detaillierterer Artikel zu den Neutronen-Experimenten.

Nachrichten aus der extremen Physik kompakt

10. April 2011

Lauter Null-Resultate von IceCube und Super-Kamiokande

Da sage keiner, negative Resultate würden in der Wissenschaft nur ungern publiziert – zumindest wenn sie bei Einschränken theoretischer Möglichkeiten helfen, hagelt es Papers, wie jetzt gleich drei von zwei verschiedenen Detektoren für energiereiche Teilchen, die es in Eis bzw. Wasser blitzen lassen:

  • Das Neutrinoteleskop IceCube am Südpol sieht keine Neutrinoschauer bei Gamma Ray Bursts. In halbfertigem Zustand (40 Strings) wurde in der jeweils der halben Stunde nach 117 GRBs nichts gesehen: Das schließt bestimmte GRB-Modelle aus und macht es unwahrscheinlich, daß Gammabursts eine Quelle ultrahochenergetischer Kosmischer Strahlung sind. (APS Synopsis 7.4.2011) [NACHTRAG: Ist noch wem aufgefallen … NACHTRAG 2: … und noch jemand.]

  • Der japanische Super-Kamiokande sieht deutlich weniger aufwärts fliegende Myonen als zu erwarten wären, wenn die Dunkel-Materie-Detektoren DAMA und CoGeNT tatsächlich WIMPs sehen würden. Die sich dann in der Sonne ansammeln und vernichten müssten, wovon Super-Kamiokande etwas mitbekommen müsste. (Kappl & Winkler, Preprint 4.4.2011)

  • IceCube wiederum sieht keine Hinweise auf sterile Neutrinos, wie sie die Daten von LSND und MiniBooNE („Vage Hinweise …“) erklären könnten: Die würden den Fluss atmosphärischer Neutrinos – die der Eis-Detektor reichlich sieht – markant beeinflussen, weshalb das sterile Neutrino auf diesem Weg mit 3 Sigma Signifikanz ausgeschlossen werden kann. (Razzaque & Smirnov, Preprint 7.4.2011)

Zur Konfusion in Sachen Neutrinos, Antineutrinos und ggf. steriler Neutrinos tragen auch neue Berechnungen der Antineutrino-Produktion in Kernreaktoren bei, nach denen mehrere Generationen von Detektorexperimenten jeweils ca. 3% der flüchtigen Teilchen übersehen haben. (Mueller & al., Preprit 11., Mention & al., Preprint 23.3., Nature News 1.4.2011. Und das Nature Blog zu möglichen Detektorstörungen weltweit durch Fukushima-Teilchen)

Ein weltbewegendes schweres Elementarteilchen im Tevatron?

Wie schon kurz gemeldet („Hat das Tevatron …?“ Nachträge 3-5), hat sich bei Kollisionsexperimenten im amerikanischen Ringbeschleuniger möglicherweise ein schweres Elementarteilchen mit etwa 140-150 GeV Masse bemerkbar gemacht, das weder das lang gesuchte Higgs-Teilchen ist (dafür zerfällt es ganz anders) noch vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wird: Es könnte sogar der Träger einer fünften Grundkraft der Natur – ähnlich der starken Kernkraft – sein und wäre dann tatsächlich eine bahnbrechende Entdeckung. Wäre, denn der Effekt ist nur 3.2 Sigma groß und damit definitiv keine Entdeckung sondern nur eine interessante Schwankung, die man im Auge behalten sollte: Viele 3-Sigma-Effekte der Teilchenphysik sind mit mehr Daten wieder verschwunden, erst ab 5 Sigma spricht man von einer Entdeckung. Hier könnte der Effekt (bei Kollisionen, die ein W-Boson und zwei hadronische Jets erzeugen) sogar durch subtile systematische Fehler vorgetäuscht sein, und frühere Experimente sprechen tatsächlich in der Tendenz gegen das Teilchen.

Bis auf ein paar Schlagzeilen-Autoren sind sich daher alle einig: Geduld ist angesagt! Denn sowohl das Tevatron selbst hat bereits eine Menge Daten eingefahren, die nach Auswertung den Effekt deutlich stärker machen oder aber zum Verschwinden bringen werden, und auch der Large Hadron Collider würde noch dieses Jahr etwas sehen müssen. Das hindert die Theoretiker natürlich nicht, das mutmaßliche Teilchen schon mal ausgiebig in Modelle einzubauen – und eine vorgeschlagene Erweiterung des Standardmodells, die „Technicolour“-Hypothese, hat sogar etwas Ähnliches vorausgesagt. Spötter haben das Teilchen dagegen schon „Budgeton“ getauft: Schließlich ist die Abschaltung des Tevatron („Das Tevatron wird …“) noch dieses Jahr beschlossene Sache, und wer weiß, was eine potenziell große Entdeckung … (CDF Collaboration, Preprint 4., Fermilab Today 7.4.2011; zahlreiche weitere Artikel mit unterschiedlichem Tiefgang hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier) NACHTRAG: das Medienecho im Überblick.

Bis zu 430 Atome, trotzdem Quantenverhalten: die schwersten „Schrödinger-Katzen“

Die Rechnungen der Quantenmechanik funktionieren, daran gibt es nach bald einem Jahrhundert nichts zu mäkeln – aber was sie bedeutet, darüber wird immer noch nachgedacht. Und konkret experimentiert: Gesucht wird das größte physische Objekt, das sich im Versuch wie eine Welle benimmt, mit messbaren Interferenzeffekten. Heute wird weithin angenommen, dass ein Quantenobjekt durch Wechselwirkung mit der Umwelt „dekohärent“ wird und seine Wellenfunktion zu einem eindeutigen Gebilde kollabiert; je größer ein Ding, desto leichter wirkt es wechsel und desto labiler ist die Wellenfunktion. Bisher waren die größten Objekte, an denen als Wellen experimentiert wurde, C60-„Fußball“-Moleküle, aber nun ist es gelungen, organische Moleküle oktopusartiger Gestalt mit bis zu 430 Atomen, 6 nm Größe und Atomgewicht 6910 in einem Interferometer als Wellen mit sich selbst interferieren zu lassen.

Eine grundlegende physikalische Entdeckung ist das zwar nicht aber insofern verblüffend, als diese Moleküle bereits die Komplexität von Insulin haben und mancher – quasi-lebende – Virus auch nicht größer ist. Schrödingers berühmte Katze ist in dem legendären Gedankenexperiment von 1935 ja nur deshalb gleichzeitig lebendig & tot, weil sie sich ‚unbeobachtet‘ zusammen mit einem einzelnen Atom unbekannten Zerfallszustands in einer Kiste befindet. Jetzt scheint es nicht mehr ausgeschlossen, direkt mit lebenden Organismen Quantenexperimente zu machen – das gibt zumindest zu denken … (Gerlich & al., Nature Communications, Nature News 5., PM der Uni Wien 6.4.2011. Auch eine PM der Uni Innsbruck zum ersten Quantengas zwischen zwei fermionischen Elementen, Ars Technica zu einer kuriosen Gravitations-Theorie und die FAZ zu Problemen mit der Großen Vereinheitlichung)