Posts Tagged ‘Quark-Gluon-Plasma’

Fundamental-physikalische Nachrichten kompakt

8. Juli 2011

Zuviel Galaxien-Klumpung auf den größten Skalen?

Der Effekt ist nur ein paar Prozent groß, und viele systematische Störquellen – quer durch’s Universum – müssen sicher ausgeschlossen werden, aber derzeit scheint es, ab ob die Verteilung der Galaxien im Kosmos auf den größten Skalen klumpiger ist als es die Standardkosmologie (die auf kleineren Skalen bestens passt) vorhersagt. 723’556 leuchtkräftige rote Galaxien (LRGs) aus der Sky Digital Sky Survey – genauer: deren MegaZ DR7 Photometric Redshift Survey – waren in vier Rotverschiebungsintervalle zwischen 0.45 und 0.65 eingeteilt worden: Je größer die Rotverschiebung desto ausgeprägter das Clustering. Offensichtliche Dreckeffekte sehen die Autoren nicht, die entweder subtile Effekte speziell bei den fernsten und schwächsten Galaxien oder aber „neue Physik“ als Erklärung vorschlagen. Eine unabhängige Überprüfung mit SDSS-Galaxien des DR8 sieht die behauptete Klumpung übrigens nach Beseitigung vieler Störquellen nicht … (Thomas & al., Phys. Rev. Lett. 106 241301, Hudson, Physics 13.6., Ross & al., Preprint 1.7.2011)

Die Lorentz-Invarianz ist so gesund wie noch nie bzw. eine Lorentz Invariance Violation (LIV) besser denn je ausgeschlossen: Das ergibt sich aus Polarisationsmessungen eines Gamma-ray Bursts in 85 Mpc Entfernung durch den Satelliten Integral. Eine mögliche Folge von LIV – die sich bei bestimmten Verknüpfungen von Allgemeiner Relativität und Quantentheorie ergäbe – wäre Doppelbrechung im Vakuum (vaccum birefringence): Die Polarisationsebene von Photonen würden sich anhängig von ihrer Energie verschieden verdrehen. Das war schon beim nahen Krebspulsar nicht gesehen worden und nun auch beim besonders hellen GRB 041219A nicht, was mögliche LIV noch um vier Größenordnungen stärker einschränkt. Kann man auch so ausdrücken, dass die „Körnigkeit“ der Raumzeit < 10^-48 m ist, was manchen Theoretikern aber nicht passt. Und zu der kuriosen Hypothese eines "holografischen Universums" passt's auch nicht. (Laurent & al., Physical Review D 83 121301 (2011); ESA Release 30.6., Discovery 1., New Scientist 7.7.2011)

Oszillationen von Myon- in Elektron-Neutrinos gesehen

hat offenbar das MINOS-Experiment in den USA, bei dem Neutrinostrahl vom Fermilab 735 km weit zu einem Detektor in die Soudan-Mine geschickt wird: Dieses Ergebnis passt zu den Messungen von T2K in Japan und schränkt die physikalischen Parameter der Neutrinooszillationen noch schärfer ein als dieses. MINOS setzt seine Messungen noch bis 2012 fort, T2K soll sie – nach Behebung der Bebenschäden – Ende des Jahres wieder aufnehmen, und weitere Oszillationsexperimente mit Neutrinos aus KKWs sind in Vorbereitung: In absehbarer Zeit wird das Wesen dieser extrem flüchtigen Elementarteilchen noch viel besser im Griff sein. (Fermilab Press Release, Nature Blog, Ars Technica 24.6.2011. Und D0-Akten, Symmetry Breaking 30.6., Resonaances, BBC 1., New Scientist 6.7.2011 zum signifikanter gewordenen B-Mesonen-Effekt am Tevatron, der etwas zum Überwiegen der Materie gegenüber der Antimaterie aussagen könnte)

Das Untergrundlabor DUSEL würde Milliarden von Dollar kosten, hat eine detaillierte Studie für das dringend gewünschte Labor in der ehemaligen Homestake-Mine („Neues Untergrundlabor …“) ergeben: zwischen 1.2 und 2.2. Mrd.$. Drei Experimente soll(t)en dort ihre Heimat finden, der gewaltige Neutrinodetektor LBNE, der wieder (s.o.) Neutrinos aus dem Fermilab sehen würde, und zwei kleinere Instrumente. Um das Deep Underground Science and Engineering Lab nebst LBNE in absehbarer Zeit zu realisieren, wäre ein baldiger „Buckel“ im Budget des federführenden US-Energieministeriums vonnöten, der angesichts der enormen Sparzwänge derzeit nicht in Sicht ist. (Science 1.7.2011 22-23) NACHTRAG: Zumindest die DUSEL-Wissenschaft hat gute Noten bekommen, auch wenn’s jetzt wenig hilft.

Materie zerschmilzt zu Quark-Gluonen-Plasma bei 2 x 10^12 Kelvin (2 Billionen Grad)

bzw. – physikalischer gesprochen – bei 175 MeV Energie: Das ist eine zentrale Erkenntnis aus Messungen mit dem Beschleuniger RHIC (siehe Artikel A50a) im Zusammenspiel mit theoretischen Berechnungen, die diesen fundamentalen Parameter der Quantenchromodynamik nun so direkt wie möglich festgelegt haben. Das Ergebnis passt zwar auch zu indirekteren Herleitungen aus der Lattice-Variante der QCD, aber die Berechnungen der RHIC-Forscher halten mache Lattice-Theoretiker für weitgehend wertlos. So oder so zielen neue RHIC-Messreihen bereits auf den kritischen Punkt im Phasendiagramm der QCD, eine noch bedeutendere Größe in diesem Theoriegebäude der Materie, während gleichzeitig das ALICE-Experiment des LHC bei gelegentlichen Blei-Blei-Kollisionen („Erste LHC-Blei-Ergebnisse …“) die – überraschend geringe – Viskosität des Quark-Gluonen-Plasmas bestimmt. (LBL Press Release, Physics World 23.6.2011. Und Welt der Physik 24.6.2011 zur möglichen Beobachtung von Hadronen aus 6 Quarks im Forschungszentrum Jülich – die leider nur 10^-23 Sekunden lebten …)

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)

Im LHC kollidieren jetzt Ionen von Blei (ein explosives Zwischenspiel bis zur Winterpause)

8. November 2010

Einen Monat lang, vom 7. November bis 6. Dezember, werden im Large Hadron Collider nicht mehr Protonen sondern Ionen von Blei zur Kollision gebracht: ein Zusatzprogramm unabhängig von der großen Suche nach ’neuer Physik‘ mit Protonenstrahlen, die dieses Jahr gute Forschritte gemacht hat. Mit den Ionen-Kollisionen macht der LHC dem amerikanischen RHIC (siehe Artikel 53) Konkurrenz bei der Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma – sozusagen Zuständen wie kurz nach dem Urknall. In den Mini-Explosionen ist es dichter und heißer (1 Mio. mal so heiß wie im Kern der Sonne) als je bei einem Experiment: Ziel ist dabei ein besseres Verständnis der Starken Kernkraft. Die Teilchenschauer nach Ionen-Kollisionen sind viel komplexer als bei den Protonen, aber die drei Detektoren, die jetzt mssen (neben ATLAS und CMS speziell auch die für entwickelte ALICE) und Datentechnik des CERN kommen damit klar: Letztere müsste nach Tests mit der doppelten Datenrate der Ionenkollisionen (und der dreifachen der Protonenkollisionen) umgehen können.

Zuvor waren am 4. November die Protonenkollisionen zum Ende gekommen – und allein im letzten Monat wurden dank der stetig steigenden „Leuchtkraft“ des Beschleunigers mehr Daten gewonnen als in der ganzen Zeit seit März. Die Schlüsselmarke von 10^32 Kollisionen pro Quadratzentimeter und Sekunde war am 13. Oktober sogar zwei Wochen vor dem Zeitplan erreicht worden, und am Ende war der LHC sogar zweimal besser. Das Hauptziel für 2011 ist – nach Wiederaufnahme des Betriebs im Februar – das Erreichen so vieler Protonenkollisionen, dass mit einiger Wahrscheinlichkeit ’neue Physik‘, welcher Art auch immer, in den angesammelten Daten gefunden werden kann. Dann folgen größere Nachbesserungen, und ab 2013 wird mit 6.5 (statt bisher 3.5) und später vielleicht 7 TeV pro Proton kollidiert. Große Visionen gehen von einem Komplettaustausch der LHC-Magnete um 2030 und Erhöhung der Protonenenergie auf 33 TeV aus.

CERN Releases 8., 4., STFC Release 7., LBL Release 4.11.2010; Physics World, BBC, New Scientist Blog, Welt der Physik 8., Physics World, Nature Blog 4., New York Times 1.11.2010. Auch ein detaillierter Vortrag von John Ellis zu den Perspektiven der Suche nach Dunkler Materie mit dem LHC – ziemlich starker Tobak. Und das Guardian-Blog zur, äh, theologischen Bedeutung der aktuellen LHC-Experimente … NACHTRAG: Bei den Proton-Proton-Kollisionen registrierte das CMS im September das erste „ZZ event“, wichtig für spätere Higgsologie.

Vage Hinweise auf ein viertes – steriles – Neutrino

hat das Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) am Fermilab gefunden: Dort sieht man mehr Neutrinooszillationen als bei den drei bekannten Neutrino-Flavors zu erwarten wären. Das könnte eine Bestätigung entsprechender Beobachtungen beim LNSD-Experiment vor Jahren sein, die MiniBooNE zunächst widerlegt zu haben schien. Nun ist die Verwirrung groß: Die positiven LNSD- und MiniBooNE-Beobachtungen erfolgten an Antineutrinos, die negativen MiniBooNEs hingegen an Neutrinos. Dass sich Neutrinos und ihre Antiteilchen unterschiedlich verhalten, hatten wiederum andere Daten MiniBooNEs („Gibt es Unterschiede …?“) wie auch des MINOS-Experiments angedeutet.

Die neuen MiniBooNE-Daten sind allerdings wieder nur ein „Drei-Sigma-Effekt“ und damit bei weitem noch keine wirklich überzeugende Entdeckung und bestätigen auch nicht exakt die LSND-Ergebnisse – ein schlüssiges Gesamtbild ergibt sich damit noch lange nicht, und es kann sich auch alles noch in Luft auflösen. „Sterile Neutrinos“ wären direkt noch schwerer nachzuweisen als die drei bekannten Typen, da sie nicht mal auf die schwache Kernkraft sondern nur auf die Schwerkraft reagieren: Das macht sie immerhin, da sie auch schwerer als die anderen Neutrinos wären, zu potenziellen Kandidaten für die Dunkle Materie des Kosmos. (Ars Technica, PhysOrg 2., New Scientist 3., Discovery 4.11.2010)

Ein weiterer Schritt zur Großen Vereinheitlichung aller vier Naturkräfte könnten neue Berechnungen zum Verhalten der Kopplungskonstanten der Gravitation bei extrem kleinen Distanzen (10^-32 bis 10^-35 m) sein: Sie deuten an, dass sich die sonst viel geringere Stärke der Schwerkraft am kleinen Ende mit der der anderen drei Kräfte annähert. Ausprobieren lässt sich das leider bis auf Weiteres nicht: Man bräuchte Energien, die 10^13-mal größer sind als was der LHC schafft. (Toms, Nature 468 [4.11.2010] 56-9, auch Amelino-Camelia, ibid. 40-1. Die Stärke der Schwerkraft – G – ist übrigens gar nicht so leicht zu messen: Parks & Faller, Preprint; Nature News, Science Blogs. Von Gravitationswellen ganz zu schweigen)

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)