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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)

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.