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Archiv für August, 2015

Jagd nach den dunklen Lichtteilchen

Jagd nach den dunklen Lichtteilchen

Physiker haben entdeckt, dass sich ein kurzlebiges Teilchen aussergewöhnlich verhält. Jetzt soll ein Experiment zeigen, ob dies der Schlüssel zur rätselhaften Dunklen Materie ist.

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Wenn Lee Roberts von seinem neuen ­Experiment erzählt, meint man ein hoffnungsfrohes Leuchten in seinen Augen zu erspähen. Denn sollte der Versuch des Bostoner Physikprofessors glücken, könnte er auf bis dato unentdeckte Elementarteilchen hinweisen – sogenannte dunkle Photonen, welche Bestandteile der geheimnisvollen Dunklen Materie wären. Anders als der Riesenbeschleuniger LHC in Genf sucht Roberts allerdings nicht direkt nach neuen Teilchen­exoten. Stattdessen nimmt sein Team ein altbekanntes Teilchen unter die Lupe: das Myon.

Myonen entstehen zum Beispiel durch das Bombardement mit kosmischer Strahlung in der Erdatmosphäre. Sie lassen sich aber auch gezielt erzeugen, ­indem ein Beschleuniger Wasserstoffkerne auf einen Metallblock feuert. «Dabei bilden sich schnelle Myonen, die wir in unserem Experiment in einen Spezialmagneten lenken», sagt Roberts. Das Magnetfeld zwingt die Winzlinge auf eine kreisähnliche Bahn, welche die Forscher dann mit Spezialsensoren genauestens verfolgen. Zwar sind die Teilchen instabil und zerfallen nach nur zwei Millionstel Sekunden wieder. Das aber genügt den Physikern, um das Kreiseln der Myonen präzise zu vermessen.

Das Entscheidende: Im Magnetfeld verhalten sich die Myonen wie winzige Kreisel und fangen an zu taumeln. Vor rund zehn Jahren machten die Forscher bei einem Vorgängerexperiment in Brookhaven in der Nähe von New York eine überraschende Beobachtung: «Die Myonen taumelten schneller, als wir es von den theoretischen Berechnungen erwartet hätten», sagt Roberts.

Hinweis auf andere Gesetze

Damit verstossen die Messdaten gegen das gängige Regelwerk der Teilchenphysik, das Standardmodell – für die Fachleute ein Grund zur Aufregung. ­Bislang nämlich hatte sich dieses Standardmodell in sämtlichen Experimenten bewährt, scheint also die Welt des Mikrokosmos bestens zu beschreiben. Ein Riss in dem Regelwerk wäre eine Sensation und ein Hinweis darauf, dass hinter seinen Formeln andere, tiefer­gehende Gesetze stecken – womöglich das wahre Fundament der Physik.

Um die Ergebnisse zu prüfen, versuchen Roberts und sein 150-köpfiges Team nun mit einem besseren Versuchsaufbau am Fermilab-Forschungszentrum in Chicago, den fehlenden Beweis zu erbringen. Dessen Kernstück stammt noch vom alten Experiment – ein 14 Meter grosser, supraleitender ­Magnet in Reifenform. Der Fermilab-Beschleuniger, der den Magneten mit Myonen füttert, erzeugt stärkere und reinere Myonenstrahlen, was präzisere Messdaten verspricht.

Da der Klotz supraleitend ist, muss er bis an den absoluten Temperaturnullpunkt heruntergekühlt werden. Dann justieren die Forscher den Magneten haarklein – nur wenn das Magnetfeld extrem gleichmässig ist, lässt sich das feine Herumtaumeln der Myonen präzise erfassen. «Diese Arbeiten werden dauern», sagt Lee Roberts. «Deshalb rechnen wir erst 2017 mit Messdaten.»

Spezieller Photonenaustausch

Danach sollte klar sein, ob sich die Resultate aus Brookhaven erhärten und das Myon tatsächlich schneller taumelt als erlaubt. Für diesen Fall haben die Physiker bereits Erklärungsversuche ­parat – etwa eine hypothetische Theorie namens Supersymmetrie. Sie geht davon aus, dass jedes Teilchen einen schweren, noch unentdeckten Partner besitzt, die Susy-Teilchen. Diese schweren Partnerteilchen könnten, so vermuten die Physiker, wie aus dem Nichts ­neben dem Myon auftauchen – eine der ­bizarren Folgen der Quantenphysik. Zwar sollten die geisterhaften Gebilde nach unmessbar kurzer Zeit wieder verschwinden. Aber ihre flüchtige Präsenz könnte genügen, den Myonen einen kleinen Schubs zu verpassen und ihr Taumeln merklich zu beschleunigen.

Doch es könnte auch etwas anderes hinter dem Phänomen stecken. «Wir vermuten, dass es im Kosmos jede Menge Dunkle Materie gibt», sagt Bill Marciano, Theoretiker am Brookhaven National Laboratory in den USA. Diese ominöse Materienform ist zwar komplett unsichtbar, hält aber offenbar durch ihre Gravitation die Galaxien zusammen. «Wir glauben, dass Dunkle Materie aus exotischen Teilchen besteht», so Marciano. «Und diese Teilchen sollten in Kontakt miteinander stehen, indem sie Photonen austauschen.» Der Photonenaustausch ist in der Physik ein gängiger Prozess: Stossen sich zwei Elektronen aufgrund ihrer elektrischen Ladung ab, so verständigen sie sich darüber, indem sie Photonen (Lichtteilchen) als Kundschafter hin und her schicken.

Teilchen der Dunklen Materie sollten allerdings nicht über ­gewöhnliche Lichtteilchen miteinander sprechen, sondern über spezielle, dunkle Photonen. Für den Laien eine sonderbare Vorstellung: Eigentlich ist Licht von Natur aus hell. Das besagte Photon hingegen wäre ­komplett dunkel. «Rein rechnerisch könnten diese dunklen Photonen die Myonen beeinflussen», erläutert Marciano. «Doch ob an dieser Idee irgend­etwas dran ist, werden wir erst in einigen Jahren erfahren – wenn das neue Myonenexperiment in Chicago seine ­Resultate geliefert hat.»

(Tages-Anzeiger)

(Erstellt: 12.08.2015, 07:33 Uhr)

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Forscher aus Brookhaven, New York, bemerkten, dass Myonen schneller taumelten als berechnet.
Foto: Brookhaven National Laboratory

Veranstaltungsreihe
«Forschung live»

Zürcher Forscher zeigen,
was sie beschäftigt

Obwohl wir nichts davon spüren, muss die Dunkle Materie irgendwo sein, das zeigt die aktuelle Forschung. Wer mehr darüber wissen will, hat am Samstag die Gelegenheit, im ETH-Hauptgebäude in verschiedene Vorträge von Physikern hineinzuhören, die während der Veranstaltungsreihe «Forschung live» in und um Zürich stattfinden. Aber das ist noch nicht alles: In über 100Aktivitäten von heute Mittwoch bis Sonntag will die Schweizerische Akademie der Naturwissenschaften an ihrem 200-Jahr-Jubiläum die Forschung unter die Leute bringen.

Kern der Veranstaltung ist eine Installation am Limmatquai, die bis Samstag unter dem Titel «Einsichten» präsentiert wird. Ausstellungsmacherin Fabienne Barras hat drei riesige begehbare Polyeder aufgestellt, die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Naturwissenschaften in der Schweiz präsentieren. Die Besucher sollen dabei in die Polyeder hineinkriechen und so in die Welt der Forschung eintauchen. Um die Objekte herum werden Jungforscher über ihre Tätigkeit plaudern und Fragen der Bevölkerung beantworten.

In den Begleitveranstaltungen gibt es Führungen, Vorträge und Events an 27 Orten – vom Moulagenmuseum über das Theater Spektakel bis zum Kinderspital. Letzteres bietet Kindern am ­Samstag zwischen 13 und 17 Uhr die Möglichkeit, mithilfe des Armroboters Charmin zu gamen. Der Roboter unterstützt im Spitalalltag die kleinen Patienten bei der Rehabilitation. Und am Theaterspektakel präsentieren die beiden Autoren Gerhard Meister und Matto Kämpf Samstag- und Sonntagabend eine Slapstick-Science-Slam-Show über Hirnforschung unter dem Namen «Hirni».

Das Programm ist auf der Homepage http://www.forschung-live.ch oder via App Scienceguide einsehbar, die kostenlos im App-Store oder bei Google Play ­heruntergeladen werden kann. (mma)

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