Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die uns bekannten Grundbausteine der Materie mit beeindruckender Genauigkeit. Und doch wissen wir: Es stellt die Natur nicht komplett dar und kann somit nicht die endgültige, allumfassende Theorie sein. Um die Physik jenseits des Standardmodells – wir nennen sie „neue Physik“ – zu entdecken, braucht es extrem präzise Experimente und Messungen, kombiniert mit extrem präzisen Berechnungen. PRÄZISION ist daher das Leitthema von PRISMA+ – und dieser Ausstellung.
Im unserem ersten Modul können Sie spielerisch die vielen Facetten von PRÄZISION kennenlernen. Sie bilden den roten Faden unserer Ausstellung und sind in den übrigen Themenmodulen dargestellt. Auch nehmen wir Sie mit auf eine faszinierende Entdeckungsreise durch die Welt des Allerkleinsten und des Allergrößten. Denn die Forschung bei PRISMA+ erstreckt sich über 45 Größenordnungen – von einer Strahlungsquelle am Rande des Universums bis ins Innere eines Protons.
Weiterführende Infos:
Das Standardmodell der Teilchenphysik – der Baukasten der Natur
Seit rund 60 Jahren arbeitet die Physik mit dem „Standardmodell der Teilchenphysik“ – einer Theorie von Teilchen und Wechselwirkungen, die sehr viele Phänomene sehr genau erklären und vorhersagen kann. Aber eben nicht alle.
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist sozusagen der Baukasten der Natur – die Anzahl der Bausteine ist sehr überschaubar.
Ausführliche Infos zum Standardmodell der Teilchenphysik gibt es hier.
In der 3sat-Mediathek finden Sie zudem einen Film aus der Sendung „nano“ vom 30. April 2021 , der zeigt, wie man sich das Standardmodell der Teilchenphysik als „Gebäude“ mit vielen Zimmern vorstellen kann – los geht es bei Minute fünf.
Physik der Extreme – vom Quark zur Supernova
Über 45 Größenordnungen erstreckt sich die Forschung bei PRISMA+. Von den kleinsten Bausteinen der Materie bis zu den am weitesten entfernten Objekten im All. Dabei untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Mainz vor allem die extremen Dimensionen.
Doch warum interessiert sich die Forschung überhaupt für solch unvorstellbar kleine Dinge wie Quarks als elementare Bausteine der Materie? Wir können sie nicht sehen und bei den Phänomenen des Alltags spielen sie scheinbar keine große Rolle. Und doch ist es so, dass sie unsere Welt erklären und eine Bedeutung auch für die ganz großen Strukturen haben!
Hier ein Beispiel:
Blaue Riesen sind Sterne, die etwa die 50-fache Masse der Sonne erreichen können. Die meisten herkömmlichen Modelle gehen davon aus, dass solche massereichen Sterne zu Schwarzen Löchern kollabieren sollten. Dennoch könnte die Umwandlung von Neutronen in ein Quark-Gluon-Plasma in Blauen Riesen zu Supernova-Explosionen führen.
Sterne gewinnen ihre Energie durch Kernfusion, bei der jedes Mal schwerere Elemente entstehen. Wenn dieser Prozess die Produktion von Eisen erreicht, kann die Fusion keine weitere Energie mehr erzeugen und die Schwerkraft zum Zentrum hin wird nicht mehr durch die Fusionsenergie kompensiert. Daher beginnt der Stern zu komprimieren und stößt die überschüssige Masse in Form einer Flut von Neutrinos aus. Bei Sternen mit weniger als 70 Sonnenmassen (wie den Blauen Riesen) könnte der durch die Gravitationskraft verursachte Dichteanstieg die Neutronen im Zentrum in ein Quark-Gluon-Plasma verwandeln. Das Besondere: In diesem extremen Zustand kommen die kleinsten Materiebausteine, die Quarks, quasi frei und ungebunden vor, während sie normalerweise immer nur in Zweier- oder Dreierpaaren auftreten – letztere heißen Baryonen, die bekanntesten sind Protonen und Neutronen. In diesem Fall wäre die durch den Phasenübergang (von baryonischer Materie zum Quark-Gluon-Plasma) gewonnene Energie hoch genug, um eine Supernova-Explosion auszulösen, die eine zweite Welle von Neutrinos ausstoßen würde. Das Ergebnis dieser zweiten Explosion wäre ein Neutronenstern und kein Schwarzes Loch, das sich ohne die Entstehung von ungebundener Quarkmaterie gebildet hätte.
Sollte sich ein solches Ereignis in unserer Galaxie ereignen, könnte es experimentell nachgewiesen werden. Infolge der doppelten Neutrinoemission würden die Neutrinodetektoren auf der Erde zwei unterschiedliche Signale registrieren, die eine Sekunde voneinander entfernt wären.
Quiz
- Wie viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen derzeit am Exzellenzcluster PRISMA+?
a. mehr als 50
b. mehr als 150
c. mehr als 300 - Wie heißt das aktuelle Theoriemodell der Teilchenphysik?
a. Weltformel
b. Standardmodell
c. Quarkszenario
In unserem Alltag und in vielen Berufen spielt Präzision eine wichtige Rolle. In Forschung und Technologie hat eine immer größere Präzision unser Wissen über die Welt wieder und wieder entscheidend vorangebracht. Und doch ist jede Messung, jede Berechnung immer auch mit einer Unsicherheit behaftet – einem Fehler.
Doch damit nicht genug: Denn es gibt unterschiedliche Arten von Fehlern beziehungsweise von Präzision. Wir veranschaulichen in diesem Modul anhand einer Dartscheibe den Unterschied zwischen statistischen und systematischen Fehlern. Letztere sind das eigentliche harte Brot. Ihnen auf die Spur zu kommen, ist oft gar nicht so einfach, wie Sie in der Ausstellung anhand scheinbar normaler Würfel ausführlich testen können.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind sich bewusst, dass es in ihren Experimente und Rechnungen immer Fehler und Unsicherheiten gibt. Deshalb investieren sie viel Zeit darin, Fehlerquellen zu identifizieren und zu minimieren. Hierin steckt oft sehr viel mehr Arbeit als in der eigentlichen Messung. Der Lohn: Durch die Minimierung von Fehlern kann die Wissenschaft inzwischen in vielen Bereichen eine unglaubliche Präzision erreichen. Das gilt ganz besonders für unsere Forschung bei PRISMA+ – wie Forscherinnen und Forscher auf unterhaltsame Art und Weise in diesem Modul berichten.
Lernen Sie hier zwei unserer PRISMA+ Minds of Mainz kennen:
Weiterführende Infos:
Systematische Fehler
In der Ausstellung nehmen wir insbesondere systematische Fehler in der Physik unter die Lupe. Systematische Fehler spielen aber nicht nur in den Experimenten der Physikerinnen und Physiker eine Rolle, auch in Ihrem Alltag begegnen sie Ihnen häufig.
Ein Beispiel gefällig?
Bei manchen Menschen stellt sich beim Blutdruckmessen der sogenannte „Weißkitteleffekt“ ein: Wenn man weiß, dass der Blutdruck gerade durch die Person im weißen Kittel gemessen wird, steigt er garantiert an – die Gegenwart des Arztes verfälscht die Messung.
Die Frequenzmessung als Grundlage vieler PRISMA+-Experimente
„Niemals etwas anderes als Frequenzen messen“ heißt es in der Forschung häufig. Und das ist auch gut so, denn Frequenzen können in der Physik heutzutage extrem genau gemessen werden. Auch viele Experimente bei PRISMA+ setzen auf eine möglichst präzise Frequenzmessung – zum Beispiel die Wasserstoff-Spektroskopie, das Experiment „Project 8“ zur Bestimmung der Neutrinomasse, verschiedene Laborexperimente zur Suche nach Dunkler Materie oder die möglichst präzise Messung bestimmter Eigenschaften von Elementarteilchen – allen voran das sogenannte anomale magnetische Moment des Myons.
Im Folgenden finden Sie ausführliche Informationen zu oben genannten Experimenten, die alle auf der möglichst genauen Messung von Frequenzen beruhen.
Wasserstoffspektroskopie: Blick ins Wasserstoffatom
Die Präzisionsspektroskopie von Wasserstoff dient dem Test der Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Zustände, der Suche nach „neuer Physik“ jenseits des Standardmodells und der Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten wie der Rydbergkonstante. Hierbei wird eine erstaunliche Präzision erreicht: „Den 1S-2S-Übergang in atomarem Wasserstoff und Deuterium haben wir in der Arbeitsgruppe von Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch am MPI für Quantenoptik in Garching bei München mit einer relativen Genauigkeit von einigen 10-15 bestimmt“, erklärt Randolf Pohl, Professor für experimentelle Atomphysik am Exzellenzcluster PRISMA+.
mehr zur Forschung der AG Pohl (in englischer Sprache)
Project 8: Neutrinos auf der Waage
Das „Project 8“-Experiment will mithilfe einer neu entwickelten experimentellen Technik, der sogenannten Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy, erstmals eine nicht verschwindende Neutrinomasse beobachten. Dabei geht es darum, das Energiespektrum der im Beta-Zerfall von Tritium zusätzlich entstehenden Elektronen mit möglichst hoher Präzision zu messen, um Abweichungen aufgrund einer möglicherweise vorhandenen Neutrinomasse zu finden. Die Energiemessung läuft über die hochpräzise Messung der Umlauffrequenz der Elektronen in einem Magnetfeld.
Damit das Experiment funktioniert, müssen Wasserstoff-Moleküle – und später (Tritium-)Wasserstoff-Moleküle – zunächst in Atome aufgespalten werden. Die Mainzer Gruppe ist führend bei der Entwicklung solcher atomarer Quellen und betreibt dazu in Mainz einen Teststand.
mehr zu Project 8 bei PRISMA+ (in englischer Sprache)
Frequenzmessung bei der Suche nach Dunkler Materie
Einige der zurzeit vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie sind extrem leichte bosonische Teilchen wie Axionen, axionähnliche Teilchen oder sogar Dunkle Photonen. PRISMA+– und HIM-Forschungsgruppen um Dmitry Budker entwickeln aktuell zahlreiche Experimente, um anhand präziser Frequenzmessungen nach diesen sehr leichten Teilchen zu suchen.
mehr zur Forschung der AG Budker (in englischer Sprache)
Das Myon g-2-Experiment: Das Standardmodell auf dem Prüfstand
Eine extrem präzise Frequenzmessung ist auch Grundlage des Myon g-2-Experiments.
Quiz
- Eine 20 Kilogramm schwere Metallkugel wird zehn Mal hintereinander mit derselben Waage gewogen, die Waage zeigt jedes Mal 23 Kilogramm an. Zeigen die Messwerte
a. eine kleine Streuung und eine kleine Abweichung
b. eine kleine Streuung, aber eine große Abweichung
c. eine große Streuung, aber eine kleine Abweichung
d. eine große Streuung und eine große Abweichung - Wie lassen sich statistische Fehler minimieren?
a. durch häufiges Messen
b. durch gründliches Überprüfen der Messinstrumente
Wer kennt das nicht: Man hat etwas falsch gemacht und trotzdem etwas dabei gelernt. Oder an etwas gezweifelt, das alle für selbstverständlich hielten und dadurch einen Fortschritt erzielt. Auch in der Wissenschaft sind Abweichungen und merkwürdige Messergebnisse das Salz in der Suppe. Zunächst skurril erscheinende Widersprüche zwischen Theorie und Experiment haben die Physik immer wieder entscheidend vorangebracht – solchen Gamechangern widmet sich das Modul „That’s funny!“.
PRISMA+ Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen mit hochpräzisen Experimenten und Rechnungen nach solchen Unstimmigkeiten und Merkwürdigkeiten im Zusammenhang mit dem Standardmodell, und seien sie noch so klein. Die Vermessung des Protons ist eine solche Merkwürdigkeit – je nach Messmethode ist das Proton unterschiedlich groß. Wir stellen vor allem die Wasserstoff-Spektroskopie als eine der verwendeten Methoden vor – und zeigen wie man mit einem Laser ins Innere eines Atoms schauen kann. Ist das Protonradius-Rätsel der Schlüssel zu neuer Physik?
Weiterführende Infos:
Berühmte Gamechanger in der Physik
Schluss mit Äther
Ebenso wie Schallwellen sich durch die Luft und Wasserwellen auf einer Oberfläche ausbreiten, ging die Wissenschaft fest davon aus, dass es auch für Lichtwellen ein solches Trägermedium geben muss – einen allgegenwärtigen Äther. Bis weit ins 19. Jahrhundert war man von der Existenz dieses Äthers überzeugt. Wie sollte das Licht sich sonst fortbewegen? Aufwändigste Experimente, insbesondere das berühmte Michelson/Morley Experiment, brachten aber keine Hinweise auf einen wie auch immer beschaffenen Äther – und zeigten klar die Probleme dieser Annahme auf.
Albert Einstein kam, sah und dachte: Er warf den Äther über Bord. Den braucht es nicht, wenn, ja wenn man eines akzeptiert, das schwer zu akzeptieren scheint: Die Geschwindigkeit des Lichts im luftleeren Raum ist immer gleich groß, für alle Betrachter, und nichts kann schneller sein als das Licht! Weitere Infos
Wer hat das bestellt? – Die Entdeckung Myons
Mitte der 1930er-Jahre war die Welt der kleinsten Teilchen noch klein und überschaubar. Mit Protonen, Neutronen und
Elektronen konnte die Physik sehr gut beschreiben, was man beobachtete. Als Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer bei der Untersuchung von kosmischer Strahlung 1936 ein Teilchen entdeckten, das sich wie ein Elektron verhielt, aber rund 200-mal schwerer – offensichtlich also kein Elektron war – war die Verwirrung groß.
„Who ordered that?“ („Wer hat das bestellt?“), soll der Physiker Isidor Isaac Rabi daraufhin ausgerufen haben, denn das neue Teilchen, das Myon, passte so gar nicht in das bestehende Modell. Doch das war erst der Anfang der Entdeckung eines regelrechten Teilchenzoos, in den erst Murray Gell-Mann wieder Ordnung brachte: Seine Sortierung aller Teilchen mündete schließlich in das heute noch gültige Standardmodell der Teilchenphysik.
Das ganze Teilchenabenteuer zum Nachlesen
Frau Wu zerbricht die Physik
Die Physikerin Chien-Shiung Wu widerlegte 1956 mit ihrem Experiment die Annahme, dass in der Natur eine bestimmte grundlegende Symmetrie gilt – die Raumspiegelsymmetrie, auch als Parität (P) bezeichnet. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die sogenannte „Schwache Wechselwirkung“ innerhalb der Atome die Parität verletzt.
Dabei war die P-Verletzung nur der Anfang, später wurden auch umfassendere und kombinierte Symmetrien widerlegt. Für die umfassendste Symmetrie, das CPT-Theorem (charge, parity, time / dt. Ladung, Parität, Zeit) gilt dagegen, dass sie stets erhalten bleibt, und auch die Quantenelektronendynamik (QED) funktioniert nur unter dieser Prämisse. Aber wer weiß …?? Weitere Infos
Die Vermessung des Protons
Sämtliche bekannten Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen – und doch sind viele Eigenschaften dieser allgegenwärtigen Nukleonen noch nicht verstanden. So gibt insbesondere der Radius des Protons seit einigen Jahren Rätsel auf: Im Jahr 2010 sorgte eine neue Messung des Protonradius mithilfe der Laserspektroskopie von myonischem Wasserstoff für großes Aufsehen. In diesem „besonderen“ Wasserstoff ist das Elektron in der Hülle des Atoms ersetzt durch seinen schweren Verwandten, das Myon: So lässt sich die Genauigkeit der Messung erheblich steigern.
Die Forscherinnen und Forscher ermittelten einen deutlich kleineren Wert, als er aus entsprechenden Messungen an „normalem“ elektronischem Wasserstoff und der Bestimmung des Protonradius aus Elektron-Proton-Streuexperimenten bekannt war. Lassen sich in der beobachteten Diskrepanz Bausteine einer neuen Physik jenseits des Standardmodells finden? Oder handelt es sich lediglich um systematische Unsicherheiten der verschiedenen Messmethoden? PRISMA+ Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nähern sich der Lösung des Protonradius-Rätsels von vielen Seiten: Ihr Ziel ist es, noch genauere Experimente durchzuführen, und zusätzlich mithilfe theoretischer Berechnungen Licht ins Dunkel zu bringen – wie Randolf Pohl im Rahmen der öffentlichen Vortragsreihe „Physik im Theater“ erklärt.
Die Köpfe hinter der PRISMA+-Forschung
Quiz
- Was ist das Proton?
a. ein Bestandteil des Atomkerns
b. der schwere Verwandte des Elektrons
c. ein Elementarteilchen - In welcher Größenordnung bewegt sich der Radius des Protons?
a. Femtometer
b. Pikometer
c. Nanometer
Wenn man eine Münze wirft, bleibt sie mal auf der einen Seite liegen und mal auf der anderen. Ganz selten kann es aber auch vorkommen, dass sie auf der Kante stehen bleibt. Doch das ist sehr, sehr unwahrscheinlich. Aber wie unwahrscheinlich genau und kann die Münze nicht doch auf der Kante stehen bleiben? Um das herauszufinden, hilft nur eines: Man muss es sehr, sehr oft probieren!
In diesem Sinne kann Präzision auch bedeuten, die gleiche Messung extrem oft zu wiederholen – ganz nach dem Motto dieses Moduls „Viel hilft viel“. Der neue Teilchenbeschleuniger MESA, der derzeit auf dem Gutenberg-Campus gebaut wird, ermöglicht solche Messungen: Der Teilchenstrahl wird nicht nur extrem intensiv, sondern auch extrem präzise auf eine winzige Fläche in einem Target fokussiert. So wird MESA in der Lage sein, sehr subtile und seltene Ereignisse aufzuspüren. Dies gilt in besonderem Maße für die Suche nach Dunkler Materie – einer der spannendsten Herausforderungen der modernen Teilchenphysik.
In dem Modul „Viel hilft viel“ können Sie das oben beschriebene Münz-Experiment selbst ausprobieren und sich einem Forscherteam anschließen, das mit dem neuen Beschleuniger MESA und dem dort geplanten MAGIX Experiment nach Dunklen Photonen sucht. Der unbekannten und geheimnisvollen Dunklen Materie näheren wir uns aber auch mit einem künstlerischen Vergleich.
Weiterführende Infos:
Teilchenbeschleuniger an der JGU
MAMI (Mainzer Mikrotron) ist ein Teilchenbeschleuniger für Elektronenstrahlen, der vom Institut für Kernphysik betrieben wird. Der Beschleuniger steht seit 1979 für Experimente zur Verfügung und wurde seither kontinuierlich erweitert.
Er eignet sich sehr gut, um Präzisions-Untersuchungen zur Struktur der Materie im subatomaren Bereich durchzuführen. Vier experimentelle Arbeitsgruppen sind am Institut angesiedelt.
Der Strahldurchmesser von MAMI ist nur wenige zehntel Millimeter groß und die mittlere Energie bleibt auf wenige Millionstel des Sollwerts genau stabil. Auch die Position des Strahls wird auf weniger als 0,2 Millimeter konstant gehalten.
Mit diesen Werten nimmt MAMI unter den Linearbeschleunigern weltweit einen Spitzenplatz ein.
MESA – MAINZ ENERGY RECOVERING SUPERCONDUCTING ACCELERATOR
Der Linearbeschleuniger MESA (Mainz Energy recovering Superconducting Accelerator) wird derzeit auf dem Gutenberg-Campus gebaut. Mit dem neuartigen energierückgewinnenden Betriebsmodus (engl. Energy Recovery Linac, ERL) wird MESA sehr energiesparend arbeiten. Dadurch erreicht der Beschleuniger eine extrem hohe Strahlintensität, die sonst nur mit einem immensen Energieaufwand machbar wäre: Sehr viele Teilchen werden auf eine winzige Fläche des Targets fokussiert. Es finden entsprechend viele Teilchenkollisionen in kurzer Zeit statt. Das ermöglicht die Suche nach sehr seltenen Ereignissen, wie beispielsweise dem Zerfall von Dunklen Photonen oder anderen, bisher unbekannten Teilchen.
Zudem erzeugt MESA einen extrem stabilen und scharf definierten (fokussierten) Strahl, der auf wenige Mikrometer stabil gehalten werden kann. Außerdem wird MESA eine sehr hohe Strahlqualität aufweisen: Alle Elektronen erhalten im Beschleuniger genau die gleiche Bewegungsenergie von 155 MeV. Das sind optimale Voraussetzungen für wichtige Präzisionsexperimente.
Quiz
- Wie viele Betriebsstunden hat der MAMI Beschleuniger seit 1979 geleistet?
a. etwa 19.200
b. etwa 192.000
c. etwa 1.920 - Wie heißt der neue Teilchenbeschleuniger der der JGU?
a. MESA
b. MEGA
c. MARS - Wie hoch ist der Anteil Dunkler Materie an der gesamten Materie im Universum?
a. 4 Prozent
b. 24 Prozent
c. mehr als 80 Prozent
Für ihre Experimente müssen Forscherinnen und Forscher bei PRISMA+ oft extrem präzise oder saubere Bedingungen herstellen. Denn für bestimmte Messungen ist es entscheidend, Störsignale abzuschirmen oder Unreinheiten zu beseitigen. Nur so gibt sich der gesuchte extrem schwache Effekt zu erkennen. Für unsere Ausstellung haben wir uns eine Analogie überlegt: Schalten Sie verschiedene Störgeräusche nach und nach aus – was übrig bleibt, wird Sie überraschen!
All dies gilt par excellence für die Neutrinoforschung, eimnem wichtigen Schwerpunkt bei PRISMA+. Neutrinos sind wahre Geisterteilchen: Jede Sekunde durchdringen Milliarden von ihnen unseren Körper, ohne dass wir das merken. In großen Experimenten mit tonnenschweren Detektoren können wir sie jedoch aufspüren und erforschen. Dann haben sie uns viel zu erzählen: als Botschafter aus dem Sonnenfeuer, aus dem Inneren der Erde oder aus fernen Galaxien.
Beim Borexino Experiment beispielsweise arbeiten Mainzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit einer Umgebung, die extrem frei von Radioaktivität ist, um Neutrinos aus der Sonne nachweisen zu können. Dazu befindet sich das Experiment tief unter den Bergen Norditaliens im Gran Sasso Massiv. Einen Eindruck davon können Sie anhand eines plastischen Modells gewinnen und in eine geheimnisvolle Kugel tief im Berg schauen.
Gehen Sie mit uns auf Geisterjagd!
Weiterführende Infos:
Neutrinoforschung rund um den Globus
BOREXINO EXPERIMENT IN ITALIEN
Der Borexino Experiment hat von 2007 bis 2021 wertvolle Daten zu solaren Neutrinos gesammelt, die noch viele Jahre lang ausgewertet werden. Es befindet sich im größten unterirdischen Labor der Welt, den Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien. Das Herzstück des Borexino Detektors ist ein extrem dünnwandiger, kugelförmiger Nylonballon, der 280 Tonnen einer speziellen Szintillatorflüssigkeit enthält. Nur einige hundert Mal am Tag kommt es vor, dass ein Neutrino mit dem Detektormaterial wechselwirkt. Dann entstehen winzige Lichtblitze, die von rund 2.000 extrem empfindlichen Photosensoren erfasst werden. Die Mainzer Gruppe bei PRISMA+ entwickelt ausgeklügelte Analysetechniken, um unerwünschte Untergrund-Ereignisse zu unterdrücken.
Sehenswert ist auch dieses Video: Solare Neutrinos auf ihrer Reise in den Borexino Detektor (in italienischer Sprache mit englischen Untertiteln)
NEUTRINOTELESKOP ICECUBE AM SÜDPOL
IceCube ist der größte Teilchendetektor der Welt. Er nutzt ein Kubikkilometer Eis als Detektormedium und liegt in der Nähe der Amundsen-Scott-Station am geografischen Südpol. Seit 2010 sammelt IceCube Daten über Neutrinos. 2013 entdeckte IceCube zum ersten Mal extrem hochenergetische Neutrinos, die mit großer Wahrscheinlichkeit von kosmischen Beschleunigern im Weltall stammen. Ein weiterer Höhepunkt der IceCube-Forschung ereignete sich am 22. September 2017: Die Detektoren meldeten ein hochenergetisches Neutrino, das höchstwahrscheinlich aus einer 3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie im Sternbild Orion stammte. Die Mainzer Gruppe bei PRISMA+ ist maßgeblich an der Weiterentwicklung des Neutrino-Teleskops beteiligt. In den nächsten Jahre soll es einen umfassenden Ausbau erfahren. Vor allem wollen die Forscherinnen und Forscher dabei noch mehr Lichtsensoren installieren.
JUNO EXPERIMENT IN CHINA
Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) soll die Oszillationen der Neutrinos präzise vermessen und damit eine der aktuellsten Fragen in der Neutrino-Physik untersuchen: die Anordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Das im Aufbau befindliche Experiment ist etwa um den Faktor 100 größer als der Borexino Detektor und nutzt Neutrinos aus zwei Reaktorkomplexen an der südchinesischen Küste: Mindestens 100.000 Neutrino-Reaktionen werden dabei nötig sein, um Antworten auf die Frage nach der Reihenfolge der Neutrinomassen zu erhalten. Gleichzeitig wird JUNO die Energie der Neutrinos mit einer Rekord-Auflösung messen können. Die Mainzer Gruppe bei PRISMA+ ist für mehrere Detektor-Subsysteme am Versuchsstandort in Jiangmen verantwortlich.
Auch in der Reihe „Physik im Theater“ ging es bereits mehrmals um Neutrinos:
Low Background Physics
Um Präzision zu erreichen und nur die relevanten Ereignisse messen zu können, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sämtliche Hintergrundereignisse, die stören könnten, auf verschiedene Arten auszuschließen. Dazu nutzen sie eine Mischung aus Abschirmen, Reinigen, Ausschneiden und Aussortieren:
- Sie experimentieren im Untergrund, um kosmische Strahlung abzuschirmen.
- Sie installieren Pufferschichten (beispielsweise aus Öl oder Wasser) um den eigentlichen Detektor, um die natürliche Radioaktivität abzuschirmen.
- Sie reinigen ihre Detektormaterialien mit aufwendigen Verfahren und werten nur Signale aus dem inneren Teil des Detektors aus, da dieser besonders sauber ist.
- Sie analysieren ihre Daten genau und sortieren rechnerisch falsche Ereignissen heraus.
Dieses Prinzip heißt „Low Background Physics“ und trifft auch für weitere Experimente bei PRISMA+ zu: zum Beispiel für das Dunkle Materie Experiment XENON, an dem Mainzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ebenfalls beteiligt sind.
Quiz
- Nach welchen Teilchen suchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Borexino Experiment?
a. Elektronen
b. Photonen
c. Neutrinos - Mit wie vielen Sensoren ist der Borexino Detektor ausgestattet?
a. etwa 500
b. etwa 2.000
c. etwa 5.000 - Wo wird das Experiment JUNO aufgebaut?
a. in China
b. in Chile
c. am Südpol
Im Alltag begegnen uns ständig Zahlen, Werte und Größenangaben: Es gibt eine mittlere Lebenserwartung und eine Durchschnittsgröße der Menschen in Deutschland. All diese Angaben haben eines gemeinsam: Es gibt einen Mittelwert, aber die tatsächlichen Werte eines Einzelnen, zum Beispiel ihre Körpergrößen, sind ganz unterschiedlich verteilt – sie streuen.
Ganz typisch ist eine bestimmte Form der Verteilung um einen Mittelwert – die „Normalverteilung“. Ihr folgen auch Messwerte aus einem oft wiederholten
Experiment. Im Modul „Alles streut“ können Sie anhand eines „Galton-Bretts“ nachvollziehen, wie eine solche Verteilung zustande kommt.
Doch es geht noch weiter: Den Erwartungswert und die Standardabweichung „sigma“ einer Normalverteilung nutzen Physikerinnen und Physiker, um ihre Ergebnisse
einzuordnen. Denn wenn der aus vielen einzelnen Messungen ermittelte Wert um mehr als fünf Sigma vom Erwarteten abweicht, kann das kein Zufall mehr
sein! Hier geht es schlussendlich um extrem kleine Wahrscheinlichkeiten, die wir anhand von 1,7 Millionen Reiskörnen verdeutlichen wollen.
Paradebeispiel in dem Zusammenhang ist das Myon g-2 Experiment, welches wir in diesem Modul ausführlich vorstellen. Erste Ergebnisse sorgten 2021 für großes Aufsehen, denn eine „echte“ – und nicht bloß „zufällige“ – Abweichung von Theorie und Experiment wird immer wahrscheinlicher. Öffnet das Myon die Tür zu bisher unbekannten Teilchen oder Kräften?
Weiterführende Infos:
Steckbrief des Myons
Myon g-2 Experiment
Das Myon g-2 Experiment am Fermilab bei Chicago wurde entwickelt, um die magnetischen Eigenschaften des Myons so genau wie nie zuvor zu vermessen. Dazu wird ein Myonenstrahl in einen ringförmigen Magneten geleitet. In diesem kreisen die Myonen, bis sie zerfallen. Dabei lassen sich Rückschlüsse auf ihr sogenanntes anomales magnetisches Moment ziehen.
Im April 2021 veröffentlichte die Myon g-2 Kollaboration erste Resultate, die für großes Aufsehen sorgten. Denn mit dem neuen Ergebnis verdichten sich Hinweise auf neue Physik jenseits des Standardmodells und damit auf die Existenz bisher unbekannter Teilchen oder Kräfte. Nicht nur die weltweite Physikgemeinde ist in Aufruhr. Auch die Schlagzeilen überschlagen sich. Die Neue Zürcher Zeitung etwa schreibt: „Vor zwei Wochen bekam das Standardmodell der Teilchenphysik nasse Füsse. Jetzt steht ihm das Wasser bis zum Hals“.
Prof. Dr. Martin Fertl und seine Arbeitsgruppe bei PRISMA+ beschäftigen sich insbesondere mit der extrem präzisen Vermessung des Magnetfelds im Myonen-Speicherring über die gesamte mehrjährige Messzeit.
Quiz
- Wo steht das Myon g-2 Experiment?
a. in Italien
b. in den USA
c. in der Schweiz - Am myon g-2 Experiment werden Myonen vermessen. Sie sind
a. 200-mal schwerer als ein Elektron
b. genauso schwer wie ein Elektron
c. 200-mal leichter als ein Elektron
Haben Sie schon einmal die Ultraschallwellen gesehen, mit denen sich Fledermäuse in ihrer Umgebung orientieren? Oder ein Magnetfeld gespürt, an dem sich eine Kompassnadel wie von Geisterhand ausrichtet? Messgeräte und Detektoren können solche „unsichtbaren Dinge“, für die wir kein Sinnesorgan haben, sichtbar machen. Sie sind objektiver als unsere Sinne, denn sie lassen sich nicht täuschen. Sie können Temperaturen nicht nur subjektiv fühlen, sondern objektiv messen. Sie
haben eine bessere Auflösung, da sie sich auf einen ganz bestimmten Messbereich konzentrieren können. Wir dagegen müssen uns mit unseren Sinnen in der Welt mit all ihren vielfältigen Eindrücken zurechtfinden.
Detektoren sind sozusagen die Hightech-Augen der Teilchenphysik. Ihnen widmen wir das abschließende Modul unserer Ausstellung. Detektoren erweitern und „präzisieren“ unsere Sinne. Sie überwinden die Grenzen des menschlichen Sehens und können kleinste, für das menschliche Auge unsichtbare Strukturen sichtbar machen. Sie sind unvorstellbar genau, unvorstellbar groß, unvorstellbar schnell und unvorstellbar dünn. Sie sind wahre Wunderwerke der Technik und in ihnen offenbart sich die ganze Schönheit der Teilchenphysik.
In diesem Modul stellen wir Ihnen stellvertretend das Mu3e Experiment vor, das gerade am schweizerischen Paul Scherrer Institut aufgebaut wird, und zeigen anhand eines einfachen Beispiels, was hohe räumliche und zeitliche Auflösung bedeuten und warum beides so wichtig ist.
Und da Detektoren oft an den extremsten Orten rund um den Globus zu finden sind, nehmen wir sie zum Abschluss mit auf eine multimediale Weltreise!
Weiterführende Infos:
Detektoren extrem
ATLAS DETEKTOR AM CERN IN DER SCHWEIZ
Was passierte im frühen Universum?
Fünf Stockwerke hoch, 7.000 Tonnen schwer. ATLAS am CERN in Genf ist der größte Teilchendetektor, der jemals an einem Beschleuniger gebaut wurde. 2012 wurde hier das Higgs-Teilchen erstmals experimentell nachgewiesen. Diese wissenschaftliche Sensation öffnete ein neues Fenster, um die großen Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln.
Was verraten uns Neutrinos aus den Tiefen des Alls?
5.160 Glaskugeln mit hochempfindlichen Detektoren, bis zu zweieinhalb Kilometer tief im antarktischen Eis versenkt: Direkt am Südpol gelegen, ist IceCube eines der spektakulärsten physikalischen Experimente weltweit.
XENON DETEKTOR IM GRAN SASSO UNTERGRUNDLABOR IN ITALIEN
Wie können wir Dunkle Materie endlich „sehen“?
1.400 Meter unter der Erde, im italienischen Gran Sasso Labor, ist das XENON Experiment auf der Suche nach WIMPs, aussichtsreichen Kandidaten für Dunkle Materie. Herzstück ist der innere Detektor – eine zylinderförmige Zwei-Phasen Zeitprojektionskammer gefüllt mit mehreren Tonnen flüssigem Xenon.
Quiz
- Welchen Umfang hat der Teilchenbeschleuniger LHC am CERN?
a. 400 Meter
b. 27.000 Meter
c. 2.100 Meter - Wie viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten am ATLAS-Detektor?
a. 500
b. 1.300
c. mehr als 3.200 - Wie tief unter der Erde befindet sich das XENON Experiment?
a. 100 Meter
b. 10 Meter
c. 1.400 Meter - Welches Detektionsmedium nutzt das IceCube Experiment?
a. Gletschereis in der Antarktis
b. flüssiges Xenon
c. Öl
Warum so genau?
- Wie viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen derzeit am Exzellenzcluster PRISMA+?
a. mehr als 50
b. mehr als 150
c. mehr als 300 - Wie heißt das aktuelle Theoriemodell der Teilchenphysik?
a. Weltformel
b. Standardmodell
c. Quarkszenario
Was heißt präzise?
- Eine 20 Kilogramm schwere Metallkugel wird zehn Mal hintereinander mit derselben Waage gewogen, die Waage zeigt jedes Mal 23 Kilogramm an. Zeigen die Messwerte
a. eine kleine Streuung und eine kleine Abweichung
b. eine kleine Streuung, aber eine große Abweichung
c. eine große Streuung, aber eine kleine Abweichung
d. eine große Streuung und eine große Abweichung - Wie lassen sich statistische Fehler minimieren?
a. durch häufiges Messen
b. durch gründliches Überprüfen der Messinstrumente
That’s funny!
- Was ist das Proton?
a. ein Bestandteil des Atomkerns
b. der schwere Verwandte des Elektrons
c. ein Elementarteilchen - In welcher Größenordnung bewegt sich der Radius des Protons?
a. Femtometer
b. Pikometer
c. Nanometer
Viel hilft viel
- Wie viele Betriebsstunden hat der MAMI Beschleuniger seit 1979 geleistet?
a. etwa 19.200
b. etwa 192.000
c. etwa 1.920 - Wie heißt der neue Teilchenbeschleuniger der der JGU?
a. MESA
b. MEGA
c. MARS - Wie hoch ist der Anteil Dunkler Materie an der gesamten Materie im Universum?
a. 4 Prozent
b. 24 Prozent
c. mehr als 80 Prozent
Bitte nicht stören!
- Nach welchen Teilchen suchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Borexino Experiment?
a. Elektronen
b. Photonen
c. Neutrinos - Mit wie vielen Sensoren ist der Borexino Detektor ausgestattet?
a. etwa 500
b. etwa 2.000
c. etwa 5.000 - Wo wird das Experiment JUNO aufgebaut?
a. in China
b. in Chile
c. am Südpol
Alles streut
- Wo steht das Myon g-2 Experiment?
a. in Italien
b. in den USA
c. in der Schweiz - Am myon g-2 Experiment werden Myonen vermessen. Sie sind
a. 200-mal schwerer als ein Elektron
b. genauso schwer wie ein Elektron
c. 200-mal leichter als ein Elektron
Ich messe was, was du nicht siehst
- Welchen Umfang hat der Teilchenbeschleuniger LHC am CERN?
a. 400 Meter
b. 27.000 Meter
c. 2.100 Meter - Wie viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten am ATLAS-Detektor?
a. 500
b. 1.300
c. mehr als 3.200 - Wie tief unter der Erde befindet sich das XENON Experiment?
a. 100 Meter
b. 10 Meter
c. 1.400 Meter - Welches Detektionsmedium nutzt das IceCube Experiment?
a. Gletschereis in der Antarktis
b. flüssiges Xenon
c. Öl
