Wissenschaftler des CMS-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) in Genf gaben passend zur Konferenz der European Physical Society in Stockholm ein neues Ergebnis zur Messung der Kopplungskonstanten der starken Wechselwirkung bekannt.

Bedingt durch Quantenkorrekturen wird die starke Kraft, die für den Zusammenhalt der Protonen und Neutronen im Atomkern sorgt, bei hohen Energien immer schwächer. Dieses seit lan­gem auch experimentell beobachtete Verhalten konnte nun erstmals bei den höchsten am LHC überprüft werden.

Wissenschaftler von KCETA beschäftigen sich seit langem mit die­ser Thematik und waren maßgeblich an den neuen Messungen beteiligt. Der Abfall der Stärke der Wechselwirkung lässt sich im Standard-Modell der Teilchenphysik genau vor­hersagen. Abweichungen von den Erwartungen wären ein Hinweis auf neue, stark wech­ selwirkende Teichen. Die neuen Messungen von CMS bestätigen den erwarteten Verlauf und sind mit Messungen bei niedrigeren Energieskalen innerhalb der Fehler konsistent.

The article "Validation of a model for Radon-induced background processes in electrostatic spectrometers" for the KATRIN experiment of freshly-graduated-of-today Dr. Nancy Wandkowsky is June 2013 'Publisher's pick' of the Journal of Physics G. One of the picture of this paper (top picture on left) even made the cover of the August issue (bottom picture on left).

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see also arXiv:1304.1379

Wenn es um die Jagd nach unbekannten Teilchen geht, denken die meisten zuallererst ans Cern. Am Kernforschungszentrum in Genf wurde zum Beispiel 2012 das lange gesuchte Higgs-Boson  nachgewiesen. Doch spektakuläre Entdeckungen gelingen auch mit deutlich kleineren Beschleunigern, wie das rätselhafte Partikel mit dem Namen Z(3900) beweist.

Das bislang unbekannte Teilchen wurde sowohl beim Belle-Experiment  in Japan als auch am Beijing Spectrometer III  in China nachgewiesen. In beiden Fällen handelt es sich um Beschleuniger, in denen Elektronen mit ihren Antiteilchen, den Positronen, kollidieren. In den Zerfallsprodukten konnten die Wissenschaftler das Teilchen nachweisen, über ihre Entdeckung berichten beide Forschergruppen nun im Fachblatt "Physical Review Letters"  ( Paper I , Paper II ).

"Zufällig arbeiten einige Wissenschaftler an beiden Beschleunigern, so hatte man die Gelegenheit, die Entdeckung gleich zu überprüfen", sagt Sören Lange von der Universität Gießen. Er ist seit 15 Jahren am Belle-Experiment beteiligt und hat teilweise am japanischen Forschungszentrum für Teilchenphysik (KEK) nordöstlich von Tokio gearbeitet.

"Wir haben ein wunderschönes Signal", berichtet Lange im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Es gebe keine Zweifel, weil das Teilchen unabhängig voneinander an zwei Beschleunigern detektiert wurde. Die Physiker haben ihr Fundstück Z(3900) genannt, wobei 3900 für 3900 Megaelektronenvolt steht, also die Masse des Teilchens.

Z(3900) ist damit etwa viermal so schwer wie ein Proton. Es kann positiv oder negativ geladen sein und hat eine sehr kurze Lebensdauer, die schätzungsweise im Bereich von 10-23Sekunden oder weniger liegt.

Offensichtlich handelt es sich bei Z(3900) um eine bislang unbekannte Materieform. Das Standardmodell der Teilchenphysik liefert keine unmittelbar schlüssige Erklärung. Theoretiker haben aber bereits verschiedene Erklärungsansätze entwickelt. Einer besagt, dass das Teilchen aus vier Quarks zusammengesetzt sein könnte.

Das wäre ein Novum: Bisher kennen Physiker nur Partikel, die aus zwei oder aus drei Quarks bestehen. Laut Standardmodell gibt es sechs verschiedene Quarks (Up, Down, Charm, Strange, Top, Bottom). Ein Baryon wie beispielsweise das Proton ist aus drei Quarks zusammengesetzt. Mesonen hingegen wie das Pion oder das Kaon bestehen aus zwei Quarks. Partikel aus vier Quarks sind bislang unbekannt, aber keinesfalls ausgeschlossen.

"Die bisherige Erfahrung lehrt uns, dass Teilchen aus vier Quarks nicht existieren", sagt Eric Swanson von der University of Pittsburgh. Aber die Situation könnte sich mit der neuen Entdeckung geändert haben. "Die Daten erlauben auch andere Interpretationen", betont Swanson, es zeige sich aber, wie wenig man bislang über Quarks wisse.

 Statt aus vier Quarks wäre Z(3900) auch als sogenanntes Hadron-Molekül vorstellbar. Es würde dann aus zwei Teilchen mit je zwei Quarks bestehen. "Jeder Forscher hat da seine Präferenz", sagt der Gießener Forscher Lange. "Ich glaube, dass es am ehesten ein solches Molekül sein könnte, da die Bindungsenergie so gering zu sein scheint."

Die Entdeckung war ein aufwendiges Puzzlespiel. Millionen von Zerfällen wurden an den Beschleunigern in China und Japan registriert. Zusammen genommen nur 466-mal wurden dabei Events erfasst, bei denen es sich um Z(3900) handelte. Die Auswertung der Messdaten dauerte so lange, dass die Forscher die Entdeckung des neuen Teilchens erst knapp drei Jahre nach Beendigung des Bell-Experiments in Japan verkünden konnten. Der Beschleuniger in Tsukuba, 60 Kilometer nordöstlich von Tokio, wird derzeit technisch aufgerüstet, um 2015 als Belle-2 neu zu starten.

Wie so oft in der Wissenschaft spielte auch bei Z(3900) der Zufall eine Rolle. Ursprünglich wollten die Forscher das mysteriöse Teilchen mit dem Namen Y(4260) genauer untersuchen, das bereits 2005 beim BaBar-Experiment in Kalifornien gefunden worden war. Bei der Auswertung der Zerfallsdaten stießen die Wissenschaftler dann auf Z(3900).

In Verbindung stehende Nachrichten: Spiegel Nachrichten

Wissenschaftliche Artikel: Phys. Rev. Lett. 110, 252001 (2013)  (arXiv ), Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013)  (arXiv )

Der High Energy and Particle Physics Prize der Europäischen Physikalischen Gesellschaft wurde an die Forscherteams der Teilchenphysik-Experimente ATLAS und CMS verliehen. Die Kollaborationen erhalten den Preis zusammen mit ihren Sprechern Michel Della Negra (Imperial College London), Peter Jenni (CERN und Universität Freiburg) und Tejinder Virdee (Imperial College London) für die Entdeckung eines neuen schweren Teilchens mit den Eigenschaften des langgesuchten Higgs-Teilchens.

Karl Jakobs, Sprecher der deutschen ATLAS-Gruppen: „Die Entdeckung des Higgs-Teilchens durch die beiden Experimente ATLAS und CMS stellt einen sensationellen wissenschaftlichen Durchbruch dar. Mit diesem Preis werden zeitnah die Leistungen der Sprecher der Experimente und der vielen Physiker und Ingenieure, die an dieser Entdeckung Anteil haben, gewürdigt.“

Am 4. Juli 2012 hatten die beiden internationalen Forscherteams von ATLAS und CMS die Entdeckung eines Higgs-Teilchens bekannt gegeben. Nach diesem Teilchen hatten Wissenschaftler seit mehr als 40 Jahren intensiv gesucht – es ist das letzte fehlende Puzzlestück im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik. Das von Peter Higgs und anderen theoretischen Physikern 1964 eingeführte Higgs-Feld, das mit diesem Teilchen verbunden ist, durchdringt das ganze Universum und soll elementaren Teilchen ihre Masse verleihen.

Achim Stahl, Sprecher der deutschen CMS-Gruppen: „Die Entdeckung des Higgs-Teilchens ist das Ergebnis jahrzehntelanger Vorbereitung. Hunderte von Physikern, Ingenieuren und Technikern aus Deutschland sind und waren daran beteiligt, von der Entwicklung, dem Aufbau und dem Betrieb der Experimente bis zum Aufspüren der Higgs-Teilchen in einer riesigen Menge Daten. Jeder einzelne hat seinen Beitrag geleistet und darf diesen Preis als persönliche Ehrung empfinden.“

Der High Energy and Particle Physics Prize wird für herausragende Beiträge zur Elementarteilchenphysik vergeben. Die Preisverleihung findet auf der Konferenz EPS-HEP 2013 am 22. Juli in Stockholm statt.

Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens beginnt eine neue Ära der Teilchenphysik. Trotz seines enormen Erfolges kann das Standardmodell der Teilchenphysik nur einen kleinen Teil des Universums erklären. Der Großteil der Masse des Universums scheint aus dunkler Materie zu bestehen, die in diesem Modell nicht enthalten ist. Viele Erweiterungen versuchen auch die dunkle Materie zu erklären und benötigen dazu neue Higgs-Teilchen. Die Entdeckung von ATLAS und CMS könnte sich einst als der Anfang eines noch spannenderen Kapitels der Teilchenphysik herausstellen.

Mehr als 700 deutsche Wissenschaftler sind an den LHC-Experimenten ATLAS und CMS beteiligt, davon etwa 400 Nachwuchswissenschaftler. Wesentliche Teile beider Detektoren wurden in Deutschland entwickelt und gebaut. Auch zum Betrieb und der Datenanalyse tragen deutsche Wissenschaftler bei. Unter deutscher Federführung wurden und werden Detektortechnologien entwickelt, die sich weit über die Teilchenphysik hinaus einsetzten lassen.

Forschergruppen an 16 Universitäten, dem Max-Planck-Institut für Physik in München und den beiden Helmholtz-Forschungszentren DESY und KIT arbeiten gemeinsam an den beiden Experimenten. Sie werden insbesondere durch die BMBF-Forschungsschwerpunkte FSP-101 (ATLAS) und FSP-102 (CMS) im Rahmen der Verbundforschung gefördert. Darüberhinaus arbeiten sie in der Helmholtz-Allianz „Physik an der Teraskala“ zusammen.

Für mehr Informationen: BMBF 

In der Tat zeigen aktuelle Ergebnisse des KASCADE-Grande Experimentes ein Abflachen (Anti-Knie oder Knöchel) des Spektrums leichter Primärteilchen oberhalb einer Energie von 10¹⁷ Elektronenvolt. Diese Struktur ist ein Hinweis auf das Auftreten einer neuen, nun extragalaktischen Komponente der kosmischen Strahlung. Dieses für die Hochenergie-Astrophysik wichtige Ergebnis wurde soeben in der Zeitschrift „Physical Review D“ veröffentlicht.

KASCADE-Grande war ein Messfeld für kosmische Strahlung auf dem Gelände des Campus Nord des Karlsruher Instituts für Technologie. "Mit KASCADE- Grande konnten Schauer von Sekundärteilchen gemessen werden, die von Primärteilchen komischen Ursprungs mit energie von 10¹⁴ bis 10¹⁸ Elektronenvolt erzeugt wurden." erklärt Dr.Andreas Haungs, der das KASCADE-Grande Projekt am KIT leitet.  10¹⁸ Elektronenvolt: das liegt um mehrere Größenordnungen über den Energie, die die größten Teilchenbeschleuniger auf der Erde erreichen.


Die Messmethode von KASCADE-Grande beruht darauf, dass die primären Teilchen der kosmischen Strahlung auf die Atome der Erdatmosphäre auftreffen und aufgrund ihrer hohen Energie Sekundärteilchen erzeugen, die wiederum Teilchen erzeugen trifft nach einigen Millisekunden auf den Erdboden auf und kann dort die Energie, die Richtung des Primärteilchens und auch die Masse.

Der Fluss der kosmischen Strahlung nimmt mit zunehmender Energie der Teilchen stark ab. Etwas oberhalb einer Energie von 10¹⁵ Elektronenvolt ändert sich die "Steilheit" der Energieabnahme. Es wird dann ein Knick in Spektrum entstehen die heißt "Knie" der kosmischen Strahlung. Woher kommt diese Kniw und warum ist dessen Ursache abhängig von der LAdung des Kosmischen Teilchens? Ein mögliche Erklärung hierfür geben die Magnetfelder in der näheren Umgebung der kosmischen Beschleuniger die zu hohen Energie funktionieren. Zudem besitzt unsere eigene Galaxie eine magnetische Hülle, die ein Entweichedn eines Großteils der Teilchen aus unserer Milchstraße verhindern. Aus den bisherigen Ergebnissen von KASCADE-Grande konnte geschlossen werden, dass die primären Partikel der kosmischen Strahlung nur bis zu Energien um 10¹⁷ Elektronenvolt in unserer Milchstraße erzeugt und gespeichert werden können. Teilchen mit noch höherer Energie haben demnach ihren Ursprung außerhalb der Milchstraße. Der Übergang von einer galaktischen zu einer extragalaktischen kosmischen Strahlung wird im Energiebereich von knapp oberhalb 10¹⁸ Elektronenvolt, beim sogenannten „Knöchel“ des Spektrums vermutet. Folgt man der obigen Theorie zur Entstehung des Knies, sollte der Übergang zu einer überwiegend extragalaktischen kosmischen Strahlung zuerst im Energiespektrum der leichten Primärteilchen sichtbar werden, da zunächst diese aus ihrer Heimatgalaxie entweichen.

Die jetzt gelugene Identifizierung einer knöchelartigen Struktur in der leichten Komponente schon bei relativ niedrigen Energien bevorzugt Theorien, die einen frühen Beitrag der extragalaktischen komischen Strahlung vorhersagen. "Ob es sich bei den von KASCADE-Grande gemessenen hochenergetischen leichtes Primärteilchen tatsächlich um Atomkerne aus einer anderen Galaxie handelt, kann aber erst durch die Hinyunahme zukünftiger Ergebnisse anderer Experimente, die das Spektrum bei den höchsten Energie untersuchen, bestätigt werden " gibt Sven Schoo, der als Diplomand am KIT federführend die Analyse durchgeführt hat, schnon ein Ausblick auf die Zukunft in diesem Forschungsbereich.

Die Ergebnisse wurden soeben von der wissenschaftlichen Zeitschrift „Physical Review D“ in der Ausgabe D 87, Nr. 081101(R), 2013 publiziert.

(Für mehr Informationen: KIT)

Die Physikerin Dr. Susanne Mertens erhiehlt den Erna-Scheffler-Förderpreis 2013. Mit der Auszeichnung würdigt der Soroptimist International Club Karlsruhe alle zwei Jahre herausragende wissenschaftliche Leistungen junger Frauen am KIT. Der Preis erinnert an die erste Bundesverfassungsrichterin in Deutschland, Dr. Erna Scheffler, die sich nachdrücklich für die Gleichstellung der Frau engagierte.

Dieses Jahr verlieh der Soroptimist International Club Karlsruhe den Dissertationspreis in Höhe von 500 Euro an Dr. Susanne Mertens für ihre am Institut für Experimentelle Teilchenphysik (ETP) des KIT verfasste Dissertation „Investigation of Background Processes in the Electrostatic Spectrometers of the KATRIN Experiment“.

Die Physikerin Dr. Susanne Mertens hat sich in ihrer Dissertation mit Untergrundprozessen in den elektrostatischen Spektrometern des Karlsruhe Tritium Neutrino Experiments KATRIN befasst. Dieses interdisziplinäre Experiment zielt darauf, die Masse der Neutrinos, die zu den Elementarteilchen gehören, so genau wie möglich zu bestimmen. Dabei ist es wichtig, störende Untergrundprozesse so weit wie möglich zu unterdrücken. Susanne Mertens entwickelte gemeinsam mit Informatikern des KIT eine spezielle Simulationssoftware, um verschiedene Entstehungsweisen von Untergrundprozessen zu modellieren, deren Ausmaß und Ausprägung vorherzu-sagen sowie festzustellen, inwieweit sie sich auf die Neutrinomassen-Sensitivität von KATRIN auswirken. Um Untergrundprozesse durch gespeicherte Elektronen zu reduzieren, erarbeitete Susanne Mertens gemeinsam mit Elektrotechnikingenieuren eine neue Methode, die sich der sogenannten Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR) bedient. Dieses Verfahren testete Mertens erfolgreich am KATRIN Vorspektrometer. Wenn es gelingt, die Methode auf das Hauptspektrometer zu übertragen, wird eine nahezu untergrundfreie Messung der Neutrinomasse möglich sein.

Die Verleihung des Erna-Scheffler-Förderpreises 2013 ist Teil eines Festwochenendes zum 50-jährigen Bestehen des Soroptimist International Club Karlsruhe vom 26. bis 28. April. Bei Soroptimist International (SI) handelt es sich um die weltweit größte internationale Organisation berufstätiger Frauen. SI wurde 1921 in Oakland, Kalifornien/USA gegründet und ist heute mit rund 90 000 Mitgliedern und rund 3 170 Clubs in 125 Ländern der Welt vertreten. In Deutschland bestehen derzeit rund 200 Clubs mit mehr als 6 000 Mitgliedern. Soroptimistinnen engagieren sich für die Verbesserung der rechtlichen, sozialen und beruflichen Stellung der Frau. Ihr Name ist abgeleitet von lateinisch „sorores ad optimum“ und bedeutet soviel wie „Schwestern, die das Beste wollen“. Der Club Karlsruhe besteht seit 1963; Gründungspräsidentin war Dr. Erna Scheffler. Heute hat der Club Karlsruhe 39 Mitglieder, die verschiedene Berufe und Tätigkeiten vertreten.

Für die Verleihung des Erna-Scheffler-Förderpreises 2013 im Velte-Saal von Schloss Gottesaue Karlsruhe hat der Präsident des Bundesverfassungsgerichts, Professor Andreas Voßkuhle, wieder die Schirmherrschaft übernommen.

(Für mehr Informationen: KIT)

Instituto de Technologias en Deteccion y Astropaticulas ITeDA in Buenos Aires ist jetzt ein angeschlossene Member von Alliance.  In December 2012, der Leiter von ITeDA Alberto Etchengoyen hat ein Preis gewonnen als Helmholtz International Fellowships.

Das KIT  hatte den Physiker für den mit 20.000 Euro dotierten Preis vorgeschlagen. Damit verbunden ist eine Einladung zu einem Forschungsaufenthalt an einem oder mehreren Helmholtz-Zentren. Etchegoyen wird in den kommenden zwei Jahren mehrfach am KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik (KCETA ) zu Gast sein. „Argentinien ist ein aufstrebender Wissenschaftsstandort, gerade auch für Einrichtungen der Astroteilchenphysik“, sagt Professor Johannes Blümer, Sprecher von KCETA. „Das Potenzial für Kooperationen ist riesig, wie das Internationale Pierre Auger-Observatorium  für kosmische Strahlung seit 15 Jahren eindrucksvoll belegt.“

Diese gibt ihm die Gelegenheit Forschungsaufenthalten zu verfolgen und die Helmholtz Managment Academy zu besuchen, wo er mit der nächste Generation von Helmholtz Wissenschaft-Manager interagieren wird.

Pressemitteilung: Helmholtz-Gemeinschaft 

The new graduate school KSETA connects physicists and engineers in exciting international projects related to dark matter and dark energy, cosmic rays and elementary particles, such as the recently discovered Higgs boson. Learn more in reading the article published in the Badische Neueste Nachrichten (German only).

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