Schnelle Teilchen aus Weltall und Labor

  • 29. December 2015

Neben dem Nobel­preis an zwei Neutrino­forscher hatte das Jahr 2015 auch andere teil­chen­physi­kali­sche Über­ra­schung­en zu bieten.

Mit dem Nobelpreis in Physik an den Japaner Takaaki Kajita und den Kanadier Arthur McDonald erfuhr die Neutrino­forschung in diesem Jahr eine heraus­ragende Ehrung. Außerdem nahm 2015 der Large Hadron Collider am CERN nach einer Umrüst­pause den Betrieb wieder auf. Mit einer Schwer­punkt­­ener­gie von 13 TeV tritt nun die Suche nach neuen Teilchen in ihre wohl spannendste Phase. Damit liegt der LHC jetzt nur noch knapp unter seiner Auslegungs­grenze von 14 TeV, die er in nicht allzu ferner Zukunft erreichen wird. Weitere wichtige Entwick­lungen dieses Jahres waren die Unter­suchungen exotischer Materie­zustände, vor allem des Quark-Gluon-Plasmas. Auch wenn die Tür zu „dunkler“ Physik noch nicht aufge­stoßen wurde, sind viele interes­sante neue Experi­mente auf dem Weg, um das Standard­modell auf Herz und Nieren zu testen.

Takaaki Kajita (Super-Kamiokande Kollaboration) und Arthur B. McDonald (SNO-Kollaboration) erhalten den Physik-Nobelpreis 2015.

Takaaki Kajita (links, Super-Kamiokande Kollaboration) und Arthur B. McDonald (rechts, SNO-Kollaboration) erhielten den Physik-Nobelpreis 2015. (Bilder: U. Tokyo / Queens U.)

Takaaki Kajita und Arthur McDonald erhielten den Physik-Nobelpreis für ihre Arbeit an den Neutrino-Laboratorien Super-Kamiokande und Sudbury Neutrino Observatory (SNO). Mit diesen Tscherenkov-Observatorien gelang es, Neutrino-Oszillationen nachzu­weisen. Damit war endlich das Rätsel gelöst, warum weniger solare Neutrinos auf der Erde ankommen als theore­tisch erwartet. Mit diesen Ergeb­nissen ist nicht nur belegt, dass Neutrinos eine Ruhe­masse besitzen, sondern auch, dass das so erfolg­reiche Standard­modell der Materie nicht voll­ständig ist, da in ihm keine Neutrino­massen enthalten sind.

Da die Suche nach dunkler Materie bislang ergebnislos verläuft, setzen viele Physiker ihre Hoffnungen bei der Suche nach unerwarteten physika­lischen Phäno­menen auf Neutrinos. Hierzu gehört zunächst die möglichst exakte Bestimmung ihrer Ruhemasse. Noch ist keine genaue Masse bekannt – aber der mögliche Bereich lässt sich immer besser eingrenzen. Direkte Messungen der KATRIN-Kollaboration an Tritium und der ECHo-Kollaboration an Holmium-163 sollen hier Aufschluss bringen.

Wie wichtig die Nobelpreisarbeiten auch 2015 noch waren, zeigte sich an den weltweiten Forschungen zu Neutrino-Oszillationen. Am Südpol­observa­torium IceCube konnten Forscher die Oszil­lationen atmosphä­rischer Myon-Neutrinos bestimmen. Und mit Hilfe des OPERA-Detektors im italie­nischen Gran Sasso gelang der eindeutige Nachweis von Neutrino-Oszil­lationen zwischen Myon- und Tau-Neutrinos.

Abb.: Ein Block des KM3NeT-Detektors enthält 115 Strings. (Bild: KM3NeT Coll.)

Abb.: Ein Block des KM3NeT-Detektors enthält 115 Strings. (Bild: KM3NeT Coll.)

Die Suche nach überra­schenden Eigenschaften von Neutrinos wird sich in den kommenden Jahren sogar noch deutlich inten­sivieren. Eine ganze Reihe neuer Experi­mente ist auf dem Weg, um die Eigen­schaften dieser extrem flüchtigen Teilchen besser zu bestimmen. Unter anderem hat in China der Bau des Jiangmen Underground Neutrino Observatory begonnen. Am Fermilab bei Chicago ist MicroBooNE gestartet, das das große Deep Underground Neutrino Experiment vorbe­reiten soll. Während diese Experimente nach den Neutrinos aus Beschleuniger­experimenten und aus Kern­reaktoren schauen, wird das tief im Mittelmeer verankerte KM3NeT-Neutrinoteleskop seinen Blick in den Himmel richten. Es wird ein Volumen von mehr als einem Kubik­kilo­meter Meeres­wasser besitzen und damit in der nördlichen Hemi­sphäre als Gegen­stück zum antark­tischen Neutrino­detektor IceCube dienen.

IceCube ging dieses Jahr ein besonders dicker Fisch ins Netz: Die Wissen­schaftler konnten das Neutrino mit der höchsten je gemessenen Energie nachweisen. Mit mehreren Peta­elektronen­volt übertrifft es alle bisherigen Kandidaten. Da Neutrinos mit solch hohen Energien eine breite Spur im Detektor hinterlassen, lässt sich auch deren Richtung gut bestimmen. In Zukunft hoffen die IceCube-Forscher deshalb, die Herkunfts­orte dieser myste­riösen Teilchen besser eingrenzen zu können. In diese Richtung zielt auch das Pierre-Auger-Observatorium in Argen­tinien, das sich über dreitausend Quadrat­kilometer erstreckt und künftig zu Auger Prime ausgebaut werden soll.

Ebenfalls nach kaum interagierenden Teilchen sucht XENON1T. Im Gran-Sasso-Labor begann damit nun die Suche nach WIMPs. Diese hypothe­tischen Teilchen könnten einen Teil der dunklen Materie ausmachen. Der Theorie zufolge sollten die WIMPs sich ähnlich verhalten wie sehr schwere Neutrinos; ihr Nachweis erscheint aller­dings noch deutlich schwieriger. Bislang bleibt dunkle Materie weiterhin dunkel: Es lassen sich nur obere Grenzen für diese Klasse von Teilchen angeben, wie etwa durch das Vorläufer-Experiment XENON100.

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In einer der unterirdischen Hallen des Gran-Sasso-Labors steht der über zehn Meter hohe Tank mit dem XENON1T-Experiment. (Foto: Xenon Coll.)

Das Quark-Gluon-Plasma spielt sowohl für das Verständnis des frühen Kosmos als auch für den Aufbau von Neutronen­sternen eine wichtige Rolle. Messungen der CMS-Kollaboration am CERN deuten nun an, wie klein ein solches Plasma eigentlich sein kann. Ein Quark-Gluon-Süppchen kann offen­sicht­lich schon bei der Kollision von Protonen und Blei-Kernen entstehen. Auch der Zerfall des B0S-Mesons in zwei Myonen kratzt nicht am Standardmodell: Er ist zwar extrem selten, ließ sich nun aber in Einklang mit der Theorie messen. Ein anderer Teilchen­zustand gibt Rätsel auf: Ein exotisches Meson, das bei der Kollision von Pionen mit Wasser­stoff entsteht, könnte entweder ein bislang unbekannter Vier-Quark-Zustand sein oder eine Art Quark-Molekül. Vermut­lich wird sich dieser Zustand aber mit Methoden der Standard-Quanten­chromo­dynamik aufklären lassen.

Wie kompliziert auch vermeintlich einfache Quark-Systeme sein können, zeigte sich auch an den Messungen der Proton-Struktur. Die beiden großen Experimente H1 und ZEUS am Deutschen Elektronen-Synchro­tron veröffent­lichten gemeinsam die weltweit präzi­sesten Resultate über die innere Struktur und das Verhalten des Protons. Nach jahrelanger Auswertung von Milliarden Teilchen­kollisionen werden diese Ergebnisse für viele Modelle wichtige Daten liefern. Insbe­sondere bestätigen sie die Vereinigung der elektro­magneti­schen Kraft und mit der schwachen Kern­kraft, wie im Standard­modell beschrieben.

Andere Messungen stützen ebenfalls das Standard­modell. So ist die CPT-Symme­trie, auf denen das Standard­modell beruht, in hohem Maße bestätigt. Das Baryon Antibaryon Symmetry Experiment am CERN hat die Massen von Protonen und Anti­protonen genau untersucht. Wie sie heraus­fanden, sind sie bis auf die elfte Nachkommastelle identisch. Und die ALICE-Kollaboration, ebenfalls am CERN, hat die Symmetrie auch für Deuterium und Helium-3 und ihren Anti­teilchen unter die Lupe genommen. Auch hier zeigte sich eine hervor­ragende Symmetrie zwischen Materie und Anti­materie.

Dirk Eidemüller

OD

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