Dossier

Astroteilchenphysik

So jung die Astroteilchenphysik auch ist, so spektakulär sind die Entdeckungen, die dieses Gebiet an der Schnittstelle von Teilchenphysik, Astronomie und Kosmologie bislang hervorgebracht hat. Zu den Erfolgen der Astroteilchenphysik zählen u. a. die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen, von solaren und Supernova-Neutrinos sowie zahlreicher hochenergetischer Gammaquellen. Zudem widmet sie sich fundamentalen Fragen nach Dunkler Materie und Dunkler Energie oder auch der Physik des Urknalls.

Articles

Daniel Bemmerer
05 / 2019 Seite 20
DPG-Mitglieder

Abgebremst und aussortiert

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Michael C. F. Wiescher und Dieter H. G. Schneider
04 / 2019 Seite 29
DPG-Mitglieder

Ein stellares Plasma auf Erden

Durch Fusions­reaktionen in Sternen entstehen neue Elemente. Um die Mechanismen dahinter zu verstehen, müssen die Reaktionsraten genau bekannt sein. Allerdings erweist es sich als äußerst aufwändig, die Bedingungen eines stellaren Plasmas im Labor zu reproduzieren. Darüber hinaus stellt die Analyse der messbaren Daten eine enorme Herausforderung dar.

Als Energiequelle von Sternen spielen kernphysikalische Reaktionen und Zerfälle instabiler Isotope eine wichtige Rolle. Sie sind der Motor der Sternentwicklung. Kernreaktionen setzten die Energie frei, um den Stern gegen die Gravitationskräfte zu stabilisieren, die aus seiner gewaltigen Masse resultieren und sonst seinen Kollaps zur Folge hätten. Je schwerer ein Stern ist, desto mehr Energie muss er produzieren: In seinem Inneren herrschen höhere Temperaturen, bei denen die Fusionsprozesse schneller ablaufen können. Deswegen haben schwere Sterne eine kürzere Lebensdauer als leichtere. Die Sternentwicklung läuft in mehreren Phasen ab, die durch unterschiedliche Fusionsbrennstoffe geprägt sind. Während der ersten Phase des Wasserstoffbrennens wandelt sich Wasserstoff über verschiedene Reaktionssequenzen zu Helium um – in dieser Phase befindet sich unsere Sonne gerade.


Ist der Wasserstoff verbraucht, kontrahiert der Stern, Temperatur und Dichte im Inneren steigen an, bis Fusions- und Kernreaktionen mit Helium möglich sind. Die dann freigesetzte Energie stabilisiert den Stern erneut. Allerdings bläht sich dabei die Sternhülle auf, sodass ein Roter Riese entsteht. Ein bekanntes Beispiel ist Betelgeuse (α Orionis). Auf das Heliumbrennen folgt das Kohlenstoffbrennen und um den stellaren Kern bilden sich Hüllen, in denen das dort vorhandene Helium und weiter außen der Wasserstoff fusionieren. Diese Entwicklung setzt sich fort bis zum Aufbau von Eisen im Sterninneren. Hier ist die Bindungsenergie der Kerne am größten, sodass weitere Kernreaktionen Ener­gie benötigen anstatt diese freizusetzen. Deshalb wird der Stern instabil und bricht in sich zusammen, woraus sich eine Supernova entwickelt. (...)

 

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Matthias Bartelmann
09 / 2018 Seite 24
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Ein aufregendes Neutrino?

Der IceCube-Detektor hat ein kosmisches Neutrino registriert. Aus der gleichen Richtung wurde auch Gammastrahlung detektiert. Stammen beide aus der gleichen Quelle?

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Béla Majorovits, Klaus Desch und Andreas Ringwald
07 / 2018 Seite 33
Pro-Physik-Mitglieder

Neuer Schwung für Axionen 

Das Standardmodell der Teilchenphysik und gängige kosmologische Modelle lassen wichtige fundamentale Fragen offen: Warum verhalten sich Teilchen und Antiteilchen bei der starken Wechselwirkung absolut symmetrisch? Woraus besteht Dunkle Materie? Das Axion – als neues Teilchen in verschiedenen theoretischen Szenarien konstruiert – könnte beide Fragen beantworten. Jetzt bekommt die experimentelle Jagd nach dem Axion neuen Auftrieb.

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt erfolgreich die Welt der kleinsten Teilchen und die auf sie wirkenden Kräfte. Allerdings versagt es, wenn man die Welt auf kosmologischen Skalen betrachtet: Die Dunkle Materie macht 85 Prozent der Materie unseres Universums aus. Eine Vielzahl von Erweiterungen des Standardmodells sagt Kandidaten für die Dunkle Materie in Form neuartiger Elementarteilchen vorher. Zwei dieser Kandidaten stechen besonders heraus, weil ihre Existenz auch andere Fragen der Teilchenphysik beantwortet und ihr direkter experimenteller Nachweis in Reichweite sein könnte [1]. Bekannt ist das Neutralino aus den supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells, die auch das Hie­rarchieproblem lösen könnten, also die Frage, warum sich Higgs- und Planck-Masse so sehr unterscheiden. Weniger bekannt ist das Axion. Seine Existenz wurde vorhergesagt, um das starke CP-Problem zu lösen (Info­kasten), also die Frage zu klären, warum bisher für die starke Wechselwirkung keine gleichzeitige Verletzung der Ladungs- und Raumspiegelungssymmetrie nachzuweisen war – obwohl die theoretische Beschreibung dies erlaubt.
Das Standardmodell beschreibt Teilchen und Kräfte in quantisierten Feldern, die unser Universum durchziehen. Die Felder lassen sich anregen, und diese Anregungen breiten sich wie Wellen auf einer Oberfläche aus. Teilchen entsprechen den Elementaranregungen dieser Felder, während klassische Oszillationen die kohärenten Zustände vieler Teilchen sind. Die Quanten­chromodynamik (QCD) erklärt die starke Wechselwirkung, die für die Kernkräfte verantwortlich ist, mit Hilfe so genannter Gluonfelder. Experimente haben die vorhergesagten Wechselwirkungen der Gluonen als Teilchenanregungen des Feldes mit den Bausteinen der Materie, den Quarks, und mit sich selbst mit großer Genauigkeit bestätigt.
...

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Gabriel Martínez-Pinedo, Brian D. Metzger und Friedrich-Karl Thielemann
12 / 2017 Seite 20
DPG-Mitglieder

Der Beginn einer Multi-Messenger-Ära

Erstmals ist es gelungen, die Gravitationswellen sowie elektromagnetische Strahlung nachzuweisen,
die beim Verschmelzen zweier Neutronensterne entstehen.

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Thomas W. Baumgarte
04 / 2016 Seite 16
Pro-Physik-Mitglieder

Gravitationswellen gefasst!

Mit Hilfe der beiden LIGO-Detektoren ist es erstmals gelungen, Gravitationswellen direkt zu messen.

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Guido Drexlin, Manfred Lindner und Christian Weinheimer
12 / 2015 Seite 24

Wandelbare Geisterteilchen

Mit Hilfe langwieriger und heraus­fordernder Messungen mit den beiden Experimenten SNO und Super-Kamiokande ließen sich die über viele Jahre bestehenden Probleme der „fehlenden“ Sonnen- und Atmosphärenneutrinos lösen. Dadurch gelang es, die Hypothese zu bestätigen, dass sich Neutrinos im Flug von einer Sorte in eine andere umwandeln. Als Leiter der Kollaborationen haben die beiden diesjährigen Nobelpreisträger damit die Tür zur weiteren Erforschung der Eigenschaften dieser faszinierenden Teilchen weit aufgestoßen.

Der diesjährige Physik-Nobelpreis ehrt einen der wichtigsten experimentellen Durchbrüche der Physik in den letzten Jahrzehnten. Der erstmalige experimentelle Nachweis der Oszillation von atmosphärischen Neutrinos mit dem Super-Kamiokande-Detektor in Japan und der Nachweis von Flavour-Übergängen von solaren Neutrinos mit dem Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Kanada zeigten um die Jahrtausendwende, dass Neutrinos entgegen den Annahmen des Standardmodells der Teilchenphysik eine von Null verschiedene Masse besitzen.

In den Neunzigerjahren gab es zwei große Rätsel im Zusammenhang mit Neutrinos. Zum einen „fehlten“ Sonnenneutrinos: Eine Vielzahl an Experimenten (Homestake, GALLEX/GNO, SAGE, Kamiokande) stellte ein signifikantes Defizit an Elektronneutrinos aus der Sonne fest. Die Anzahl der Elektronneutrinos, die bei den Kernfusionsreaktionen von Wasserstoff zu Helium im Sonnen­innern entstehen, lässt sich gut vorhersagen, sodass entweder neue Astrophysik oder neue Neutrino-Eigenschaften zur Lösung des Rätsels notwendig waren. Zum anderen fanden sich zu wenige atmosphärische Myonneutrinos: Trifft kosmische Strahlung die obere Atmosphäre, entstehen durch Zerfälle von Pionen und Myonen Neutrinos. Das Flavour-Verhältnis von Myon- zu Elektronneutrinos sollte dabei 2:1 betragen. Analysen großvolumiger Wasser-Cherenkov-Detektoren (Kamiokande, IMB) wichen aber mit einem Verhältnis von fast 1:1 deutlich davon ab.
In beiden Fällen wurde frühzeitig das Phänomen der Neutrino­oszillation als mögliche Ursache in Betracht gezogen. Am besten zeigt sich dies bei der Untersuchung von atmosphärischen Neutrinos. Hierbei übernahm das Kamiokande-Experiment eine Pionierrolle. Die schon damals von Takaaki Kajita mitgestalteten Analysen zeigten ein überraschendes Defizit von unten kommender Myonneutrinos, trotz eines symmetrisch aufgebauten Detektors [1]. ...

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Anne Schukraft
09 / 2014 Seite 41

Neutrinosuche am Ende der Welt

Mit dem IceCube-Experiment am Südpol gelang es erstmals, extraterrestrische Neutrinos zu beobachten. Nach vielen spannenden Erkenntnissen, welche die Astronomie in immer neuen Beobachtungsfens­tern vom Mikrowellenhintergrund bis zur Gammastrahlung geliefert hat, könnte dies der Beginn der Neutrino­astronomie sein. Diese wird möglicherweise ein neues Bild des hochenergetischen Universums zeichnen.

Im Jahr 1912 entdeckte der Physiker Victor Hess eine ionisierende Strahlung, die er damals Höhen­strahlung nannte. Die Beobachtung, dass die Intensität der Strahlung mit der Höhe zunahm, ließ die Schlussfolgerung zu, dass diese kosmischen Ursprungs ist. Heute ist bekannt, dass die Strahlung überwiegend aus Protonen besteht, gemischt mit Atomkernen. Ihr Ener­giespektrum wurde über viele Größenordnungen gemessen. Der Fluss der kosmischen Strahlung, also die Zahl der Teilchen pro Zeit, Fläche und Raumwinkel, nimmt mit der Energie nach einem Potenzgesetz ab. Im Bereich bis zu TeV-Energien sind die Flüsse vergleichsweise groß (wenige Teilchen pro Tag und Quadratmeter), und die kosmische Strahlung lässt sich mit Ballon- und Satellitenexperimenten nachweisen, wie z. B. dem AMS-Experiment auf der Internationalen Raumstation. Bei höheren Ener­gien beträgt der Fluss nur wenige Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert, sodass großflächige, erdgebundene Detektoren nötig sind, um mit akzeptabler Wartezeit Daten zu sammeln. Ein Beispiel dafür ist das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien, dessen Instrumente sich über eine Fläche von etwa 3000 km2 verteilen.

Unbekannt ist bis heute, wie es möglich ist, diese Teilchen auf solch hohe Energien zu beschleunigen, und welche astrophysikalischen Objekte die Quellen der Strahlung sind. Vermutlich ist der ultrahochenergetische Teil extragalaktischen Ursprungs und wird von Aktiven Galaktischen Kernen, den energie­reichsten Objekten im Universum, erzeugt [1]. Sie bestehen aus supermassiven Schwarzen Löchern, die stellare Materie mit hoher Rate aufsaugen und hochenergetische Strahlung, u. a. in hochrelativistischen Plasmajets, emittieren. Im Modell der hadronischen Beschleunigung diffundieren geladene Hadronenkerne durch turbulente Magnetfelder und werden durch den wiederholten Übergang zwischen Medien unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeiten beschleunigt. Wechselwirken diese Hadronenkerne mit Materie oder Strahlung in der Umgebung der Quelle, sollten hochenergetische Neutrinos und Gammastrahlung entstehen. Dieses Modell der Beschreibung ist die Grundlage der „Multi-Messenger“-Astroteilchenphysik, die das Ziel hat, gleichzeitig derartige Quellen mit allen Botenteilchen – Hadronen, Photonen, Neutrinos und auch Gravitationswellen – zu untersuchen. (...)

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Stefan Jorda
03 / 2014 Seite 29

Partikel in der Pampa

Seit Stunden fahre ich bereits von der argentinischen Großstadt Mendoza aus nach Süden, meist führt die Straße schnurgeradeaus. Zu beiden Seiten der Straße erstreckt sich die Pampa mit ihrer niedrigen Vegetation aus Gras und Büschen. Zur Rechten begleiten mich in einiger Entfernung die schneebedeckten Gipfel der Anden, doch hier in der Ebene ist es heiß und trocken. Bis zu meinem Ziel, der Kleinstadt Malargüe, fehlen noch immer fast hundert Kilo­meter, als ich den ersten „Tank“ sehe: Am Straßenrand steht ein runder, beigefarbener Behälter, etwa einen Meter hoch und drei Meter im Durchmesser. Obendrauf befinden sich ein Solarmodul sowie eine Richtfunk-Antenne. Das soll ein Teilchendetektor sein?

Bei der Weiterfahrt tauchen etwa alle zwei Kilo­meter links und rechts der Straße baugleiche Tanks auf. Wenn ich den Blick in die Ferne schweifen lasse, kann ich bis zum Horizont kleine Pünktchen erahnen. Doch das ist nur ein Bruchteil der insgesamt über 1600 Detektoren, die hier ab dem Jahr 2000 aufgestellt wurden. Sie alle gehören zum Pierre­-Auger-Observatorium, dessen Hauptquartier in Malargüe ich nach einer weiteren Stunde erreiche. Dieses weltweit größte Observatorium weist Teilchen der kosmischen Strahlung nach, deren Energie bis zu 100 Millionen Mal höher ist als die Strahlenergie des Large Hadron Colliders (LHC). Ein Proton mit diesen 100 Exa-Elektronenvolt hat eine ähnliche kinetische Energie wie ein Tennisball beim Aufschlag. „Das ist die höchste Teilchenenergie, die wir in der Natur überhaupt kennen. Wir wollen die Quellen dieser Teilchen finden und verstehen“, sagt Karl-Heinz Kampert. Der Wuppertaler Physikprofessor wurde im Herbst als Sprecher der Auger-Kollaboration wiedergewählt, der etwa 500 Wissenschaftler aus 19 Ländern angehören.

Wenn kosmische Teilchen – primär Protonen und schwerere Atomkerne – in die Erdatmosphäre eindringen, werden sie an den Atomkernen der Luft gestreut, sodass sie selbst die Erdoberfläche nicht erreichen können – zum Glück für unsere Gesundheit. Bei den Stößen entstehen aber neue Teilchen, die weitere erzeugen usw., sodass eine ganze Lawine von Millionen bis Milliarden von sekundären Teilchen entsteht, die auf die Erdoberfläche zurasen. Befindet sich dort ein verteiltes Feld von Detektoren, so registrieren diese beim Eintreffen des Schauers Signale, die Rückschlüsse auf die Eigenschaften des primären Teilchens erlauben. Der französische Physiker und Namenspatron für das Observatorium Pierre Auger wies auf diese Weise bereits Ende der 1930er-Jahre Luftschauer auf dem Jungfraujoch in der Schweiz nach.

In den 1960er-Jahren gelang es mit solchen Detektorfeldern, die Zahl der pro Fläche und Zeit auf die Erde praselnden kosmischen Teilchen zu vermessen. Dieser Fluss fällt im Wesentlichen mit der dritten Potenz der Energie ab. Daher trifft pro Quadratmeter und Minute etwa ein Teilchen auf die Erde, dessen Energie bei der LHC-Energie oder darüber liegt, während bei einer Grenzenergie von einem 1 EeV nur noch mit einem Teilchen pro Quadratkilometer und Jahr zu rechnen ist. Wenn man den Teilchenfluss bei höchsten Energien vermessen möchte, führt also kein Weg an möglichst großen Detektorfeldern vorbei – daher verteilen sich die Tanks des Pierre-Auger-Observatoriums auf eine Fläche von 3000 Quadratkilometern, größer als Luxemburg. Ungeachtet davon gelang es aber bereits in den 1960er-Jahren, mit einem kleinen Messfeld ein einzelnes Ereignis mit sogar 100 EeV zu registrieren. „Die hatten einfach unglaubliches Glück“, sagt Kampert. ...

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Manfred Lindner und Christian Weinheimer
07 / 2011 Seite 31

Den Geisterteilchen auf der Spur

Eine Vielzahl von Experimenten mit Neutrinos aus der Sonne, der Atmosphäre, Reaktoren und Beschleunigern hat gezeigt, dass Neutrinos im Flug ihre „Familienzugehörigkeit“ wechseln. Diese Neutrino­oszillationen sind ein Beleg dafür, dass Neutrinos ähnlich wie Quarks miteinander mischen und eine endliche Masse besitzen müssen, und der erste harte Beweis für Physik jenseits des Standardmodells.

Neutrinos waren von Anfang an für Überraschungen gut. Wolfgang Pauli führte sie 1930 als hypothetische Teilchen ein, um Energie- und Drehimpulserhaltung beim Betazerfall zu retten. Nur durch die gleichzeitige Emission von Elektronen und unsichtbaren Neutrinos konnte er die beobachteten kontinuierlichen Elektronenspektren erklären. Würde beim Zerfall hingegen kein anderes Teilchen emittiert, sollte die Elektronenenergie einen scharfen Wert haben. Die Form des Spektrums erfordert ein sehr leichtes, wenn nicht sogar masseloses Teilchen. Die Ladungserhaltung verlangt zudem ein elektrisch neutrales Teilchen, das aufgrund seiner geringen Wechselwirkung mit Materie kaum nachzuweisen ist. Ein Vierteljahrhundert später gelang Clyde Cowan und Frederick Reines der experimentelle Nachweis des Neutrinos. Später zeigten Leon Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinberger, dass es mehr als eine Sorte (Familie oder Flavour) von Neutrinos gibt. Inzwischen sind drei masselose Neutrinosorten (νe , νμ und ντ), die jeweils nach ihrem geladenen Partner in der schwachen Wechselwirkung benannt sind (Elektron e, Myon μ und Tauon τ), fester Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik. Im Volksmund heißen die Neutrinos auch Geisterteilchen, wegen ihres geringen Wirkungsquerschnitts. So streuen Anti-Neutrinos aus den Spaltreaktionen eines Kernreaktors im Mittel erst nach der gewaltigen Strecke von 100 Lichtjahren mit Wasser. ...

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Stefan Jorda
03 / 2011 Seite 23

Physik im Untergrund

Mitten in dem zehn Kilometer langen Autobahntunnel der italienischen A24, zwischen Teramo und L’Aquila und rund hundert Kilo­meter von Rom entfernt, leuchten plötzlich orangefarbene Warnleuchten auf, die den fließenden Verkehr darauf vorbereiten sollen, dass unser Kleinbus abbremst. Dem Schild „INFN solo autorizzati“ folgend, biegen wir rechts in einen Seitenstollen ein und passieren eine Schranke sowie ein großes Stahltor. Als der Wagen an einer Kabine mit Sicherheitspersonal anhält, schließt sich das Tor wieder. Schlagartig verschwindet das Rauschen des Straßenverkehrs, Stille kehrt ein. Gemeinsam mit Technikern und Physikern, die der Kleinbus an ihren Arbeitsplatz gebracht hat, befinde ich mich im größten Untergrundlabor der Welt, dem vor 30 Jahren gegründeten Laboratori Nazionali del Gran Sasso des italienischen Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Hier unten, abgeschirmt von der kosmischen Strahlung durch 1400 Meter dickes Gestein der fast 3000 Meter hohen Abruzzen, jagen internationale Kollaborationen von Physikern äußerst flüchtige Teilchen wie Neutrinos oder versuchen, extrem seltene Reaktionen nachzuweisen. Damit tasten sie sich in die Terra incognita jenseits des Standardmodells vor. Ihr Ziel: einige der großen Fragen der Teilchenphysik zu beantworten. Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen? Welche anderen Eigenschaften haben die drei bekannten Neutrinotypen? Gibt es Dunkle ­Materie und wenn ja, woraus ­besteht sie? ...

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Johannes Blümer
06 / 2010 Seite 31

Partikel in der Pampa

Kosmische Strahlung trifft ständig auf die Erde. Die Teilchen stammen aus der Sonne, von Supernova-Explosionen in unserer Milchstraße - und aus anderen Galaxien. Besonders interessant sind die seltenen Ereignisse, bei denen einzelne Atomkerne kinetische Energien von vielen Joule aufweisen. Ihre Identifizierung, die Suche nach ihrer Herkunft und die Physik ihrer Wechselwirkung mit der Atmosphäre sind die Forschungsziele des Pierre-Auger-Observatoriums.

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Roman Schnabel, Gerhard Heinzel, Harald Lück, Benno Willke und Karsten Danzmann
10 / 2009 Seite 33

Wellen aus dem Rauschen fischen

Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie können beschleunigte Massen Wellen der Raumzeit hervor­rufen. Diese Gravitationswellen bewirken aber so kleine Längenänderungen, dass es bis heute nicht gelungen ist, sie direkt zu beobachten. Die dafür erforderlichen Teleskope werden Laserinterferometer mit viele Kilo­meter langen Armen sein. Trotz dieser makroskopischen Ausmaße ist dabei die Quantenphysik zu berücksichtigen. Nur mit modernster Physik lässt sich daher die Gravitationswellenastronomie realisieren.

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Christopher van Eldik und Werner Hofmann
01 / 2008 Seite 33

Scharfe Augen für höchste Energie

Vier mächtige Spiegelteleskope zeigen im Hochland von Namibia gen Himmel. Ungestört vom Licht großer Städte eröffnet sich hier ein optimaler Blick auf den zentralen Bereich der Milchstraße und für die Suche nach den rätselhaften Quellen hochenergetischer Gammastrahlung.

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News

Forschung

Ein Leuchtturm der Astroteilchenphysik

02.01.2019 - Seit dem 1. Januar 2019 gibt es bei DESY einen eigenen Bereich Astroteilchenphysik.

Forschung

Eine völlig andere Art der Astronomie

17.02.2012 - Nach dem Ausstieg der NASA aus dem LISA-Projekt haben europäische Wissenschaftler nun bei der ESA das Konzept für das New Gravitational Wave Observatory (NGO) vorgelegt.

Forschung

Jung, dynamisch, vielversprechend

21.11.2011 - Auf einem Workshop in Paris wurde im November 2011 eine aktualisierte Roadmap für die Astroteilchenphysik in Europa vorgestellt.

Forschung

Nachweis nach 100 Jahren

12.02.2016 - Die beiden LIGO-Detektoren haben das Gravitationswellensignal von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern nachgewiesen.

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