Observatorium Genf

Gestern Abend (genau genommen, bis in die Nacht hinein) besuchte eine Gruppe von Summer Students das Observatorium in Genf. Bekannt geworden ist es zum Beispiel durch die Entdeckung des ersten Exo-Planeten, der um einen sonnenähnlichen Stern kreist, und durch die Mitarbeit an Missionen der ESA wie Gaia oder Planck.

Unsere Tour bestand aus einer Präsentation von Laurent Eyer, der uns freundlicherweise seine Zeit zur Verfügung stellte. Er erzählte über die Forschungsaktivitäten in Genf und seine persönliche "Verstrickung". Da das Observatorium nahe der Stadt liegt, können nur wenige Messungen vor Ort durchgeführt werden - daher gibt es auch nur verrgleichsweise kleine Teleskope, von denen wir aber eines zu Gesicht bekamen. Die Messungen, die hier ausgewertet werden, kommen beispielsweise von Teleskopen aus Chile.

Am späteren Abend begaben wir uns auf das Dach der Sternwarte, um einige Stunden selbst Planeten, Sterne und Galaxien durch ein Teleskop zu beobachten. Zu sehen bekamen wir Venus, Saturn (inklusive der Ringe und einiger Monde!), Jupiter (inklusive einiger Monde), die Andromedagalaxie und einige Sternencluster.

Ich habe versucht, Saturn durch das Teleskop zu fotografieren, da mir aber die entsprechende Ausrüstung und die Zeit fehlte, sind die Bilder nicht besonders gut - aber man kann mit ein wenig Phantasie sogar die Ringe erahnen :-). Die weiten Aufnahmen zeigen den Sternenhimmel über Genf mit 15 bzw. 60 Sekunden Belichtungszeit.

Summer Student - Gruppenfoto

"Say 'Hiiiiiiiggs'"

CAST Experiment

Ein neuer Tag, ein neues Experiment ;-) Man könnte darauf kommen, dass ich nicht arbeite - aber das war erst einmal der letzte geplante Visit. Heute ging es zum CAST (CERN Axion Solar Telescope - und nein, nicht jedes Experiment hier beginnt mit "C"...) Experiment. Die physikalischen Grundlagen sind diesmal etwas subtiler und daher schwer zu erklären. Sobald mir etwas "einfaches" einfällt, werde ich es hier posten.

Ziel des Experiment ist es, hypothetische Elementarteilchen - die Axions - zu finden. Dazu folgt ein Teleskop jeden Tag etwa drei Stunden dem Lauf der Sonne. Das Teleskop ist aber kein gewöhnliches: Genutzt wird ein Prototyp eines LHC Dipols mit einer Magnetfeldstärke von neun Tesla (zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld hat in Europa eine Stärke von etwa 45 x 10^-6 Tesla). Erreicht wird diese Stärke durch supraleitende Magneten bei einer Temperatur von 1,7 Kelvin. Sollte es Axions geben und sie in der Sonne produziert werden, so können sie im einen starken Magnetfeld in ein Photon umgewandelt werden, was von dem Detektor am Ende des Teleskops entdeckt werden kann. Um die Sensibilität des Teleskops zu erhöhen, kann es mit einer exakt bestimmten Menge Helium-3 gefüllt werden.
Die Axions wurden postuliert, um das starke CP-Problem der Quantenchromodynamik zu lösen. Die Lagrangedichte der QCD enthält einen Term, der CP-Symmetrie verletzt. Der Parameter, der den Grad der Verletzung beschreibt, kann dabei nur gemessen, nicht theoretisch bestimmt werden. Ein hoher Grad der CP-Verletzung würde aber ein elektrisches Dipolmoment des Neutrons vorhersagen - und dies ist nach experimentellen Ergebnissen - falls überhaupt vorhanden - sehr klein. Um zu erklären, warum dieser Parameter so klein ist, führt man anstelle des Parameters ein Feld (zusammen mit einer neuen Symmetrie ein), die spontan gebrochen wird - das dabei entstehende Boson ist das hypothetische Axion.
Darüber hinaus sind Axions - sofern sie genügend kleine Massen besitzen - Kandidaten für dunkle Materie.

iPod Party

CLOUD Experiment

Am Donnerstag besuchte ich das CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) hier am CERN - vielen Dank an Jonathan Duplissy, der die Führung ermöglichte. Ziel des Experimentes ist es, den Einfluss von kosmischer Strahlung (hochenergetische Teilchen, die auf die Erdatmosphäre treffen) auf die Bildung von Wolken zu untersuchen. Eine mögliche Theorie: Die kosmische Strahlung ionisiert Moleküle in der Erdatmosphäre, was die Bildung von so genannten Kondensationskernen fördern kann, die für die Wolkenbildung unerlässlich sind. Daher ist das Experiment bedeutend für die aktuelle Klimaforschung.

CLOUD ist dabei das erste Experiment seiner Art, für das ein Teilchenbeschleuniger benutzt wird. Kernstück ist eine thermisch isolierte Kammer, die mit einem Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch gefüllt wird (entsprechend den Anteilen in der Erdatmosphäre. Dazu werden hochreiner flüssiger Sauerstoff und flüssiger Stickstoff in die Kammer geleitet und verdampft). Es besteht auch die Möglichkeit, verschiedene Spurengase, die in der Luft vorkommen, dem Gemisch hinzuzufügen. Temperatur und Druck können variiert werden, um jede mögliche Höhe in der Erdatmosphäre nachzustellen. Die Kammer wird dann mit Protonen aus dem PS (Protonen Synchrotron, kinetische Energie etwa 3 GeV, entspricht etwa 97% der Lichtgeschwindigkeit) bestrahlt und somit die Bestandteile des Gasgemischs ionisiert. Speziell entwickelte Sensoren von verschiedenen Instituten auf der Welt messen dann den Effekt auf die Wolkenbildung.

work project (II – Beta-Zerfall)

Nun zu dem letzten der drei wichtigen radioaktiven Zerfälle: dem Beta-Zerfall. Man unterscheidet hier noch genauer zwischen dem ß^-- und ß⁺-Zerfall, die allerdings nach den gleichen physikalischen Prinzipien funktionieren. Aus Gründen, die später noch klar werden, beobachtet man den ß^--Zerfall bei instabilen Atomkernen, die besonders neutronenreich sind, und umgekehrt den ß⁺-Zerfall bei Atomkernen, die besonders protonenreich sind.

Doch was geschieht nurn eigentlich beim ß^--Zerfall? Im Atomkern wandelt sich ein Neutron in ein Proton um und dabei wird unter anderem ein Elektron (das „Beta-Teilchen“) erzeugt, das mit hoher Energie den Kern verlässt (der Tochterkern hat somit ein Proton mehr und ein Neutron weniger als der Mutterkern - daher tritt dieser Zerfall bei Kernen auf, die einen Neutronenüberschuss besitzen). Bei den ersten Modellen, die den Beta-Zerfall erklären sollten, wurde noch fälschlicherweise angenommen, Elektronen wären Bestandteil des Atomkerns – heute jedoch kann der Beta-Zerfall mit der schwachen Wechselwirkung, einer der vier Grundkräfte der Physik, erklärt werden. Doch nicht nur die Präsenz der Elektronen beim Beta-Zerfall verwirrte die Physiker von damals. Misst man die Energie der abgestrahlten Elektronen, so stellt man fest, dass es sich um ein kontinuierliches Spektrum handelt, das heißt alle Energien bis zu einem bestimmten Maximalwert (der von dem jeweiligen radioaktiven Element abhängt) sind möglich und treten auf. Das würde aber eine Verletzung eines der wichtigsten Gesetze der Physik bedeuten: Der Energie- und Impulserhaltung.

Wenn ein Mutterkern in einen Tochterkern und nur ein abgestrahltes Teilchen zerfällt („Zwei-Körper-Zerfall“), so kann das abgestrahlte Teilchen nur diskrete Energieniveaus annehmen (denn Impuls und Energie des Endzustandes müssen mit dem des Anfangszustandes übereinstimmen. Dies beobachtet man zum Beispiel beim Alpha-Zerfall. Das Energiespektrum der Elektronen beim Beta-Zerfall widerspricht dieser Tatsache – und man verbrachte einige Jahre damit, das Problem zu lösen. Um die Energie-Impulserhaltung zu retten, postulierte Wolfgang Pauli zu beginn der 1930er Jahre, dass es ein Teilchen geben müsse, was zusätzlich beim Beta-Zerfall entsteht, aber nicht beobachtet werden kann. Aus dem Zwei-Körper-Zerfall würde somit ein Mehr-Körper-Zerfall und ein kontinuierliches Spektrum der Elektronen würde erklärbar. Unterstützung erhielt er von Enrico Fermi, der eine Theorie des Beta-Zerfalls mit eben diesen postulierten Teilchen formulierte – und dabei prägte er den bis heute gültigen Namen „Neutrinos“ („kleines Neutron“).

Dieser Name spiegelt die grundlegenden Eigenschaften der Neutrinos gut wieder: Sie sind elektrisch neutral, haben (fast) keine Masse und wechselwirken daher nur äußerst selten mit Materie – so selten, dass in jeder Sekunde mehr als 65 Milliarden Neutrinos durch jeden Quadratzentimeter unseres Körpers fliegen, ohne, dass wir es merken. Das macht sie für die Physik auch so schwer greifbar: Von den bekannten Wechselwirkungen unterliegt das Neutrino nur der sogenannten schwachen Wechselwirkung (und der Gravitation, die aber aufgrund der verschwindet geringen Masse keine Rolle spielt), sodass es keine Möglichkeit gibt, Neutrinos direkt zu beobachten.

Deswegen dauerte es auch bis 1956, bis die Existenz von Neutrinos durch eine Kollaboration  (um Clyde Cowan und Frederick Reines) und ein ausgetüfteltes Experiment endlich nachgewiesen werden konnte (Nobelpreis für Physik 1995). Doch damit waren bei weitem nicht alle Rätsel gelöst, sondern die Neutrinos fingen an, den Physikern immer mehr Kopfzerbrechen zu bereiten...

COMPASS Experiment

Heute Nachmittag besuchte ich zusammen mit zwei weiteren Summer Students das COMPASS (COmpact Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) Experiment, welches in Building 888 auf dem Gelände in Prevessin untergebracht ist. Seit Montag gibt es einen dreitägigen "Technical Stop" (eine routinemäßige Wartungsarbeit jeden Monat) an den Beschleunigern hier, sodass uns der Sprecher des COMPASS-Experiments, Gerhard Mallot, dankenswerterweise durch die Halle führen konnte.

Ziel des Experiments ist es, zu verstehen, wie der Spin (ein quantenmechanisches charakteristisches Merkmal von Teilchen) von Hadronen (z.B. Protonen und Neutronen) durch ihre "Bauteile", den Quarks und Gluonen, erzeugt wird. Experimente (zum Beispiel durch die European Muon Collaboration) in den 1980er Jahren haben gezeigt, dass der Spin von den drei Quarks in den Protonen nicht ausreicht, um den Spin des gesamten Protons zu erklären (dies ist bekannt geworden als die "spin crisis in the parton model"). Ein weiteres Forschungsgebiet des Experiments sind sogenannte "exotic mesons", wie zum Beispiel den glueballs (hypothetische Teilchen, die nur aus Gluonen bestehen). 

Das Experiment selbst ist an das SPS (Super Proton Synchroton) angeschlossen. Ein Protonenstrahl wird mit hoher Energie auf ein Target geschossen und erzeugt dort unter anderem Pionen, die dann zu Myonen ("schwere Elektronen") zerfallen. Diese werden gesammelt und über eine etwa einen Kilometer lange Transferlinie zu COMPASS geleitet. Dort wird die Energie der ankommenden Teilchen gemessen, welche dann auf ein Target mit polarisierten Protonen geschossen werden. Mit Hilfe von Teilchendetektoren werden dann Kollisionsfragmente analysiert und deren Daten werden von den rund 240 Mitgliedern der Kollaboration untersucht.

(Aus mir nicht erklärlichen Gründen hat der Autofokus bei einigen der ersten Aufnahmen versagt, diese sind daher leider etwas unscharf :-( )