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In natürlichen Prozessen wie dem radioaktiven Betazerfall oder Supernovae entstehen zahlreiche Neutrinos. Sie gehören zu den häufigsten Teilchen im Universum, bleiben aber trotz ihrer Allgegenwärtigkeit die am wenigsten verstandenen Bausteine des Standardmodells. Zu ihren faszinierenden Eigenschaften gehört es, dass sie die einzigen elektrisch neutralen Fermionen sind und nur über die schwache Kraft wechselwirken. Daher interagieren sie fast nicht mit Materie und sind extrem schwer zu detektieren. Neutrinos galten lange Zeit als masselos. Doch mittlerweile wissen wir, dass sie eine − wenn auch verschwindend geringe − Ruhemasse besitzen. Deren Messung ist bis heute eine Herausforderung. Dass sie von Null verschieden sein muss, zeigt das Phänomen der Neutrinooszillationen.

Neutrinos entstehen ausschließlich über Prozesse der schwachen Wechselwirkung und lassen sich auch nur durch diese nachweisen. Findet dabei der Austausch eines Z0-Bosons statt, was einer Streuung gleicht, bleibt das Neutrino unverändert. Wechselwirkt es jedoch mittels eines ­W±-Bosons, so wandelt es sich in ein geladenes Lepton um. Je nach Flavour dieses Leptons (e, μ, τ) befindet sich das Neutrino bei der Wechselwirkung in dem entsprechenden quantenmechanischen Eigenzustand (ν_e, ν_μ, ν_τ), dem sogenannten Flavourzustand. Bei der Bewegung durch den Raum liegen sie allerdings in Eigenzuständen vor, die den Neutrinomassen zugeordnet und als ν₁, ν₂ und ν₃ bezeichnet werden. In der Quantenmechanik kann ein Teilchen als Überlagerung mehrerer Zustände existieren, sodass im Falle der Neutrinos jeder Flavourzustand aus allen drei Massezuständen besteht und umgekehrt. Wenn ein Neutrino also in einem bestimmten Flavourzustand entsteht, enthält es Anteile aller drei Massenzustände. Bewegt es sich durch Raum und Zeit, ändert sich seine Zusammensetzung in den unterschiedlich schweren Massenzuständen, da diese mit verschiedenen Geschwindigkeiten propagieren. Folglich ergibt sich nach einer gewissen Zeit ein anderer Flavourzustand; diesen Effekt bezeichnet man als Neutrinooszillation. (...)

Wenn alles nach Plan verläuft, wird das DUNE-Experiment 2030 die ersten Daten liefern – hundert Jahre nachdem Wolfgang Pauli die Existenz von Neutrinos als „verzweifelten Ausweg“ postulierte, um das Problem des kontinuierlichen Energiespektrums im β-Zerfall zu lösen. Es dauerte 26 Jahre, bis Frederick Reines und Clyde L. Cowan der erste experimentelle Nachweis von Neutrinos mithilfe von Reaktoren gelang. Eine neue Generation gigantischer Neutrino-Observatorien soll nun helfen, die rätselhafte Rolle dieser Teilchen im Universum zu verstehen. So könnten Neutrinos den Schlüssel dazu liefern, warum im Universum Materie über Antimaterie dominiert. Neutrinos sind zudem wichtige Boten astrophysikalischer Ereignisse: Eine Supernova emittiert mehr als 99 Prozent ihrer Energie über Neutrinos, und Neutrinoflüsse von 1011 Neutrinos pro Sekunde und Quadratzentimeter erreichen uns von Fusionsreaktionen in der Sonne. (...)

Astrophysikalische Jets sind kollimierte, bipolare, relativistische Plasmaströme. Als universelles Phänomen der Astrophysik treten sie in Verbindung mit Akkretion von Materie auf kompakte Objekte auf. Damit sind Objekte hoher Dichte gemeint, z. B. Schwarze Löcher, Neutronensterne oder Weiße Zwerge. Physikalische Prozesse in Jets sowie deren Einfluss auf ihre Umgebung spielen in der Astrophysik eine wichtige Rolle, beispielsweise in der Entstehung von Galaxien [1]. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf Aspekte der Hochenergiephysik: die Emission hochenergetischer Photonen, Neutrinos und geladener Teilchen sowie den Ursprung hochenergetischer kosmischer Strahlung. Letztere besteht aus einzelnen Atomkernen mit Energien bis zu 1020 eV. Das entspricht der kinetischen Energie eines Tennisballs beim Aufschlag, komprimiert in einem um 40 Größenordnungen kleineren Volumen. Die Vorhersage, dass diese extreme Teilchenbeschleunigung in Jets aktiver galaktischer Kerne (AGN) stattfindet, ist bereits 40 Jahre alt. Heute erlauben es Beobachtungen sowie detaillierte theoretische Modelle, die verschiedenen physikalischen Prozesse in Jets zu verstehen. (...)

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die elementaren Bausteine der Materie sowie die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN wurde 2012 das letzte vom Standardmodell postulierte Elementarteilchen experimentell nachgewiesen. Nach Abschluss dieser Ära geht es nun darum, nach einer Erklärung von Phänomenen zu suchen, die sich nicht im Rahmen des Standard­modells beschreiben lassen: Woraus besteht Dunkle Materie? Warum gibt es im Universum mehr Materie als Antimaterie? Wie erklärt sich die Dunkle Energie, die für die beschleunigte Expansion des Kosmos verantwortlich ist?
Die Suche nach „neuer Physik“, die diese und andere Fragen beantworten kann, ist das wesentliche Ziel des Exzellenzclusters PRISMA+ (Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter) an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Dabei stellt sich mehr und mehr heraus, dass die traditionelle Suche nach direkten Hinweisen auf die Existenz neuer, meist sehr schwerer Elementarteilchen mithilfe großer Teilchenbeschleuniger durch weitere Strategien zu ergänzen ist (Abb. 1). Denn es könnte sein, dass Teilchen, die im Standardmodell nicht vorkommen, deutlich schwächer als erwartet mit der bekannten Materie wechselwirken. Für ihren Nachweis sind Präzisionsexperimente bei höchsten Wechselwirkungs­raten erforderlich. Die Physik jenseits des Standardmodells könnte sich zudem in sehr subtilen Effekten verstecken, etwa in Abweichungen zwischen präzise gemessenen Observablen und ihren theoretischen Vorhersagen. In diesem Fall besteht die Herausforderung darin, die nötige Präzision in Experiment und Theorie zu erreichen. Diese Arbeiten sind Aushängeschild und Leitmotiv von PRISMA+ und dem Vorgängercluster PRISMA. (...)

Titelbild

Spezial Neutrino‐Astrophysik

Editorial

Aufbruch in die Multi‐Messenger‐Astronomie

• Christian Stegmann

Inhalt: Physik in unserer Zeit 2/2021

Treffpunkt Forschung

Frequenzkamm‐Spektroskopie am Wasserstoffatom

• Thomas Udem
• Alexey Grinin

Der Doppler‐Effekt ist ein großer Störfaktor bei der Spektroskopie von Gasen. Bei der Zweiphotonenspektroskopie mit Hilfe eines Frequenzkamms lässt er sich weitgehend vermeiden.

Perfekter Klang der Fermionen

• Martin Zwierlein

Eine Messung zur Schallausbreitung in einem Fermi‐Gas zeigt „perfekten“ Fluss, dessen Restreibung nur durch die Quantenmechanik begrenzt ist. Die Daten können Aufschluss geben über die Viskosität von Neutronenmaterie, stark wechselwirkenden Elektronen und dem Quark‐Gluon‐Plasma des frühen Universums.

Phasenübergang in Quantengas aus sechs Atomen

• Luca Bayha
• Marvin Holten

Unserer Forschungsgruppe „Ultrakalte Quantengase“ an der Universität Heidelberg ist es gelungen, die Entstehung kollektiven Verhaltens und Anzeichen eines Phasenüberganges in einem System aus nur sechs Atomen zu beobachten.

Perseverance ist gelandet

Der neue Marsrover sucht nach Biosignaturen in einem ehemaligen See und soll Proben für eine Rückholung vorbereiten.

Am Rand der Nuklidkarte

Die Stabilitätsgrenzen von Atomkernen lassen sich mit neuen Methoden gut berechnen. Für leichtere Atomkerne bis zum Eisen konnten Forschende mögliche gebundene Kernzustände bestimmen.

Physics News

„Wir haben noch viel vor“: Interview mit Reinhard Genzel

Reinhard Genzel, Direktor am Max‐Planck‐Institut für extraterrestrische Physik in Garching, erhielt gemeinsam mit Roger Penrose und Andrea Ghez den Nobelpreis für Physik 2020 (Physik in unserer Zeit 2020, 51(6), 272) für seine Forschung zu schwarzen Löchern. Die Redaktion sprach mit dem umtriebigen Forscher über seine Entdeckung, den Weg dorthin und die Zukunftsaussichten.

Artikel

Open Access

Neutrinoastronomie in der Antarktis: Zehn Jahre IceCube

• Markus Ackermann

Vor zehn Jahren ging in der Antarktis das Neutrinoteleskop IceCube in Betrieb. Bis heute wurden damit über hundert Neutrinos von kosmischen „Beschleunigern” nachgewiesen. In einem Fall ließ sich eine aktive Galaxie als mögliche Quelle identifizieren.

Open Access

Erstmalige Beobachtung des CNO‐Zyklus: Neutrinos von der Sonne

• Kai Zuber

Vor 80 Jahren schlugen Carl Friedrich von Weizsäcker und Hans Bethe den sogenannten CNO‐Zyklus als mögliche Energiequelle für die Sterne vor. Bis vor kurzem ließ sich dieser Fusionsmechanismus in der Sonne jedoch experimentell nicht nachweisen. Dies gelang jetzt mit dem Neutrinodetektor Borexino.

Open Access

Higgs‐Bosonen im Supraleiter: Konzepte aus der Hochenergiephysik in der Festkörperphysik

• Lukas Schwarz
• Stefan Kaiser
• Dirk Manske

In Analogie zum Standardmodell der Teilchenphysik kann das supraleitende Cooper‐Paar‐Kondensat als Higgs‐Feld verstanden werden. Higgs‐Bosonen treten dort als kollektive Moden des Ordnungsparameters auf. Im Gegensatz zur Elementarteilchenphysik können diese Moden spektroskopiert werden. Sie liefern Informationen über die Struktur des Kondensats.

Open Access

Regenmessung im Mobilfunknetz: Opportunistische Erfassung meteorologischer Größen

• Maximilian Graf
• Julius Polz
• Christian Chwala

Die möglichst genaue Erfassung von Niederschlag stellt die Forschung durch seine raumzeitliche Variabilität vor Herausforderungen. Seit Kurzem können Daten des Mobilfunknetzes zur deutschlandweiten opportunistischen Erfassung des Niederschlags genutzt werden.

Heiße Experimente – Physik in der Sauna: Physik in der Sauna

• Hans Joachim Schlichting
• Christian Ucke

In einer Sauna herrschen ungewöhnliche thermische Bedingungen. Ein Saunagang lässt sich daher leicht zu einer Experimentalsituation umfunktionieren. Thermometer, Sanduhr, Hygrometer und oft auch eine Waage stehen standardmäßig zur Verfügung. Gegenstand der Experimente ist vor allem der eigene Körper.

Magazin

Zum Dynamikverständnis mit Kraftstoß: Smarte Physik

• Thomas Wilhelm
• Thomas Weatherby
• Jochen Kuhn

Neuer Redakteur: In eigener Sache

Meteorologische Satelliten: Vor 50 Jahren

• Jörg Asmus

Historisches Rätsel

Physiker, Pazifist und Pole: Historisches Rätsel

• Andreas Loos

Treffpunkt TV

Max Frischs Homo Naturalis: Physik & Literatur

• Klaus Mecke

Vorschau auf Heft 3/2021

Es ist 100 Sekunden vor Zwölf! Die im Jahr 1947 eingeführte „Doomsday Clock“ des amerikanischen Magazins „Bulletin of the Atomic Scientists“ steht seit Januar näher vor Mitternacht als je zuvor – unter anderem aufgrund des nuklearen Programms Nordkoreas. Nachdem dieses Land 2003 aus dem Atomwaffensperrvertrag (Infokas­ten) ausgestiegen ist, hat es zügig Atomwaffen entwickelt und mehrfach unterirdisch getestet.
Bis heute scheiterten alle internationalen Initiativen, Nordkorea zur Aufgabe seines Atomprogramms zu bringen. In den letzten Jahren unternahm die US-Administration unter Präsident Trump einen neuen Anlauf. Doch den Gipfeltreffen 2018 und 2019 folgten keine konkreten Schritte. Nordkorea fordert zunächst Sicherheitsgarantien, etwa in Form eines bilateralen Friedensvertrags, der formal den Korea­krieg (1950 bis 1953) beendet. Die USA beharren auf überprüfbaren Fortschritten in der Denuklearisierung. Das gegenseitige Misstrauen ist tief verwurzelt.  
Ein Ausweg aus der Sackgasse, der auch im Kalten Krieg in der Rüstungskontrolle zwischen den USA und der Sow­jetunion erfolgreich war, könnten verifizierbare technische Schritte sein, welche die Abrüstung überprüfen und gleichzeitig Vertrauen schaffen können. (...)

Ob die Erde der einzige Ort im Universum ist, an dem es Leben gibt, beschäftigt die Menschheit bis heute so sehr, dass der jüngste Physik-Nobelpreis die Entdeckung eines Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern auszeichnete. Bei der Suche nach extraterrestrischen Lebensformen geht es zunächst meist darum, flüssiges Wasser zu finden. Daher ist die „habitable Zone“ definiert als der Abstandsbereich, in dem sich ein Planet von seinem Zentralgestirn befinden muss, damit Wasser dauerhaft in flüssiger Form als Voraussetzung für erdähnliches Leben auf der Oberfläche vorliegen kann.

Wasser allein reicht jedoch nicht aus, um Organismen hervorzubringen. Astrobiologen zählen außerdem eine konstante Energiequelle und „biogene“ Elemente, darunter Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel oder Phosphor, als Grundvoraussetzungen auf. Entsprechend beschreiben auch Evolutionsbiologen das Milieu um die sogenannten Schwarzen und Weißen Raucher am Boden der Tiefsee als das optimale Szenario, in dem wahrscheinlich vor mehr als 3,8 Milliarden Jahren aus leblosen Kohlenstoffverbindungen die ersten, wenngleich noch primitiven Lebensformen des Planeten Erde entstanden.

Bei diesen Rauchern handelt es sich um hydrothermale Quellen, angetrieben durch geologische Aktivität: Heißes, mit alkalinen Elementen und Sulfiden angereichertes Wasser dringt aus der Erdkruste durch das Gestein. Beim Kontakt mit dem kalten, pH-sauren Ozeanwasser fallen die mitgeführten Stoffe aus und bilden die Schornsteine der Raucher. Außerdem entstehen kleine Partikel die – je nach Zusammensetzung – als schwarze oder weiße Wolken aus den Schornsteinen quellen. Solche Umgebungen, in denen Wasser, Energie und Bausteine organischer Chemie vorliegen, gelten als Voraussetzung, um extraterrestrisches Leben zu ermöglichen. Diese Bedingungen könnten auf Exoplaneten vorliegen. Allem Anschein nach finden sie sich aber auch weit außerhalb der habitablen Zone unseres Sonnensystems, beispielsweise auf dem Saturnmond Enceladus. (...)

Ein möglicher Kandidat für Dunkle Materie sind WIMPs (vgl. den Artikel von M. Lindner et al.). Sie lassen sich indirekt nachweisen, indem man nach den Produkten aus einem möglichen Zerfall oder aus der Annihilation zweier WIMPs sucht. Wenn im Universum zwei WIMPs kollidieren und sich gegenseitig vernichten, können sich Teilchen des Standard­modells bilden wie Quark-Antiquark-Paare, Lepton-Antilepton-Paare oder Eichboson- bzw. Higgs-Paare (W+W–, Z0Z0, hh). Bei ihrem Zerfall entstehen stabile geladene und ungeladene Teilchen (Elektronen und Positronen, Protonen und Antiprotonen, Photonen sowie Neutrinos), die zur Erde gelangen und sich dort detektieren lassen. Der Nachweis der WIMPs erfolgt also indirekt über ihre stabilen Zerfallsprodukte. Die physikalisch wichtigsten Parameter, die es zu bestimmen gilt, sind die Masse der WIMPs und der über die Relativgeschwindigkeit v der WIMPs gemittelte Annihilationswirkungsquerschnitt 〈σv〉. Besonders in Kombination mit Ergebnissen aus direkten WIMP-Suchen ist es damit möglich, die teilchenphysikalischen Eigenschaften der Dunklen Materie einzugrenzen und − bei erfolgreichem Nachweis − ein Fenster zur Physik jenseits des Standardmodells zu öffnen. (...)

upernovae gehören zu den spektakulärsten Phänomenen im Universum. Binnen weniger Tage können sie so viel Energie freisetzen wie die Sonne in zehn Milliarden Jahren. Sie strahlen dabei heller als sämtliche Sterne einer Galaxie zusammen. Supernovae sind zudem kosmische „Elementschleudern“. Sie verteilen die schweren chemischen Elemente, welche die Vorläufersterne erbrüten, im zirkumstellaren Raum und produzieren gleichzeitig bei der Explosion große Mengen Eisengruppenelemente, radioaktive Isotope wie ⁴⁴Ti, ⁶⁰Fe, ^56, 57Ni und neutronen- und protonenreiche Nuklide jenseits von Eisen. Durch ihre Beiträge zur Nukleosynthese und ihre gewaltige Energiefreisetzung spielen Supernovae eine zentrale Rolle im kosmischen Materiekreislauf und beeinflussen die dynamische und chemische Entwicklung von Galaxien [1].

Neben thermonuklear explodierenden Weißen Zwergen, den Typ-Ia-Supernovae, gehören die Kernkollaps-Supernovae zu den häufigsten Stern­explosionen und sind alleiniger Gegenstand dieses Artikels. Der Name rührt daher, dass diese Supernovae ihre Energie aus dem gravitativen Kollaps des entarteten stellaren Kerns zu einem Neutronenstern beziehen [2], bisweilen auch zu einem Schwarzen Loch.

Das einzige Mittel, direkte Informationen über die Vorgänge im Zentrum einer Supernova zu erhalten, welche die Explosion antreiben, ist die Beobachtung von Neutrinos, die der sich bildende Neutronenstern in großer Zahl abstrahlt. Die Messung von Neutrinos aus der berühmten Supernova 1987A markiert die Geburtsstunde der extragalaktischen Neutrinoastronomie. Auch Gravitationswellen, die das Herz der Explosion unmittelbar verlassen können, eignen sich als Informationsträger. Sie werden beispielsweise ausgesendet, wenn der Kollaps nicht perfekt symmetrisch verläuft. (...)

Zahlreiche kosmologische und astrophysikalische Beobachtungen legen die Existenz großer Mengen an Dunkler Materie nahe. Allerdings ist deren Natur noch gänzlich unbekannt. Völlig unterschiedliche Experimente versuchen, den Teilchen der Dunklen Materie auf die Schliche zu kommen. Einige von ihnen werden in den kommenden Monaten oder Jahren die vielversprechendsten Teilchenmodelle überprüfen. Beim Blick an das nächtliche Firmament drängt sich die Frage auf: Welche Geheimnisse birgt das Universum? Dass es nicht nur leuchtende, sondern auch dunkle Materie beinhaltet, ist in der Astronomie schon lange klar. Jacobus Kapteyn verwendete bereits 1922 den Begriff der Dunklen Materie und bezeichnete damit Masse, deren Existenz lediglich aus Beobachtungen der Kinematik von Himmelskörpern abgeleitet wird. Heute bezeichnet der Begriff im engeren Sinne nichtbaryonische Materie, also solche, die nicht aus Quarks aufgebaut ist. Da sie nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teilnimmt, sollte sie besser transparente Materie heißen, aber der eingebürgerte Name ist für diese Spitzfindigkeit wohl zu populär.

Verschiedene kosmologische Beobachtungen deuten auf Unmengen Dunkler Materie hin. In der primordialen Nukleosynthese – zwischen 3 und 15 Minuten nach dem Urknall – fanden sich in guter Näherung alle Neutronen mit Protonen zu stabilen ⁴He-Kernen zusammen. Die restlichen Protonen bildeten den Wasserstoff, der das sichtbare Universum beherrscht. Andere Elemente waren stark unterdrückt, bieten aber eine empfindliche Methode, um die baryonische Dichte des Universums Ω_b zum Zeitpunkt der Nukleo­synthese zu bestimmen. War zum Beispiel die Dichte des Universums niedriger, so verpassten mehr vereinzelte Deuterium-Kerne die Fusion zum stabilen ⁴He und blieben übrig. Aus Messungen dieses primordialen Deuteriums lässt sich daher berechnen, dass die Baryonen zur durchschnittlichen Gesamtdichte unseres Universums von 8 × 10^–27 kg/m³ (das entspricht etwa fünf Wasserstoff-Atomen pro Kubikmeter) nur Ω_b=(5,0 ± 0,4)% beitragen. Schon wenige Minuten nach dem Urknall zeigt sich demnach, dass nur wenige Prozent des Universums aus bekannter Materie bestehen.

380 000 Jahre später hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass sich Elektronen und Kerne zu neutralen Atomen verbinden konnten, ohne gleich wieder ionisiert zu werden. Damit wurde das Universum für Photonen transparent. Die zu diesem Zeitpunkt ausgesandten Photonen sehen wir heute, stark gekühlt in den Mikrowellenbereich verschoben, als kosmische Hintergrundstrahlung. Sie ist in exzellenter Näherung isotrop und homogen, aber Präzisionsbeobachtungen machen winzige Temperaturschwankungen in der Größenordnung von nur 10^–5 sichtbar. Diese haben ihren Ursprung in Dichteschwankungen im frühen Universum: Je nach Stärke des Gravitationspotentials haben die Photonen der Hintergrundstrahlung etwas mehr oder weniger Energie, also eine etwas höhere oder niedrigere Temperatur (Sachs-Wolfe-Effekt). Um diese Dichteschwankungen quantitativ zu analysieren, wird aus der Himmelskarte ein Leistungsspektrum berechnet. Hierzu wird die Karte in eine Reihe aus Kugelflächenfunktionen entwickelt, aus deren Koeffizienten sich das Leistungsspektrum ableitet. Die dort gezeigten Schwankungen entsprechen den akustischen Schwingungen: Während die Schwerkraft Materie jeder Art zusammenklumpt, erfährt baryonische Materie eine entgegengesetzte Kraft aus dem Strahlungsdruck der Photonen. Wie immer, wenn sich zwei Kräfte gegen­überstehen, resultiert eine Schwingung mit einer charakteristischen Frequenz. Insbesondere aus der unterschiedlichen Höhe des ersten und dritten Peaks im Leistungsspektrum lässt sich die baryonische Dichte des Universums zu Ω_b = (4,9 ± 0,1)% berechnen. Um jedoch die Stärke der Peaks zu erklären, benötigt dieser Datensatz zusätzliche Materie, die zwar gravitativ klumpt, aber nicht mit dem Photonenbad wechselwirkt. Die Dichte dieser Dunklen Materie beträgt Ω_DM= (26,6 ± 0,7)% – rund fünfmal mehr als die bekannte baryonische Materie. Die restlichen Ω_Λ=(68,6 ± 2,0)% werden der Dunklen Energie zugeschrieben. ...

Niemals zuvor bekam aktuelle Forschung in den Medien so schnelle und so breite Aufmerksamkeit wie in den letzten Jahren. Besonders zu faszinieren scheinen dabei die großen Fragen nach dem Wie, Woher und Wohin des Universums – Fragen, die sich die Menschheit wohl seit Jahrtausenden immer wieder stellt und gestellt hat und deren Beantwortung sich besonders die Physik auf die Fahnen geschrieben hat. Bei all der wiederholten Anerkennung dieser Forschung durch Nobelpreise in den letzten 15 Jahren und dem Medienecho der Entdeckung eines Higgs-Teilchens am CERN bzw. des möglichen Nachweises von Quantenfluktuationen der Gravitation durch BICEP2 sollte man meinen, sich keine Sorgen um die Anerkennung und öffentliche Akzeptanz dieser Wissenschaft machen zu müssen. Auf der anderen Seite behauptete Harald Lesch unmittelbar nach der Bekanntgabe der Entdeckung von Kandidaten für das Higgs-Teilchen am CERN im Juli 2012 in einem Interview der Süddeutschen Zeitung: „Diese Sache ist für 99,9 Prozent aller Menschen nicht mehr nachvollziehbar.“ Ist die öffentliche Begeisterung vielleicht nur eine mediengemachte Blase ohne echtes Interesse an den Resultaten, da diese sowieso nicht zu verstehen sind? Was kann oder sollte die Wissenschaft in ihrem Dialog mit der Öffentlichkeit erreichen? Der Soziologe Peter Wein­gart schreibt dazu, dass sich die Wissenschaft über die Schaffung von Transparenz und Vertrauen legitimieren müsse, und betont zudem, dass über einen „wirklichen Dialog“ zwischen Wissenschaft und Schülerinnen und Schülern „Neugier in Begeisterung für die Wissenschaft umgewandelt werden muss“ [1]. (...)

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. (...)

vier Strukturmaßnahmen. Eine davon, ein neuer Beschleuniger, wird mit 10 Millionen Euro allein ein Drittel der gesamten Mittel kos­ten. Der „Mainz Energy-Recover­ing ­Superconducting Accelerator“ MESA soll am Institut für Kernphysik entstehen, das bereits seit vielen Jahren Beschleuniger betreibt. Beim Bau der supraleitenden Beschleunigerkavitäten profitiert das Institut von der aufwändigen Fertigungsinfrastruktur, die am Helmholtz-Institut Mainz, dem wichtigsten außer­universitären Partner von PRISMA, zur Verfügung stehen wird. MESA ist ein Elektronenbeschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 150 und 200 MeV. „Das liegt Größenordnungen unterhalb der ­Energie des LHC“, sagt Wittig, „aber seine extrem hohe Strahl­intensität wird zwei neue Schlüsselexperimente ermöglichen“. Diese sind die Suche nach „dunklen Photonen“ sowie die hochpräzise Messung des „elektroschwachen Mischungs­winkels“ bei niedrigen Energien.

Dunkle Photonen sind hypothetische schwere Verwandte der „normalen“ Photonen, denen sie in vielen Eigenschaften ähneln und mit denen sie mischen. Sie tauchen in den verschiedensten Erweiterungen des Standardmodells als Vermittler einer neuen fundamentalen Kraft auf und koppeln an Dunkle Materie. Theoretiker haben in den vergangenen Jahren ein ganzes Spektrum von Modellen entworfen, die mithilfe dieser neuen Teilchen sowohl einige Anomalien in der Astrophysik als auch das unverstandene magnetische Moment des Myons erklären können. Dunkle Photonen könnten entstehen, wenn der intensive Elektronenstrahl von ­MESA auf ein Target prallt; zerfallen würden sie in ein Paar aus Elektron und Positron, das aus einem riesigen Hintergrundsignal heraus zu filtern ist. „Die Existenz eines dunklen Photons ist zugegebenermassen spekulativ, seine Entdeckung wäre jedoch eine wissenschaftliche Sensation“, meint Matthias Neubert, ebenfalls theoretischer Physiker und PRISMA-Koordinator. ...

Elektrizität und neuartige Strahlenarten waren entscheidende Faktoren des Fortschritts in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Die von Heinrich Geißler 1857 in Thüringen entwickelte Gasentladungsröhre galt zwar zunächst als Spielerei. Doch als William Crookes in England damit zwölf Jahre später die Kathodenstrahlung nachwies, begann eine wissenschaftliche und technische Erfolgsgeschichte. So entdeckte Conrad Röntgen mit einer Kathodenstrahlröhre 1895 zufällig die nach ihm benannte Strahlung. Nur wenige Monate später beobachtete Henri Becquerel ebenfalls zufällig eine unbekannte Strahlung, und damit die Radioaktivität. Und 1897 konnte Joseph John Thomson nachweisen, dass Kathodenstrahlen aus Elektronen bestehen.

In Paris begann Marie Curie Ende 1897, die „Becquerel-Strahlung“ mit einem von ihrem Mann Pierre entwickelten Elektrometer zu untersuchen. Elektrometer waren zu dieser Zeit schon seit mehr als hundert Jahren für die Messung elektrischer Ladungen im Einsatz. Marie Curie konnte damit die Intensität der ionisierenden Strahlung von Uran und den von ihrem Mann neu entdeckten radioaktiven Elementen Thorium, Radium und Polonium messen. Weitere Untersuchungen von Ernest Rutherford und anderen führten zu der Erkenntnis, dass sich die ionisierende Strahlung aus drei Arten zusammensetzt, den α-, β- und γ-Strahlen.

Die ionisierende Strahlung lieferte auch eine Erklärung für ein Phänomen, das schon Charles Coulomb um 1785 beschäftigt hatte. Luft wurde allgemein als guter Isolator betrachtet. Allerdings zeigte sich, dass ein elektrisch geladener metallischer Leiter mit der Zeit die Ladung verlor, auch wenn er nur von Luft umgeben war und gut isoliert in einem geschlossenen Gefäß lagerte. Die Erklärung lieferten um 1900 Julius Elster und Hans Geitel und unabhängig von ihnen der Schotte Charles Wilson. Die Leitfähigkeit der Luft wird durch die ionisierende Strahlung hervorgerufen, die von radioaktiven Subs­tanzen aus der Umgebung stammen. Die drei waren vermutlich die ersten, die Messungen der im Erdboden und in der umgebenden Luft vorkommenden ionisierenden Strahlung in der Natur durchführten. Während Wilson später für die Entwicklung der Nebelkammer den Nobelpreis erhielt, sind die beiden Physiklehrer und Hobbyforscher aus Wolfenbüttel heute den meisten wahrscheinlich völlig unbekannt. Dabei waren sie damals mit der Entwicklung der Photozelle, ihren Untersuchungen zur Elektrizität der Atmosphäre und zur ionisierenden Strahlung anerkannte Kapazitäten. Zwischen 1904 und 1911 wurden sie sieben Mal für den Nobelpreis nominiert. Den Ruf an eine Universität haben sie abgelehnt, um als Gymnasiallehrer mit Privatlabor unabhängig zu bleiben. ...

Was hat Sie am Südpol gereizt?

Ich habe mich schon während der Diplom- und Doktorarbeit mit den IceCube-Daten beschäftigt und wollte wissen, wie der Detektor vor Ort arbeitet. Aber ohne besonderen Grund kommt man nicht an den Pol. Daher habe ich mich als Winterover beworben. Außerdem wollte ich wissen, wie es ist, den ganzen Tag isoliert und in Dunkelheit zu leben.

Wie wurden Sie auf die Arbeit als Winterover vorbereitet?

Dazu waren meine Kollegin und ich zwei Monate in den USA. Zunächst übten wir an einer Kopie des Datennahmesystems von IceCube, den Detektor zu bedienen. Anschließend haben wir uns mit IceTop vertraut gemacht – dem Teil des Detektors, der an der Oberfläche steht. Außerdem fand ein zweiwöchiges Training für Erste Hilfe und Brandbekämpfung statt. Am Ende fühlten wir uns gut darauf vorbereitet, den ­Detektor über den Winter zu zweit zu betreuen.

Was waren Ihre Auf­gaben am Pol?

Im Wesentlichen die Administra­tion der Datennahmesysteme. Dazu gehörte es, das System zu überwachen, neu zu kalibrieren oder Datenbänder und Netzteile auszutauschen. Im Prinzip waren wir dazu da, alles wieder ins Laufen zu bringen, wenn Probleme aufgetaucht sind.

Ist so etwas passiert?

Die neuen Server liefen sehr stabil. Im ganzen Winter haben wir drei, vier Festplatten getauscht und zwei, drei Netzteile. ...

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. ...