Physik Journal 10 / 2018

Warum haben Sie ursprünglich mal Physik studiert?

Physik ist mir schon in der Schule leichtgefallen, und im Studium habe ich nach und nach erkannt, was man in der Physik und in den Naturwissenschaften eigentlich macht.

Nämlich?

Es geht eben nicht nur um Rechnungen und Formeln. Mich hat fasziniert, dass die großen physikalischen Theorien immer auch philosophische Fragen beinhalten. ­Etwa wenn man sich in der Quantenmechanik fragt: Was ist Zufall, oder ist das Leben determiniert? Oder wenn in der Kosmologie die Frage gestellt wird, wie alles angefangen hat. Zu versuchen, diese großen Fragen mit naturwissenschaftlichen Methoden einigermaßen zu beantworten, macht für mich die große Faszination an dem Fach aus...

 

Diese Veränderungen hat die Physikerin Dagmar Hallfarth hautnah miterlebt – nach über zwanzig Jahren Tätigkeit in verschiedenen Kernkraftwerken ist sie Anfang des Jahres zu einem Netzbetreiber gewechselt. Ihrem Vater zum Trotz hat sie Physik studiert: „Der ist auch Physiker und hat mir immer davon abgeraten“, lacht sie. Nach dem Studium, das sie voller Begeisterung absolviert hat, entschied sie sich bewusst gegen eine Promotion. „Für mich war es unvorstellbar, fünf weitere Jahre lang an einem Thema zu arbeiten. Ich brauche wechselnde Herausforderungen mit Praxisbezug“, gibt sie zu. Über eine Tätigkeit als Werkstudentin landete sie bei der Urananreicherungsanlage in Gronau, wo sie sich mit der Frage beschäftigte, ob die Nuklide außerhalb der Anlage in der Umgebung massenspektrometrisch messbar sind. „Das war für mich ein sehr spannender Einstieg in die Kerntechnik“, sagt Hallfarth. Nachdem das Interesse an diesen Fragestellungen geweckt war, bewarb sie sich auf eine Stellenausschreibung im Kernkraftwerk Krümmel.

 

Dort war sie zuständig für den gesamten Aktivitätsfluss in der Anlage – vom Brennelement über den Wasser- und Dampfkreislauf, die Abluft-, Immissions- und Emissionsüber­wachung bis hin zur Dichtheitsprüfung beim Wechsel der Brennelemente. „Die Stelle war für mich ein Sechser im Lotto! Mit nur 26 Jahren durfte ich direkt nach dem Studium drei Labore und zwei Teams leiten“, betont sie. Zehn Jahre lang verantwortete sie in Krümmel den Strahlen- und den Notfallschutz. Innerhalb weniger Minuten hätte sie im Katastrophenfall eine komplette Dosisberechnung für die Bevölkerung abliefern können...

Wir haben einen Meilenstein in unserem Verständnis der Natur erreicht“, so kommentierte der damalige CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012. Ganz zu Recht, denn schließlich war damit das letzte fundamentale Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik gefunden. Unerwartet war diese Entdeckung allerdings nicht: Aus Präzisionsmessungen der Parameter der elektroschwachen Wechselwirkung, beispielsweise der Massen der W- und Z-Bosonen, ließ sich schon vor der Entdeckung die Masse des Higgs-Bosons im Standardmodell auf weniger als etwa 150 GeV beschränken. In der Tat zeigte sich die zugehörige Signatur im erwarteten Bereich bei 125 GeV.

Dies zeigt sehr anschaulich den typischen Ablauf von Entdeckungen in der Teilchenphysik: Neue Teilchen rufen in Präzisionsmessungen Effekte hervor, die nicht mit den bis dahin bekannten Teilchen zu erklären sind. Hinweise aus Präzisionsmessungen gehen im Allgemeinen den direkten Entdeckungen bis dahin unbekannter neuer Teilchen voraus. Wichtige weitere historische Beispiele sind die Entdeckung des Charm-Quarks, das nach Messungen seltener Kaon-Zerfälle vorhergesagt wurde, die Existenz einer dritten Generation von Quarks, die auf der Entdeckung der Verletzung der Materie-Antimaterie-Symmetrie in der schwachen Wechselwirkung beruht, sowie die genaue Vorhersage der Masse des Top-Quarks...

Kurze Zeit nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren bestand das Universum aus einem heißen Plasma von Elementarteilchen, die das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt (Infokasten). Für die frühe Entwicklung des Universums während der kosmischen Expansion spielten zwei fundamentale Phasenübergänge eine entscheidende Rolle: Der eine fand etwa zehn Pikosekunden nach dem Urknall statt, getrieben durch die elektroschwache Wechselwirkung. Dagegen bestimmte die starke Wechselwirkung den zweiten nach etwa zehn Mikrosekunden. Kondensationsphänomene, die vermutlich für die Masse der heute sichtbaren Materie verantwortlich sind, begleiteten beide Übergänge. Im elektroschwachen Phasenübergang kondensierte das im Jahr 2012 am Large Hadron Collider des CERN entdeckte Higgs-Teilchen und erzeugte die Massen der Leptonen, der schweren Z- und W-Bosonen sowie die „nackten“ Massen der Quarks. Im Übergang der starken Wechselwirkung verbanden sich Quarks und Gluonen zu Hadronen unter permanentem Einschluss der Farbladung („Confinement“), wodurch mehr als 98 Prozent der Masse der sichtbaren Materie entstanden sind. Den genauen Ablauf lassen auch mehr als 30 Jahre intensiver Forschung offen.

Heute bietet sich uns die faszinierende Möglichkeit, den frühen Zustand des Universums in der Nähe der starken Phasenumwandlung bei Stößen schwerer Atomkerne mit extrem hohen Energien erneut zu erzeugen. Dabei geht die kinetische Stoßenergie zu einem Großteil in der Produktion von mehreren tausend Hadronen auf. Systematische Analysen der gemessenen Teilchensorten und deren Energie- und Impulsverteilungen liefern die Evidenz für die Erzeugung einer extrem heißen Reaktionszone. Dieser „Feuerball“ erreicht sehr schnell den Zustand eines lokalen thermischen Gleichgewichts und expandiert explosiv nach den Gesetzen der relativistischen Hydrodynamik (Abbildung). Bei den höchsten Stoßenergien, die derzeit mit 5 TeV pro Nukleonenpaar im Schwerpunktsystem beim Large Hadron Collider zur Verfügung stehen, lässt sich die dazugehörige Zustandsgleichung, die beispielsweise Druck und Energiedichte in Beziehung setzt, präzise aus der Quantenchromodynamik berechnen. Es herrscht weitgehend Einigkeit, dass die Energiedichten der frühen Entwicklungsphasen des Feuerballs ausreichen, um ein Quark-Gluon-Plasma zu erzeugen. Diese stark wechselwirkende Materie, die auch im frühen Universum vorlag, besteht aus masselosen Gluonen, nahezu masselosen up- und down-Quarks und den etwas schwereren strange-Quarks. Was lernt man aus diesen Experimenten über die Mechanismen der Massen­erzeugung in der starken Wechselwirkung? ...

In der optischen Spektroskopie [1] gab es im 19. und bis weit in das 20. Jahrhundert hinein zahlreiche Beispiele für Erkenntnisfortschritte, die nur durch ein enges Zusammenspiel von Instrumentenentwicklung, Experimentiertechnik und Theorie möglich wurden [2, 3]. Das wohl bekannteste Beispiel ist die Beschreibung der dunklen und später nach Joseph von Fraunhofer benannten Spektral­linien im Sonnenspektrum.1) Erst 1859 gelang es Gustav Kirchhoff, den Zusammenhang von Absorptions- und Emissionswellenlängen der Fraunhoferschen Linien zu beschreiben und gemeinsam mit Robert Bunsen kurz danach die Spektralanalyse zu entwickeln.

Hier möchten wir ein weiteres Beispiel aus der Spektroskopie diskutieren: die Entdeckung der Lamb-Verschiebung in der Feinstruktur des Wasserstoffspektrums. Wir befinden uns damit im Kontext der Quantenphysik, die sich in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts sehr dynamisch entwickelte. Das betraf sowohl die Theorie als auch die in diesem Kontext stehenden Experimente und den Bau der dafür erforderlichen Instrumente. Das führte zu immer wieder wechselnden Interpretationen der experimentellen Ergebnisse und damit einem eher ungewöhnlichen Verlauf in der Theorieentwicklung...