Xenondetektoren zum Nachweis seltener Zerfälle
Kryogene Destillation
Maxwells Treatise
Blick in die Stützstruktur der Photo multiplier-Arrays von XENONnT (Bild: XENON Collaboration, vgl. S. 40 )
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Physik Journal 3 / 2024
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• 3/2024 • Seite 26 • DPG-MitgliederEin Blick sagt mehr als 1000 Worte
Was Augenbewegungen über das Lernen von Physik verraten.
Bei Demonstrationsversuchen in Physikvorlesungen kommt es darauf an, dass Studierende zur richtigen Zeit die entscheidenden Elemente betrachten [1]. Die Methode des Eyetracking ermöglicht es, ihre Blicke zu verfolgen. Die Daten über die Verweildauer und Bewegung der Augen bieten Einblick in Lern-, Lehr-, Experimentier- und Problemlöseprozesse in der Physik und zeigen, wie Lehrmaterialien die Aufmerksamkeit gezielt lenken können [2]. Die Aufzeichnung der Augenbewegungen der Lehrenden liefert zudem Daten zur Reflexion über Unterrichtsprozesse.
Die Eyetracking-Technologie basiert darauf, die Augen einer (Versuchs-)Person mit Infrarotlicht zu beleuchten. Dieses Licht erzeugt Reflexionen auf der Hornhaut. Videokameras erfassen die Position der Pupille und der Reflexionen, die fest an ihrem Platz bleiben, selbst wenn sich das Auge bewegt (Cornea-Reflex- Methode). Indem Forschende die Position des Reflexionsmusters im Verhältnis zur Pupille auswerten, können sie erkennen, wohin die Person schaut. Eyetracking-Systeme scannen das Auge je nach Gerätetyp zwischen 50 bis 250 Mal pro Sekunde. Sie können den Blickpunkt auf vier Millimeter genau bestimmen, wenn die Versuchsperson etwa sechzig Zentimeter vom Bildschirm entfernt ist. Die Cornea-Reflex-Methode wird sowohl bei stationären als auch bei mobilen Eyetracking-Geräten angewendet.
Stationäre (feste) Eyetracking-Systeme sind meist als schmale Leiste unterhalb eines Computerbildschirms angebracht, der die visuellen Stimuli präsentiert. Solche Systeme sind besonders nützlich, um das Lernen mit Texten und Bildern in Einzelarbeit sowie das Lösen physikalischer Probleme zu untersuchen. (...)
Geschichte
• 3/2024 • Seite 33 • DPG-MitgliederMaxwell und seine Nachfolger
Der Weg von Maxwells „Treatise“ zu den modernen Vorstellungen des Elektromagnetismus
James Clerk Maxwell (1831 – 1879) veröffentlichte 1873 sein zweibändiges Hauptwerk „A Treatise on Electricity and Magnetism“. Darin stellte er erstmals die elektromagnetische Feldtheorie als gesamtes und geschlossenes System dar. Allerdings formulierte er ganze 20 grundlegende statt der heute so ikonischen vier Gleichungen, um die elektromagnetischen Phänomene zu beschreiben. Die Reduzierung der Gleichungen ist nicht nur eine mathematische Formalität, sondern offenbart grundlegende konzeptionelle Veränderungen. Diesen möchte der folgende Artikel nachgehen.
Die elektromagnetische Feldtheorie stellte im 19. Jahrhundert ein markantes Novum dar und forderte die Physik auf grundlegender begrifflicher Ebene heraus. So verwundert nicht, dass auch ihr Werdegang eher ungewöhnlich verlief. Michael Faraday, Autodidakt und Labor leiter an einer privaten Volksbildungsinstitution, die aber eines der besten Labore Europas besaß, hatte sich ab den 1830er-Jahren intensiv mit Elektrizität und Magnetismus befasst. In einem einzigartigen Alleingang vor dem Hintergrund zehntausender Experimente hatte er einen neuen begrifflichen Zugang entwickelt, mit dem er alle seine Befunde verstehen konnte, der aber zugleich mit den bisherigen Begriffen seiner Zeit nicht verträglich war. Zentral war der Begriff der magnetischen und elektrischen Kraftlinien und des Kraftfeldes; er ersetzte so grundlegende Begriffe wie Strom, Ladung und magnetische Polarität durch Kraftlinien und materialabhängige „Leitfähigkeiten“ für diese (wir würden von Suszeptibilitäten sprechen). Ganz im Gegensatz zur hohen Anerkennung, die er für seine zahlreichen experimentellen Entdeckungen erfuhr, traf sein begrifflicher Ansatz auf eisiges Schweigen in der Community – zu wenig konnte man ihn mit bekannten Ansätzen verknüpfen, und vor allem war er den mathematischen Begriffen der Zeit nicht zugänglich, in denen Faraday keinerlei Ausbildung hatte. Das sollte sich erst in den 1840er-Jahren ändern. (...)
Überblick
• 3/2024 • Seite 40 • DPG-MitgliederMehr als Dunkle Materie
Xenondetektoren für Dunkle Materie sind die Schweizer Taschenmesser der Astroteilchenphysik bei niedrigen Energien.
Große Detektoren mit tonnenschweren Targets aus Xenon wurden ursprünglich entwickelt, um Teilchen der Dunklen Materie nachzuweisen, beispielsweise Weakly Interacting Massive Particles. Die hervorragenden Eigenschaften dieser Detektoren machen sie allerdings auch interessant für viele weitere Suchen nach seltenen Ereignissen, die teils das Tor zu neuer Physik öffnen.
Mit dem XENON1T-Detektor ist es gelungen, die längste je direkt gemessene Halbwertszeit eines Atomkerns zu bestimmen: (1,8 ± 0,5) · 1022 Jahre für den gleichzeitigen Einfang von zwei Elektronen aus der K-Schale in 124Xe [1]. Außerdem wurde erstmals ein doppelter Elektroneneinfang beobachtet. Als doppelt schwacher Zerfall ist dieser nicht nur für die theoretische Modellierung von Atomkernen interessant, sondern bildet auch einen Baustein für die Suche nach neuer Physik in seltenen Kernzerfällen. Dass diese Messung erst kürzlich gelang, liegt nicht nur an der Seltenheit des Zerfalls, sondern auch an der niedrigen nachzuweisenden Energie von einigen Kiloelektronenvolt (keV). Der XENON1T-Detektor, der eigentlich zur Suche nach Dunkler Materie dient, vereint einzigartige Vorteile, die diese Messung nun ermöglichten: die lange Beobachtung vieler Atome in einem Target aus mehreren Tonnen Xenon, eine niedrige Energieschwelle von weniger als 1 keV und eine hervorragende Reduktion der zahlreichen Störereignisse (Untergrund) in diesem Energiebereich.
Während das Nachfolgeexperiment XENONnT erste Ergebnisse zu Suchen nach Dunkler Materie veröffentlicht hat, ist die nächste Generation dieser Detektoren bereits in Planung, um die Suche nach seltenen Ereignissen mit einer aktiven Masse von einigen zehn Tonnen Xenon voranzutreiben. Ein solches Experiment kombiniert einen großen Detektor und niedrigen Untergrund mit einer niedrigen Energieschwelle und ist damit ein sehr vielseitiges Observatorium für die Niederenergie-Astroteilchenphysik [2]. (...)
• 3/2024 • Seite 48 • DPG-MitgliederDas feinste Destillat
Kryogene Destillation verhilft Xenondetektoren zu höchster Sensitivität.
Der Nachweis von solaren Neutrinos, doppelt schwachen Zerfällen, die Suche nach neuer Physik oder nach Dunkler Materie haben eines gemeinsam: Kosmische Strahlung und Radioaktivität in der Detektorumgebung oder im Detektor selbst erschweren die Experimente bei niedrigen Energien. Daher gibt es ein vielseitiges Spektrum an Maßnahmen, um diesen Untergrund zu unterdrücken. Ein wichtiger Baustein hierbei sind Anlagen zur kryogenen Destillation.
Sehr seltene Signale lassen sich erst dann präzise vermessen, wenn die oftmals um viele Größen ordnungen höhere Untergrundrate weit genug unterdrückt ist. Um die kosmische Strahlung zu reduzieren, finden die Experimente meist in Untergrundlaboren statt (siehe auch den Artikel ab Seite 40). Zudem helfen eine strenge Selektion der Detektormaterialien sowie Veto-Detektorsysteme und abschirmende Materialien, die Untergrundsignale durch terrestrische Strahlung zu minimieren. Edelgase eignen sich in flüssiger Form als Detektormedium. Sie haben exzellente Szintillationseigenschaften, etwa eine hohe Anzahl von Photonen pro deponierter Energieeinheit. Neben Photonen entstehen bei den Rückstößen von Teilchen an den Edelgasatomen auch freie Elektronen, die dazu dienen können, Signal und Untergrund zu unterscheiden. Voraussetzung dafür ist, dass „Getter“ die Edelgase von Fremdatomen anderer Elemente befreien. Denn anders als Halbleiter lassen sich Edelgase nicht in der gleichen hohen Reinheit produzieren. Dennoch eignen sich Edelgase aufgrund ihrer Skalierbarkeit zum Bau großer Szintillations- und Ionisationsdetektoren, z. B. Zeitprojektionskammern, die eine hohe Energie- und dreidimensionale Ortsauflösung erlauben [1]. (...)
Beruf und Bildung
• 3/2024 • Seite 55„Ich versuche, neue Wege gangbar zu machen.“
Bastian Bergerhoff ist als Stadtkämmerer für die Finanzen und das Personal
der Stadt Frankfurt am Main zuständig.
Dr. Bastian Bergerhoff ist promovierter theoretischer Teilchenphysiker. Er hat viele Jahre in der IT-Branche als Software-Spezialist gearbeitet und sich in seiner Freizeit politisch engagiert. Im September 2021 folgte der Wechsel in die städtische Verwaltung: Seither ist er als Stadtkämmerer hauptamtlicher Wahlbeamter der Stadt Frankfurt am Main.
Physik im Alltag
Menschen
Rezensionen
• 3/2024 • Seite 68 • DPG-Mitglieder
Roma Agrawal: Nägel mit Köpfen – 7 Erfindungen, die die Welt bis heute verändern
DPG
• 3/2024 • Seite 73 • DPG-Mitglieder
800 Elefanten blicken in die Tiefen des Universums
Die Regionalgruppe Bonn der jungen DPG besuchte das Radioteleskop Effelsberg.
• 3/2024 • Seite 74 • DPG-Mitglieder
Hintergründe der Ungleichheit
Auf der DPG-Jahrestagung in Berlin befasst sich ein Symposium mit Diversität und Gleichstellung.
• 3/2024 • Seite 76 • DPG-Mitglieder
Ein lebendiges Netzwerk
Alumni des DPG-Programms „Leading for Tomorrow“ haben ein jahrgangsübergreifendes Netzwerk gegründet.
• 3/2024 • Seite 78 • DPG-Mitglieder
Austausch über autonome Waffensysteme
Ein dreitägiges Seminar widmete sich dem Thema „Autonome Waffensysteme und künstliche Intelligenz“.
Tagungen
• 3/2024 • Seite 80 • DPG-Mitglieder
Addressing Key Uncertainties in Modelling Physical and Ecological Tipping Dynamics in the Earth System
800. WE-Heraeus-Seminar
• 3/2024 • Seite 80 • DPG-Mitglieder
Strange Metals in Quantum Materials and Quantum Emulators
802. WE-Heraeus-Seminar
• 3/2024 • Seite 80 • DPG-Mitglieder
Towards Functional van der Waals Magnets by Unlocking Synergies with Orbitronics, Magnonics, Altermagnetism, and Optics
803. WE-Heraeus-Seminar
• 3/2024 • Seite 81 • DPG-Mitglieder
Schwingungen und Wellen in Alltagskontexten
WE-Heraeus-Fortbildung für Lehramtsstudierende, Studienreferendare und Lehrkräfte
