Physik Journal 3 / 2024

Cover

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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Meinung

200 Jahre – und kein bisschen müdeDorothée Weber-Bruls3/2024Seite 3

200 Jahre – und kein bisschen müde

Der Physikalische Verein feiert sein Jubiläum mit vielen Veranstaltungen.

Aktuell

Alexander Pawlak / DLR3/2024Seite 6DPG-Mitglieder

ESA: Konstruktive Signale

Maike Pfalz3/2024Seite 7DPG-Mitglieder

Antrag auf Exzellenz

Anja Hauck3/2024Seite 8DPG-Mitglieder

Das Jahr der Freiheit

Maike Pfalz3/2024Seite 10DPG-Mitglieder

Zukunft seit 200 Jahren

Alexander Pawlak3/2024Seite 12DPG-Mitglieder

Kopflandung auf dem Mond

Alexander Pawlak3/2024Seite 12DPG-Mitglieder

Hintergrundrauschen

Kerstin Sonnabend3/2024Seite 13DPG-Mitglieder

Kompetenzen langfristig erhalten

Anja Hauck3/2024Seite 13DPG-Mitglieder

Eintreten für Demokratie

Kerstin Sonnabend3/2024Seite 14DPG-Mitglieder

Wendig auf vier Beinen

Kerstin Sonnabend3/2024Seite 14DPG-Mitglieder

Wissenschaft geht vor Profit

Kerstin Sonnabend3/2024Seite 15DPG-Mitglieder

Beschleunigte Wissensvermittlung

Alexander Pawlak3/2024Seite 16DPG-Mitglieder

Vorhergesagt und aufgespürt

Kerstin Sonnabend3/2024Seite 17DPG-Mitglieder

Tief unter den Bergen

Matthias Delbrück3/2024Seite 18DPG-Mitglieder

USA: Zehn Innovationsmotoren; Drei Jahre statt 30 Tage

Matthias Delbrück3/2024Seite 18DPG-Mitglieder

Großbritannien: Schwacher Ersatz

High-Tech

Michael Vogel3/2024Seite 20DPG-Mitglieder

Mechanische Neuronen; Wasserstoff-Lecks erkennen; Schnellere THz-Aufnahmen; Bessere Lichtleiter

Brennpunkt

Verschränkung unter der LupeViktor Eisler und Ingo Peschel3/2024Seite 22DPG-Mitglieder

Verschränkung unter der Lupe

Experimente erlaubten es, eine interessante theoretische Struktur zu überprüfen.

Lehre

Ein Blick sagt mehr als 1000 WorteStefan Küchemann, Pascal Klein und Jochen Kuhn3/2024Seite 26DPG-Mitglieder

Ein 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. (...)

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Geschichte

Maxwell und seine NachfolgerJed Z. Buchwald3/2024Seite 33DPG-Mitglieder

Maxwell 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 elektromag netische 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 ver lief. 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. (...)

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Überblick

Mehr als Dunkle MaterieAlexander Fieguth, Rafael F. Lang, Christian Weinheimer und Christian Wittweg3/2024Seite 40DPG-Mitglieder

Mehr 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]. (...)


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Das feinste DestillatLutz Althüser, Michael Murra, Christian Weinheimer und Daniel Wenz3/2024Seite 48DPG-Mitglieder

Das 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]. (...)

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Beruf und Bildung

„Ich versuche, neue Wege gangbar zu machen.“Kerstin Sonnabend3/2024Seite 55DPG-Mitglieder

„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

Alles unter KontrolleMichael Vogel3/2024Seite 58DPG-Mitglieder

Alles unter Kontrolle

Um aus Wind möglichst effizient Strom zu erzeugen und gleichzeitig das Verteilnetz
nicht zu überfordern, müssen Windenergieanlagen regelbar sein.

Menschen

Kerstin Sonnabend3/2024Seite 60DPG-Mitglieder

„Es braucht viel persönliches Engagement.“

3/2024Seite 62DPG-Mitglieder

Personalien

Reinhard Schlickeiser, Ralf-Jürgen Dettmar, Andreas Kopp und Harald Ziegler3/2024Seite 66DPG-Mitglieder

Zum Gedenken an Karl Schindler

Cora Lüdde, Bernhard Schneider und Horst Schmidt-Böcking3/2024Seite 67DPG-Mitglieder

Nachruf auf Reiner Dreizler

Rezensionen

Gregor Herten3/2024Seite 68DPG-Mitglieder

Philip Bechtle et al.: Faszinierende ­Teilchenphysik

Kerstin Sonnabend3/2024Seite 68DPG-Mitglieder

Roma Agrawal: Nägel mit Köpfen – 7 Erfindungen, die die Welt bis heute verändern

Alexander Pawlak3/2024Seite 69DPG-Mitglieder

Charles Ferdinand Ramuz: Sturz in die Sonne

Michael Schaaf3/2024Seite 70DPG-Mitglieder

Filmkritik: Oppenheimer: Science, Mission, Legacy

DPG

3/2024Seite 24DPG-Mitglieder

Ausschreibung von Preisen 2025

3/2024Seite 32DPG-Mitglieder

DPG-Akademie

3/2024Seite 54DPG-Mitglieder

Leading for Tomorrow

3/2024Seite 71DPG-Mitglieder

Physikerin der Woche

3/2024Seite 72DPG-Mitglieder

Jobbörse auf den DPG-Frühjahrstagungen

Maël Averdung3/2024Seite 73DPG-Mitglieder

800 Elefanten blicken in die Tiefen des Universums

Die Regionalgruppe Bonn der jungen DPG besuchte das Radioteleskop Effelsberg.

Fakhteh Ghanbarnejad und Philipp Hövel3/2024Seite 74DPG-Mitglieder

Hintergründe der Ungleichheit

Auf der DPG-Jahrestagung in Berlin befasst sich ein Symposium mit Diversität und Gleichstellung.

Christian Kuttner und Adam Kubec3/2024Seite 76DPG-Mitglieder

Ein lebendiges Netzwerk

Alumni des DPG-Programms „Leading for Tomorrow“ haben ein jahrgangsübergreifendes Netzwerk gegründet.

Zoë Siebers, Leonie Barghorn, Hannes Vogel und Götz Neuneck3/2024Seite 78DPG-Mitglieder

Austausch über autonome Waffensysteme

Ein dreitägiges Seminar widmete sich dem Thema „Autonome Waffensysteme und künstliche Intelligenz“.

Aika Tada und Janik Kruse3/2024Seite 79DPG-Mitglieder

Phasenübergänge im Blickpunkt

Anfang Januar fand der Theoworkshop der jDPG statt.

Tagungen

Ricarda Winkelmann, Victor Brovkin und Anna von der Heydt3/2024Seite 80DPG-Mitglieder

Addressing Key Uncertainties in Modelling Physical and Ecological Tipping Dynamics in the Earth System

800. WE-Heraeus-Seminar

Elio König, Qimiao Si und Catherine Pépin3/2024Seite 80DPG-Mitglieder

Strange Metals in Quantum Materials and Quantum Emulators

802. WE-Heraeus-Seminar

Helena Reichlova und Alexander Mook3/2024Seite 80DPG-Mitglieder

Towards Functional van der Waals Magnets by Unlocking Synergies with Orbitronics, Magnonics, Altermagnetism, and Optics

803. WE-Heraeus-Seminar

Lutz Kasper und Jan Winkelmann3/2024Seite 81DPG-Mitglieder

Schwingungen und Wellen in Alltagskontexten

WE-Heraeus-Fortbildung für Lehramtsstudierende, Studienreferendare und Lehrkräfte

David Blaschke, Thomas D. Kühne und Ralf Schützhold3/2024Seite 81DPG-Mitglieder

Many-Particle Systems under Extreme Conditions

Polnisch-deutsches WE-Heraeus-Seminar

Notizen

3/2024Seite 82DPG-Mitglieder

Notizen

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