DUNKLE MATERIE Heiß begehrt - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
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Titelbild: Gesine Born
Das DESY-Forschungsmagazin – Ausgabe 02/19
femto – das DESY-Forschungsmagazin | Ausgabe 02 / 19
Heiß begehrt
DUNKLE
MATERIE
Auf der Jagd nach neuen Teilchen
Das Forschungszentrum DESY
Asteroiden verraten
DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und Größe ferner Sterne
erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster
Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger
Wassersensoren aus
Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuni-
dem 3D-Drucker
ger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und
Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung:
Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekord- Mit Gold Krankheiten
energien und öffnen neue Fenster ins Universum. aufspüren
DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten
Wissenschaftsorganisation Deutschlands.
femto 02/19 femto 02/19
Impressum
femto wird herausgegeben vom
Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY,
einem Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft
Redaktionsanschrift
Notkestraße 85, D-22607 Hamburg
Tel. +49 40 8998-3613, Fax +49 40 8998-4307
E-Mail: femto@desy.de
Internet: www.desy.de/femto
ISSN 2199-5184
Redaktion
Ute Wilhelmsen, Till Mundzeck (v.i.S.d.P.)
An dieser Ausgabe haben mitgewirkt
Frank Grotelüschen, Barbara Warmbein,
Britta Liebaug, Kristin Hüttmann
Schlussredaktion
Ilka Flegel
Gestaltung und Produktion
Ulrike Darwisch, Diana von Ilsemann
Bildbearbeitung und Herstellung
EHS, Hamburg
Redaktionsschluss
Mai 2019
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Abonn stenlos!
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ch u n gsmag
S Y-Fors
Das DE
Der stärkste Röntgenlaserstrahl der Welt
Der European XFEL ist der größte Röntgenlaser der Welt und produ-
ziert extrem starkes Röntgenlicht, mit dem Wissenschaftler bei-
spielsweise Bilder von Molekülen aufnehmen. Es ist milliardenfach
heller als das herkömmlicher Röntgenstrahlungsquellen, aber sehen
kann man den Strahl eigentlich nicht, denn Röntgenlicht ist für das
Auge unsichtbar. Auf diesem Bild haben Forscher gemeinsam mit
einem Fotografen den Röntgenlaserstrahl, der in einem 3,4 Kilome-
ter langen unterirdischen Tunnel zwischen DESY und der Experi-
femtoskop
zwischen DESY und der Experimentierhalle in Schenefeld bei Ham- Stickstoffs vergleichsweise schwach und wäre mit bloßem Auge
Bild: European XFEL, Jan Hosan
burg erzeugt wird, erstmals sichtbar gemacht. Möglich ist das, weil nicht so leicht zu erkennen. So deutlich sichtbar wie auf dem Foto
der Röntgenstrahl den Stickstoff in der Luft zum Leuchten anregt, wird der Strahl erst bei völliger Dunkelheit und einer Belichtungszeit
wenn die Moleküle seinen Weg kreuzen. von 90 Sekunden. Fotografiert wurde ein Strahl von einem Millimeter
Durchmesser, der aus 800 Blitzen pro Sekunde besteht. Da sich
Das Prinzip ähnelt dem einer Leuchtstoffröhre, bei der die angelegte während der Experimente niemand in der Experimentierstation auf-
Hochspannung das Gas im Inneren der Röhre zum Leuchten bringt. halten darf, hat der Fotograf die Kamera vom benachbarten Kontroll-
Trotz der extrem hohen Intensität des Strahls ist das Leuchten des raum aus ferngesteuert.
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femto 02/19
Inhalt
Bild: KIPAC/SLAC, Ralf Kaehler
ZOOM Die Suche nach der geheimnisvollen Dunklen Materie beschäftigt die
DUNKLE
Physik seit vielen Jahrzehnten. Bereits in den 1930er Jahren hatten
sich Astronomen über einen merkwürdigen Befund gewundert: Gala-
xienhaufen hielten zusammen, obwohl sie eigentlich auseinanderfliegen
MATERIE sollten. Neben den sichtbaren Himmelskörpern – Sternen, P
laneten
und Staubwolken – muss es zusätzlich eine unsichtbare Masse geben,
deren Gravitation Galaxien im Zaum hält. Doch woraus besteht diese
Auf der Jagd nach neuen Teilchen ominöse Dunkle Materie, ohne die sich kaum erklären lässt, wie sich
Galaxien und Galaxienhaufen im Laufe der Entstehungsgeschichte
des Weltalls gebildet haben? Vielleicht aus noch unentdeckten, ultra
leichten oder überaus schweren Elementarteilchen? Und was haben
Schwarze Löcher damit zu tun? Rund um den Globus läuft die Suche,
und bald könnte eine neue Generation von Experimenten das Geheim-
nis der Dunklen Materie endlich lüften.
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femto 02/19
06 12 33
CAMPUS ZOOM SPEKTRUM
06 Asteroiden verraten Größe 12 Dunkle Materie 30 Forschung kompakt
ferner Sterne Auf der Jagd nach
Gammateleskop-Technik neuen Teilchen - Was Spinnen an der Decke hält
bestimmt bislang kleinsten - Parkinson-Symptome
Winkeldurchmesser 26 Kluges Upcycling durch Mangan-Vergiftung
Wie das Hightech-Experiment - Hologrammtechnik misst
08 Boost für die Plasma- ALPS II mit gebrauchten extrem kurze Lichtpulse
beschleunigung Magneten nach Dunkler - Neuer Blick ins Erdinnere
Laserbohrer ermöglicht Materie sucht - Gammastrahlung aus der
neuen Weltrekord Superblase
28 Die Kunst der Dunklen Materie - Meteoriteneinschläge im Labor
10 Druckbare Wassersensoren Interview mit DESY-Physiker - Neues Gas für Plasmalinsen
Röntgenuntersuchung zeigt Christian Schwanenberger zu - Medikamentenschleuse im
Arbeitsweise von funktionaler einem besonderen Kunstprojekt Röntgenlicht
Verbindung auf Kupferbasis - Kontrolle aus dem Nichts
- Flüssigkeiten kristallisieren in
36 Mit Gold Krankheiten aufspüren Nanometerspalten
Neue Diagnosemöglichkeiten
in der Medizin
38 Platin schlägt Nanoblasen
Technisch wichtiges Edelmetall
oxidiert schneller als erwartet
40 Biegsame Schaltkreise für
den 3D-Druck
Neues Verfahren für flexible
und transparente Elektronik
RUBRIKEN
02 femtoskop 35 femtomenal
Röntgenlaserstrahl sichtbar Der kürzeste UV-Laserpuls
gemacht der Welt
39 femtopolis 42 femtofinale
Warum Gewitterwolken Rezept für ein Universum
mehrfach blitzen
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femto 02/19 CAMPUS
Asteroiden verraten
Größe ferner Sterne
Gammateleskop-Technik verdoppelt Auflösungsvermögen astronomischer Winkelmessungen
Wenn ein Asteroid vor
einem Stern vorbeizieht, ent-
Bild: DESY, Lucid Berlin
steht ein Beugungsmuster
(hier deutlich übertrieben
dargestellt), aus dem sich
der Durchmesser des
Sterns bestimmen lässt.
M
it Hilfe der besonde Daniel vom Smithsonian Astrophysi unter anderem beobachten, wenn
ren Eigenschaften cal Observatory (SAO) etabliert eine ein Asteroid aus unserem Sonnen
von Gammastrahlen neue Methode zur Bestimmung von system zufällig vor einem weit
teleskopen haben Sterndurchmessern und liefert die entfernten Stern vorbeiwandert.
Forschende die Durchmesser ferner bislang kleinsten Winkeldurchmes „Die extrem schwachen Schatten
Sterne bestimmt. Die Messungen ser von Sternen am Firmament. von Asteroiden ziehen jeden Tag
mit dem Very Energetic Radiation Nahezu jeder Stern am Nacht über uns hinweg“, erläutert Hassan.
Imaging Telescope Array System himmel ist selbst für die besten „Dabei ist der Rand des Schattens
(VERITAS) liefern die Größe eines Teleskope zu weit entfernt, um seine jedoch nicht scharf. Stattdessen ist
Riesensterns in 2674 Lichtjahren Größe direkt zu bestimmen. Die der zentrale Schatten umgeben von
Entfernung und eines sonnen Forschenden nutzten daher ein op Lichtmustern, die an kleine Wasser
ähnlichen Sterns in 700 Lichtjahren tisches Phänomen namens Diffrak wellen erinnern.“ Die Physik be
Distanz. Die Arbeit des Teams um tion, um die Sterndurchmesser zu zeichnet das als Beugungsmuster. Es
Tarek Hassan von DESY und Michael bestimmen. Dieser Effekt lässt sich lässt sich in jedem Schülerlabor mit
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femto 02/19 CAMPUS
Hilfe eines Lasers erzeugen, der auf
eine scharfe Kante gerichtet wird.
– auch für solche von Sternenlicht.
Mit den VERITAS-Tscheren
„Unsere Pilotstudie
Die Form des Musters erlaubt kow-Teleskopen am Fred-Lawrence- etabliert eine neue
Rückschlüsse auf die Ausdehnung Whipple-Observatorium im US-Bun
der Lichtquelle. Anders als das Beu desstaat Arizona ist es dem Team Methode, um die
gungsmuster in einem Schülerlabor
lässt sich das eines Sterns an einem
gelungen, das Beugungsmuster
des Sterns mit der Katalognummer
Durchmesser von
Asteroiden jedoch nur sehr schwer TYC 5517-227-1 einzufangen, wäh Sternen zu bestimmen“
messen. „Die Sternbedeckungen rend er am 22. Februar 2018 vorüber
Tarek Hassan, DESY
durch Asteroiden sind sehr schwer gehend vom 60 Kilometer großen
vorherzusagen“, sagt Daniel. „Und Asteroiden Imprinetta bedeckt
das Beugungsmuster lässt sich nur wurde. Mit den VERITAS-Teleskopen mit Tscherenkow-Teleskopen liefert
erkunden, indem man schnelle ließen sich 300 Bilder pro Sekunde eine zehnmal bessere Auflösung als
Schnappschüsse macht, während aufnehmen, woraus sich das Hellig die Standardmethode bei Sternbe
der Schatten über das Teleskop keitsprofil des Beugungsmusters mit deckungen durch den Mond. Und
wandert.“ Astronomen haben auf großer Genauigkeit rekonstruieren sie ist mindestens doppelt so scharf
diese Weise bereits Sterne vermes ließ. Daraus ergab sich die schein wie interferometrische Größenmes
sen, die vorübergehend vom Mond bare Größe des Sterns am Himmel, sungen.“ Die Messungenauigkeit
bedeckt wurden. Das funktioniert also sein Winkeldurchmesser, zu der neuen Methode beträgt nach
ungefähr bis zu einer scheinbaren 0,125 tausendstel Bogensekunden. Angaben der Autoren gegenwärtig
Größe – also einem Winkeldurch Zusammen mit der Entfernung von rund zehn Prozent. „Wir erwarten,
messer – von einer tausendstel Bo 2674 Lichtjahren ergibt das einen dass sich das durch einen optimier
gensekunde. Zum Vergleich: So groß Durchmesser des Sterns, der elfmal ten Aufbau deutlich verbessern lässt,
würde eine Zwei-Cent-Münze auf so groß ist wie der unserer Sonne. etwa indem man die beobachteten
dem Pariser Eiffelturm von New York Damit ließ sich der Stern der Klasse Wellenlängen auf einen bestimmten
aus erscheinen. der Roten Riesen zuordnen, was Bereich einschränkt“, sagt Daniel.
zuvor nicht eindeutig geklärt war. Da unterschiedliche Wellenlängen
Augen für Sternenlicht Die Forschenden konnten drei unterschiedlich gebeugt werden,
Allerdings sind nicht viele Sterne Monate später zudem den Stern verwischt das gemessene Beugungs
am irdischen Himmel so groß. Um TYC 278-748-1 untersuchen, der muster, wenn ein zu breiter Wellen
noch kleinere Winkeldurchmesser am 22. Mai 2018 vom 88 Kilometer längenbereich aufgezeichnet wird.
zu bestimmen, nutzte das Team großen Asteroiden Penelope bedeckt „Unsere Pilotstudie etabliert
Tscherenkow-Teleskope. Diese wurde. Die Auswertung lieferte einen eine neue Methode, um die Durch
messer von Sternen zu bestimmen“,
„Dies ist der kleinste fasst Hassan zusammen. Die For
schenden schätzen, dass geeignete
Winkeldurchmesser eines Sterns, Teleskope mehr als eine Asteroiden-
Sternbedeckung pro Woche be
der je gemessen worden ist“ obachten könnten. „Da ein Stern
umso kleiner erscheint, je weiter er
Michael Daniel, SAO
entfernt ist, bedeutet eine Verbes
serung der Winkelauflösung auch
Instrumente sind darauf speziali Winkeldurchmesser von 0,094 tau eine Erweiterung der Reichweite
siert, das extrem kurze und schwa sendstel Bogensekunden, was bei solcher Beobachtungen“, erläutert
che bläuliche Leuchten einzufangen, einer Entfernung von 700 Lichtjahren der DESY-Forscher. „Wir schätzen,
das entsteht, wenn ein energierei dem 2,17-fachen Sonnendurch dass sich mit unserer Methode
ches Teilchen oder Gammaquant messer entspricht. Das deckt sich noch Sterne in zehnmal größerer
aus dem Weltall auf die Erdatmo hervorragend mit einer früheren Entfernung analysieren lassen als
sphäre trifft. Tscherenkow-Teles Schätzung, die mit Hilfe indirek mit der Mondbedeckungsmethode.“
kope machen nicht die besten Bilder, ter Methoden auf 2,173 Sonnen Die Technik könne damit genug
aber dank ihrer großen Spiegelflä durchmesser gekommen war. Daten liefern, um eine größere
che, die gewöhnlich wie ein Insek „Dies ist der kleinste Winkel Zahl von Sternen in sogenannten
tenauge in sechseckige Einzelspiegel durchmesser eines Sterns, der Populationsstudien zu untersuchen.
segmentiert ist, und ihrer leistungs je gemessen worden ist“, betont
fähigen Kameras sind sie besonders Daniel. „Die Beobachtung von Nature Astronomy, 2019;
empfindlich für Lichtschwankungen Sternbedeckungen durch Asteroiden DOI: 10.1038/s41550-019-0741-z
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femto 02/19 CAMPUS
Bild: Keldysh Institute of Applied Mathematics, Gennadiy Bagdasarov,
und Berkeley Lab, Anthony Gonsalves/Jean-Luc Vay
Künstlerische Darstellung:
Visualisierung des Plasma-
kanals (blau) in der Kapillare,
der durch eine elektrische
Entladung und einen
acht Nanosekunden langen
Laserpuls (rot/gelb)
erzeugt worden ist.
Laserpuls
Plasmakanal
Boost für die
Plasmabeschleunigung
Laserbohrer ermöglicht neuen Weltrekord
W
im Leemans, DESYs neuer For nenvolt (Giga-Elektronenvolt, GeV) – ein Wert, für
schungsdirektor für den Bereich den die modernsten konventionellen Teilchenbe
Beschleuniger, ist ein international schleuniger mehrere hundert Meter benötigen.
profilierter Spitzenwissenschaftler
und ein Pionier in der Entwicklung zukunfts
weisender Laser-Plasmabeschleuniger. Bevor „Diese neue Technologie eröffnet
er im Februar 2019 zu DESY kam, leitete er den
Forschungsbereich für Beschleunigertechnolo
ganz neue Möglichkeiten, auch für
gien und Angewandte Physik am Berkeley Lab unsere Arbeit bei DESY“
(Kalifornien, USA) sowie das Berkeley Lab Laser
Ralph Aßmann, DESY
Accelerator (BELLA) Center. Gemeinsam mit
seinem Team hat er dort wichtige Meilensteine
für die neue Generation kompakter Teilchenbe Ein Plasma ist ein Gas, in dem den Molekülen ihre
schleuniger gelegt: Anfang des Jahres stellten die Elektronen entrissen wurden, so dass sich eine
BELLA-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaft Mischung aus elektrisch positiv geladenen Gas
ler mit einem „Laser-Plasmabohrer“ einen neuen molekülen und elektrisch negativen Elektronen
Rekord für Plasmabeschleuniger auf. In einer nur bildet. „Die Entwicklung stabiler Plasmabeschleu
20 Zentimeter langen Plasmakapillare beschleu niger mit einer Energie nahe zehn Giga-Elektro
nigten sie Elektronen auf 7,8 Milliarden Elektro nenvolt markiert einen Meilenstein auf dem
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femto 02/19 CAMPUS
Weg vom Labor zu ersten Anwendungen“, betont
Leemans, der das Verfahren bei DESY weiterent Den Belgier Wim Leemans zog es
sehr früh in seiner Karriere nach
wickeln wird. „Wir haben ein neues Konzept für
Kalifornien: Seine Doktorarbeit
den Werkzeugkasten der Plasmabeschleuniger- in der Elektrotechnik schrieb er
Forscher entwickelt. Und zusammen mit anderen an der University of California
Verfahren zur Kontrolle von Beschleunigung, in Los Angeles. Anschließend
arbeitete er insgesamt 27 Jahre
Strahlstabilität und -qualität, die es bei DESY be
am Berkeley Lab und hat in
reits gibt, wird dies kompakte Elektronenquellen dieser Zeit das Laser-Beschleu-
möglich machen.“ nigerprogramm des Forschungs-
Teilchenbeschleuniger sind in vielen zentrums etabliert und zu
weltweitem Ansehen gebracht.
Bereichen unverzichtbare Werkzeuge, von der
Forschung über die Industrie bis zur Medizin.
Konventionelle Teilchenbeschleuniger nutzen
Radiowellen, um Pakete elektrisch geladener
Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen, schneller „Die Zeit ist reif, um die
und schneller voranzutreiben. Die heute hochent
wickelte Technik erzeugt Teilchenstrahlen hoher Laser-Plasmabeschleunigung aus dem
Qualität mit fast jeder gewünschten Eigenschaft.
Je höher die Teilchenenergie sein soll, desto
Labor zur Anwendung zu führen“
größer und teurer werden allerdings die Anlagen. Wim Leemans, DESY
Surfen auf der Plasmawelle Laser-Plasmabeschleuniger dar“, kommentiert
Die zurzeit noch experimentelle Laser-Plasma Ralph Aßmann, Leitender Wissenschaftler für
beschleunigung verfolgt ein komplett anderes Beschleunigerforschung bei DESY, der nicht an
Konzept: Bei ihr pflügt ein kurzer, extrem heller der Studie beteiligt war. „Hier wird nicht nur ein
Laserpuls durch ein Plasma. Wie ein Schnellboot neuer Energierekord gezeigt, sondern es wurde
auf einem See erzeugt der Laserpuls kräftige eine innovative Methode entwickelt, mit der
Heckwellen in seiner Bahn. Auf diesen Plasma eine mittlere Beschleunigungsspannung von
wellen können die Elektronen surfen wie ein 40 Milliarden Volt pro Meter über eine Strecke von
Wakeboard-Surfer auf der Heckwelle des Schnell 20 Zentimeter robust erzeugt wurde. Diese neue
boots. Plasmawellen können Teilchen viele Technologie eröffnet ganz neue Möglichkeiten,
hundert Male stärker beschleunigen als konven auch für unsere Arbeit bei DESY.“
tionelle Beschleuniger. Auch wenn bei der jungen Zwar können Plasmabeschleuniger nicht so
Technik noch zahlreiche Herausforderungen viele Teilchen auf einmal beschleunigen wie kon
gemeistert werden müssen, verspricht sie günsti ventionelle Beschleuniger, aber sie können neue,
gere und vor allem drastisch kleinere Teilchenbe bislang nicht machbare Anwendungen wie etwa
schleuniger sowie neue Anwendungen. einen miniaturisierten Röntgenlaser ermöglichen.
Je kräftiger der Laserpuls ist, desto stärker „Unsere Methode ist ein großer Schritt nach vorn
ist die Beschleunigung im Plasma. Das BELLA- zu künftigen kompakten Forschungslichtquellen“,
Team schoss unvorstellbar starke und kurze betont Leemans. „Die Zeit ist reif, um die Laser-
Infrarot-Laserpulse mit einer Spitzenleistung Plasmabeschleunigung aus dem Labor zur An
von 850 Billionen Watt (850 Terawatt) und einer wendung zu führen.“
Bilder: Berkeley Lab, Marilyn Chung; DESY, Werner Bartsch (Portrait)
Dauer von nur 35 billiardstel Sekunden (35 Fem
tosekunden) in eine 0,8 Millimeter breite Saphir Physical Review Letters, 2019,
röhre voll Wasserstoffgas. Die Spitzenleistung DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.084801
des Lasers entspricht umgerechnet 8,5 Billionen
100-Watt-Glühbirnen, die allerdings nur ein paar
Dutzend Femtosekunden angeschaltet wären. Der
Clou dabei war, dass ein vorauseilender, erster
Laserpuls zunächst einen Kanal durch das Plasma
für den eigentlichen Beschleunigerpuls gebohrt
hatte. Dadurch ließ sich die Plasmabeschleu
nigung über die gesamten Länge der Kapillare
aufrechterhalten.
„Das in Physical Review Letters veröffentlichte Eine 20 Zentimeter lange Plasmazelle, wie sie für die
Resultat aus Berkeley stellt einen Meilenstein für Rekordbeschleunigung benutzt wurde.
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femto 02/19 CAMPUS
Druckbare
Wassersensoren
Röntgenuntersuchung zeigt Arbeitsweise von funktionaler Verbindung auf Kupferbasis
E
in spanisch-israelisches Universität Madrid (UAM) die durch stimmte Stoffe nachweisen. Wasser
Forschungsteam hat ein Wasser ausgelösten Strukturände gehört dabei zu den am häufigsten
ausdruckbares Material rungen in dem Material erkundet, überwachten chemischen Verbin
entwickelt, das als vielsei die der beobachteten Farbänderung dungen. „Es kann sehr wichtig sein
tiger und robuster Wasserdetektor zugrunde liegen. Die Entwicklung zu wissen, wieviel Wasser in einer
eingesetzt werden kann. Der Stoff öffnet die Tür zur Erzeugung einer bestimmten Umgebung oder in
auf Polymerbasis ist günstig, flexibel neuen Familie 3D-druckbarer funkti einem Stoff vorhanden ist“, erläutert
und ungiftig und ändert seine Farbe onaler Materialien. DESY-Forscher Michael Wharmby.
in Gegenwart kleiner Mengen Wasser Auf zahlreichen Gebieten wie „Wenn ein Öl zum Beispiel zu viel
von Violett zu Blau. Mit Hilfe von beispielsweise Gesundheit, Lebens Wasser enthält, schmiert es Maschi
DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III mittelsicherheit und Umweltschutz nen möglicherweise nicht gut,
haben die Wissenschaftlerinnen und gibt es einen rasant steigenden und mit einem zu hohen Wasser
Wissenschaftler unter Leitung von Bedarf an Sensoren, die auf schnelle anteil verbrennt Treibstoff nicht
Pilar Amo-Ocha von der Autonomen und einfache Weise gezielt be ordentlich.“
„Die Vielseitigkeit moderner 3D-Drucktechnik
bedeutet, dass sich diese Sensoren in ganz
unterschiedlichen Bereichen einsetzen lassen“
Shlomo Magdassi, Hebräische Universität Jerusalem
Das Sensormaterial
kann in unterschiedlichs-
ten Formen gedruckt
werden. Die gezeigten
Werkstücke sind jeweils
etwa einen Zentimeter
breit. In Anwesenheit von
Wasser, beispielsweise
aus der Luftfeuchtigkeit,
färbt es sich blau.
10femto 02/19 CAMPUS
DESY-Forscher
Michael Wharmby leitet
die Messstation, an der
Im trockenen Zustand (hier in einer die Untersuchungen
wasserfreien Flüssigkeit) färbt sich das stattfanden.
Sensormaterial violett.
Farbumschlag im Sensor denen Formen daraus zu drucken. Erhitzen oder in einer wasserfreien
Der funktionale Teil des neuen Sie testeten die gedruckten Senso Flüssigkeit getrocknet wird, färbt es
Sensormaterials ist ein sogenanntes ren in Luft und mit Flüssigkeiten, sich von Blau wieder zurück nach
Koordinationspolymer auf Kupfer die unterschiedliche Anteile Wasser Violett. Tests zeigten, dass es selbst
basis, eine organische Verbindung enthielten. über viele Erhitzungszyklen stabil
mit einem Wassermolekül, das an Dabei zeigte sich, dass die bleibt und die kupferbasierten Poly
ein zentrales Kupferatom gebun gedruckten Sensoren sogar noch mere gleichmäßig in den gedruckten
den ist. „Wenn man die Verbindung empfindlicher auf Wasser reagieren Sensoren verteilt sind. An der Luft
auf 60 Grad Celsius erhitzt, ändert als das kupferbasierte Polymermate bleibt das Material mindestens ein
sie ihre Farbe von Blau zu Violett“, rial allein. Die Forschenden schrei Jahr stabil, ebenso bei biologisch
berichtet Amo-Ocha. „Diese Ände ben das der Porosität des gedruckten relevanten pH-Werten von 5 bis 7.
rung lässt sich rückgängig machen, Materials zu. In Flüssigkeiten schlug „Die Vielseitigkeit moderner
indem man das Material an der der gedruckte Sensor innerhalb 3D-Drucktechnik bedeutet darüber
Luft lässt, in Wasser taucht oder von zwei Minuten bereits bei einem hinaus, dass sich diese Sensoren in
in eine Flüssigkeit mit Spuren von Wasseranteil von 0,3 bis 4 Prozent ganz unterschiedlichen Bereichen
Wasser legt.“ Mit der energiereichen an. Zudem reagierte er noch auf eine einsetzen lassen“, betont Shlomo
Röntgenstrahlung von DESYs For relative Luftfeuchtigkeit von nur Magdassi von der Hebräischen
schungslichtquelle PETRA III konnte 7 Prozent. Wenn das Material durch Universität Jerusalem. Das Konzept
das Team beobachten, dass in den könne zudem genutzt werden, um
auf 60 Grad erhitzten Proben die weitere derartige funktionale Mate
Wassermoleküle fehlten, die zuvor
„Es kann sehr wichtig rialien zu entwickeln.
an die Kupferatome gebunden wa „In unserer Arbeit präsentieren
ren. Das führt zu einer umkehrbaren sein zu wissen, wir die ersten 3D-gedruckten Ver
strukturellen Neuorganisation des wieviel Wasser in bundobjekte aus einem nicht-porö
Materials, wodurch es zu der Farb sen Koordinationspolymer“, sagt
änderung kommt. einer bestimmten Félix Zamora von der Autonomen
„Als wir das verstanden hat Umgebung oder in Universität Madrid. „Das eröffnet die
ten, konnten wir auch die Physik Möglichkeit, die große Familie dieser
dieser Veränderung modellieren“,
einem Stoff vorhanden leicht herzustellenden Verbindun
Bilder: TUAM, Verónica García Vegas
sagt José Ignacio Martinez vom ist. Wenn ein Öl zum gen mit ihren interessanten magne
Institut für Werkstoffwissenschaften tischen, optischen und elektrischen
in Madrid (ICMM-CSIC). Die Forsche
Beispiel zu viel Wasser Eigenschaften für das funktionale
rinnen und Forscher waren dann enthält, schmiert es 3D-Drucken zu benutzen.“
in der Lage, die Kupferverbindung
mit einem 3D-Druckermaterial zu
Maschinen nicht gut“
Advanced Functional Materials, 2019;
mischen und Sensoren in verschie Michael Wharmby, DESY DOI: 10.1002/adfm.201808424
11femto 02/19 ZOOM
Der seltsamste Stoff im
Universum: Dunkle Materie
(hier in Schwarz) ist im Kosmos
über fünfmal häufiger als die
uns gewohnte Materie (gelb).
Sie besitzt keinerlei Wechsel-
wirkung mit elektromagneti-
scher Strahlung wie Licht und
ist daher komplett unsichtbar.
Dunkle Materie macht sich
nur über ihre Schwerkraft
bemerkbar. Diese Computer-
simulation des Kavli-Instituts
für Astroteilchenphysik und
Kosmologie (KIPAC) zeigt die
spinnwebenartige Verteilung
der Dunklen Materie im Univer-
sum, die mit ihrer Schwerkraft
erst die Bildung von Galaxien
und Galaxienhaufen ermöglicht
hat. Woraus die Dunkle Materie
besteht, ist gegenwärtig noch
völlig rätselhaft.
Bild: KIPAC/SLAC, Ralf Kaehler
12femto 02/19 ZOOM
ZOOM
DUNKLE MATERIE
Die Suche nach der mysteriösen Dunklen Materie beschäftigt die Physik seit vielen Jahrzehnten.
Bereits in den 1930er Jahren hatten sich Astronomen über einen merkwürdigen Befund gewun-
dert: Galaxienhaufen hielten zusammen, obwohl sie eigentlich auseinanderfliegen sollten. Neben
den sichtbaren Himmelskörpern – Sternen, Planeten und Staubwolken – muss es zusätzlich eine
unsichtbare Masse geben, deren Gravitation Galaxien im Zaum hält. Doch woraus besteht diese
ominöse Dunkle Materie, ohne die sich kaum erklären lässt, wie sich Galaxien und Galaxienhaufen
im Laufe der Entstehungsgeschichte des Weltalls gebildet haben? Vielleicht aus noch unentdeck-
ten, ultraleichten oder überaus schweren Elementarteilchen? Und was haben Schwarze Löcher
damit zu tun? Rund um den Globus läuft die Suche, und bald könnte eine neue Generation von
Experimenten das Geheimnis der Dunklen Materie endlich lüften.
13-32
10 1 100 380 000 300 – 500 Milliarden 13,8
Sekunden Sekunde Sekunden Jahre Millionen Jahre Jahre Milliarden Jahre
BEGINN DES UNIVERSUMS
Inflation: Licht und Licht und Materie Licht und Materie Nach der Entkopplung Galaxien Das Universum
Das ganz Materie sind gekoppelt. entkoppeln: Protonen von Licht und Materie entwickeln sich heute
junge entstehen. Dunkle Materie und Elektronen bilden gibt es zunächst noch weiter.
Bild: European Space Agency (ESA)
Universum entwickelt sich Atome, das Licht keine Sterne. Die Atome
dehnt sich unabhängig: kann sich frei ausbrei- der uns gewohnten
kurzzeitig Sie beginnt ten. Aus dieser Zeit Materie beginnen jedoch,
extrem bereits, zusammen stammt die allgegen- den Einfluss des
schnell aus. zuklumpen und wärtige kosmische Dunkle-Materie-Geflechts
eine Netzstruktur Hintergrundstrahlung zu spüren. In dessen dich-
zu bilden. (siehe Abbildung testen Knoten leuchten
rechts). nach 300 bis 500 Milli-
onen Jahren die ersten
Sterne und Galaxien auf.
W
ir haben Glück, es ist bewölkt.“ stark bündeln, dass es die Anlage beschädigt.“
Markus Garczarczyk hat einen kur Das schwere Gerät steht am Rand des
zen Blick aufs Wetter geworfen, jetzt Wissenschaftsparks Adlershof in Berlin. Es ist der
öffnet er eine Metalltür, die in einen Prototyp eines neuen internationalen Großpro
kleinen Turm führt. Dort tippt der Forscher auf jekts der Astronomie – des Cherenkov Telescope
einen Touchscreen, es ertönt das Sirren kräftiger Array (CTA). „Es soll aus etwa hundert Einzel
Elektromotoren. Sie wuchten das in die Höhe, teleskopen bestehen und Gammastrahlen aus
was auf dem Turm montiert ist – ein 60 Tonnen dem All aufspüren“, sagt Garczarczyk, Physiker
schweres Spiegelteleskop, Durchmesser zwölf bei DESY in Zeuthen, das CTA maßgeblich mitbe
Meter. „Bei klarem Himmel hätten wir es in seiner treibt. Gammastrahlen sind die energiereichsten
Parkposition lassen müssen“, erklärt Garczarczyk. aller elektromagnetischen Wellen. Unter anderem
„Sonst würde der Reflektor das Sonnenlicht so entstehen sie bei Gewaltprozessen im Kosmos,
etwa bei Supernova-Explosionen und Sternkolli
sionen. Und sie könnten helfen, eines der größten
Rätsel der Physik zu lösen: Woraus besteht
die ominöse Dunkle Materie, die die Galaxien
zusammenzuhalten scheint wie ein unsichtbarer
Klebstoff?
Bereits in den 1930er Jahren hatten sich
Astronomen über einen merkwürdigen Befund
gewundert: Galaxienhaufen hielten zusammen,
obwohl sie eigentlich auseinanderfliegen sollten.
Und in den 1970 Jahren stellte ein US-Team fest,
dass sich die Sterne, die um das Zentrum einer
Galaxie kreisen, so schnell bewegen, dass sie
eigentlich herauskatapultiert werden müssten.
Die Folgerung: Neben den sichtbaren Himmels
körpern – Sternen, Planeten und Staubwolken –
muss es zusätzlich eine unsichtbare Masse geben,
Der Prototyp für die Teleskope des Cherenkov Telescope Array
(CTA) ist seit 2013 im Wissenschaftspark Berlin-Adlershof Dunkle Materie genannt. Ihre Gravitation ist es,
in Betrieb. die die Sterne in einer Galaxie im Zaum hält und
Bild: DESY
verhindert, dass zum Beispiel unsere Milchstraße
schon längst auseinandergedriftet ist.
14femto 02/18 ZOOM
Die kosmische Hinter
grundstrahlung stammt
Auch andere Hinweise sprechen für die Existenz ein weiteres Rätsel. In den 1990er Jahren entdeck
aus der Zeit 380 000
der rätselhaften Substanz: So sieht es danach aus, ten Astronomen, dass der Kosmos viel schneller Jahre nach dem Urknall
als würde Dunkle Materie das Licht ferner Gala expandiert als erwartet – eine geheimnisvolle und wabert bis heute
xien ein wenig aus der Bahn lenken – Fachleute Kraft scheint ihn regelrecht auseinanderzutreiben. durchs All. Kleine Tem-
peraturschwankungen,
sprechen vom Gravitationslinsen-Effekt. Auch in Seitdem spricht die Fachwelt von einer „Dunklen
wie hier vom europäi-
der sogenannten kosmischen Hintergrundstrah Energie“, aus der das Universum zu etwa 68 Pro schen Satelliten „Planck“
lung – quasi dem Echo des Urknalls – finden sich zent zu bestehen scheint. 27 Prozent macht die gemessen, waren die
Indizien für ihr Dasein. Und: Ohne die Dunkle Dunkle Materie aus. Und nur mickrige fünf Pro Saaten künftiger Struktu-
ren wie Galaxienhaufen.
Materie lässt sich kaum erklären, wie sich Gala zent des Universums sind aus dem gemacht, aus
xien und Galaxienhaufen im Laufe der Entste dem wir und unsere Umgebung bestehen – der
hungsgeschichte des Weltalls gebildet haben. vertrauten sichtbaren Materie.
Geburtshelfer für Galaxien
Heute gehen Kosmologen davon aus, dass das „Im Moment gibt
Universum vor rund 13,8 Milliarden Jahren aus
einem winzigen Punkt heraus explosionsartig
es viele Kandidaten –
Bilder: European Space Agency (ESA) and the Planck Collaboration; DESY (Portrait)
geboren wurde – dem Urknall. „Unmittelbar nach beinahe zu viele“
diesem Big Bang, als der Kosmos noch extrem
Kai Schmidt-Hoberg, DESY
klein war, dürfte es winzige Quantenfluktuatio
nen gegeben haben“, erklärt Kai Schmidt-Hoberg,
Theoretiker bei DESY. „Angetrieben von diesen Das Problem: Trotz jahrzehntelanger Suche ist
Fluktuationen konnte sich die Dunkle Materie völlig unklar, woraus Dunkle Materie eigentlich
wegen der Gravitation zusammenziehen und die besteht. Die Theoretiker bringen diverse neue
ersten Strukturen im Universum bilden – faden Elementarteilchen ins Spiel – manche ultraleicht,
artige Verdichtungen, in Computersimulationen andere überaus schwer. Andere Fachleute halten
erinnern sie an das Geflecht von Nervenzellen im Schwarze Löcher für die Ursache. Und wieder
Gehirn.“ Dieses Geflecht zog in der Folge durch andere meinen, dass etwas mit einer Grund
seine Schwerkraft normale Materie an, die dann gleichung der Physik nicht stimmt – dem Gravita-
verklumpte und Himmelskörper bilden konnte – tionsgesetz von Isaac Newton. „Im Moment gibt
die Dunkle Materie als Geburtshelfer für Galaxien. es viele Kandidaten – beinahe zu viele“, klagt
Das Frappierende: Das Ganze geht nur auf, Schmidt-Hoberg. „Nicht zuletzt deshalb ist es so
wenn man annimmt, dass es rund fünfmal mehr schwierig herauszufinden, was tatsächlich hinter
Dunkle Materie gibt als sichtbare. Hinzu kommt der Dunklen Materie steckt.“
15femto 02/19 ZOOM
Das Large Underground Xenon
Experiment (LUX) hat 1500 Meter
tief in einer alten Mine in South
Dakota versucht, Teilchen na-
mens WIMPs (siehe rechts) direkt
einzufangen. Sein Nachfolger,
das LUX-Zeplin Experiment, ein Kohlenstoffatom, ein Urankern oder sogar
soll der weltweit empfindlichste
ein kleines Protein. Weitgehend unbeachtet vom
WIMP-Detektor werden.
Rest der Welt würden sie in Unmengen durchs
All geistern. Mit gewöhnlicher Materie würden
Im weltgrößten Teilchenbe-
schleuniger Large Hadron sie nur sporadisch agieren, sich jedoch auf gro
Collider (LHC) am europäi- ßen Skalen durch ihre Schwerkraft bemerkbar
schen Teilchenforschungs- machen.
zentrum CERN bei Genf ver-
„WIMPs passen sehr gut ins derzeitige Bild
suchen Physikerinnen und
Physiker hingegen, WIMPs der Kosmologie“, sagt Joachim Mnich, Direktor für
in energiereichen Kollisionen Teilchenphysik bei DESY. „Außerdem sagen man
direkt zu erzeugen. che Theorien vorher, dass es Teilchen mit genau
solchen Eigenschaften geben müsste.“ Die wohl
Seit 2016 späht der Detektor gängigste dieser Theorien heißt Supersymmetrie,
XENON1T rund 1400 Meter
kurz SUSY. Sollte sie Gültigkeit haben, würde sie
unter dem italienischen
Gran-Sasso-Massiv nach gewisse theoretische Probleme der Teilchenphy
WIMPs. Angeschlagen hat sik lösen und zum Beispiel erklären, warum die
er bislang nicht, seine Aus- Gravitation so schwach ist. Nebenbei würde sie
schlussgrenzen sind jedoch
vielversprechende Kandidaten für die Dunkle
besser als die zuvor von LUX
gesetzten.
Materie liefern, zum Beispiel das Neutralino.
Dieses könnte sich mit dem derzeit weltgröß
ten Beschleuniger herstellen lassen, dem LHC
am CERN. Die Strategie: Man schießt normale
Rund um den Globus läuft die Suche auf breiter Materie – in diesem Fall Protonen – mit möglichst
Front: Teilchenbeschleuniger versuchen, Dunkle großer Wucht aufeinander und hofft, dass ein
Materie gezielt zu erzeugen. Hochsensitive Detek wenig Dunkle Materie dabei herauskommt.
toren, eingebaut tief im Gebirge, lauern auf die Seit 2010 nimmt der Genfer Beschleuniger
mysteriösen Teilchen. Diverse Teleskope richten Messdaten. Bislang aber hat er noch keinerlei
ihren Blick in den Himmel und fahnden dort nach Spuren eines SUSY-Teilchens aufgespürt. Ist die
Spuren. In den kommenden Jahren wird eine wei Sache damit vom Tisch? „Nein“, meint Mnich,
tere Offensive beginnen: Mit einer neuen Genera „wir verfolgen das weiter.“ Denn zum Leidwesen
Bilder: Lawrence Berkeley National Laboratory; CERN; XENON1T Collaboration; DESY (Portrait)
tion an Instrumenten unternimmt die Fachwelt der Fachwelt verrät die Theorie der Supersymme
den nächsten Anlauf. trie nicht, wie schwer solche SUSY-Teilchen sein
könnten – was die Physiker weitgehend im Dun
keln tappen lässt. „Deshalb lohnt es sich, weiter
„WIMPs passen nach diesen Teilchen zu suchen“, betont Mnich.
„Doch um die Chancen zu maximieren, etwas zu
sehr gut ins finden, müssen wir möglichst viele Kollisionen
derzeitige Bild der beobachten.“
Genau das dürfte von 2026 an möglich sein.
Kosmologie“ Dann soll ein Upgrade des LHC dafür sorgen, dass
fünfmal mehr Protonen in dem 27 Kilometer gro
Joachim Mnich, Direktor für Teilchenphysik bei DESY
ßen Ring kollidieren – was die Chancen auf eine
Entdeckung deutlich erhöht.
Spurensuche mit dem LHC Doch selbst wenn im Genfer Beschleuniger
Viele Experten liebäugeln mit einer speziellen respektable Mengen an Dunkle-Materie-Teilchen
Klasse von Elementarteilchen – den WIMPs entstehen, ist es alles andere als einfach, sie auf
(Weakly Interacting Massive Particles, also zuspüren. „Diese Teilchen sind praktisch unsicht
schwach wechselwirkende massereiche Teilchen). bar“, erklärt DESY-Physikerin Sarah Heim, Leiterin
Verglichen mit vielen anderen Teilchen wären sie einer Helmholtz-Nachwuchsgruppe. „Sie wech
relativ schwer: WIMPs könnten soviel wiegen wie selwirken so schwach mit Materie, dass sie den
16ZOOM
Ges uch t:
WIMP
„Diese Teilchen sind
Weakly Interacting Massive
Par ticles
Masse: etwa 100 GeV
μeV meV eV keV MeV GeV TeV
Wechselwirkungsstärk
praktisch unsichtbar“
e: mittel
Sarah Heim, DESY
Suchmethode: direkt,
indirekt und mit
Teilchenbeschleuniger
n
Besondere Eigenschaf
ten: Elementarteil-
chen; kann verschied
formen haben, beispi
ene Erscheinungs- Impuls von einem unsichtbaren Teilchen davon
elsweise als Neu
tralino oder Kaluza-Kl
ein-Teilchen. Als getragen worden sein – womöglich einem Dunkle-
Neutralino wäre es das
supersymmetri Materie-Teilchen“, erklärt Heim.
sche Partnerteilchen
der Bosonen wie dem
Higgs-Teilchen und wü Bislang konnten die Fachleute zwar noch
rde die Theorie der
Supersymmetrie bes
tätigen; als Kaluza- keine Dunkle Materie aufspüren. „Aber immerhin
Klein-Teilchen würde
es bestätigen, dass es
mehr Dimensionen können wir schon manche Bereiche innerhalb
gibt, als wir kennen.
bestimmter Modelle ausschließen“, sagt die Teil-
chenphysikerin. Damit wissen die Forscher nun,
wo sie nicht mehr suchen müssen. Und was, wenn
Detektoren am LHC regelrecht durch die Lappen selbst der hochgerüstete LHC ab 2026 keine Dunkle
gehen, zum Beispiel unserem ATLAS-Detektor.“ Materie findet? Dann dürfte die Forschergemeinde
Deshalb greifen die Fachleute zu einem auf einen größeren Nachfolger hoffen, an dessen
Trick: Sie analysieren die Impulse der Teilchen, Plänen das CERN derzeit tüftelt. „Ein größerer Ring
die der Detektor gemessen hat. Deren Summe mit einem Umfang von vielleicht 100 Kilometern
muss nämlich genauso groß sein wie die Impulse könnte deutlich schwerere Teilchen erzeugen“, sagt
der ursprünglichen Kollisionspartner – quasi ein Sarah Heim. „Das würde die Chance erhöhen, doch
Nullsummenspiel. „Sollten wir eine signifikante noch SUSY-Teilchen oder andere Kandidaten für
Abweichung messen, müsste der fehlenden die Dunkle Materie zu finden.“
ATLAS ist der größte
Detektor, der je an ei-
nem Teilchenbeschleu-
niger gebaut wurde.
Er hat unter anderem
– gemeinsam mit dem
CMS-Detektor am LHC
– das Higgs-Teilchen
entdeckt. Der Universal-
detektor fahndet jedoch
auch nach Teilchen
der Dunklen Materie.
Bilder: CERN; DESY (Portrait)
17femto 02/19 ZOOM
Dunkle-Materie-Jagd in Japan
Auch Torben Ferber, ebenfalls Leiter eine Helm
Lichtteilchen holtz-Nachwuchsgruppe bei DESY, fahndet per
Beschleuniger nach den Exoten. Allerdings sucht
Hintergrund er sein Glück nicht beim LHC, sondern mit einer
kleineren, ganz neuen Maschine: SuperKEKB liegt
in Japan, hat einen Umfang von drei Kilometern
und feuert anders als der Genfer Gigant keine
Protonen aufeinander, sondern Elektronen und
deren Antiteilchen, die Positronen. Die Kollisions
energie ist so abgestimmt, dass ein sogenanntes
ϒ-Teilchen entsteht. Dieses zerfällt nach seiner
Erzeugung flugs wieder – und zwar in zwei
B-Mesonen.
„Deshalb bezeichnen wir die Anlage auch
Hintergrund als B-Fabrik“, sagt Ferber. „Im Vergleich zum LHC
sind die Kollisionen bei uns viel sauberer, was
sehr präzise Messungen erlaubt.“ Hinzu kommt:
Der japanische Beschleuniger schießt extrem
Hintergrund viele Teilchen aufeinander, spuckt also eine
enorme Zahl an Messdaten aus – was die Präzi
sion nochmals erhöht. „Pro Sekunde zeichnen
Simuliertes Dunkle-Materie-Ereignis im Detektor Belle II. Der rot-blaue Cluster
stammt von einem Lichtteilchen, das simulierte Dunkle-Materie-Teilchen ist unsicht- wir 30 000 Ereignisse auf“, erklärt Ferber. „Das
bar und auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Detektor entkommen. sind bis zum geplanten Ende des Projekts 50-mal
mehr Daten als beim Vorgängerexperiment.“
Im April begann das offizielle Experimen
tierprogramm – ein Teil davon widmet sich der
„Das wäre zumindest ein Suche nach Dunkler Materie. „Wir versuchen, sie
direkt zu erzeugen“, so Ferber. „Dabei suchen wir
indirekter Hinweis auf die nach relativ leichten Teilchen, etwa so schwer wie
Existenz von Dunkler Materie“ ein Proton.“ Um die Exoten dingfest zu machen,
werden die Fachleute nach einem bestimmten
Torben Ferber, DESY Signal in ihrem Detektor namens Belle II Ausschau
Der Detektor Belle hat
in seiner Laufzeit von
1999 bis 2010 knapp
800 Millionen Paare von
B-Mesonen registriert. Am
Nachfolger Belle II (rechts)
sollen es rund 40 Milliar-
den werden. Der Detektor
am japanischen Teilchen-
beschleuniger SuperKEKB
ist rund 7 Meter hoch und
7,5 Meter lang.
Bilder: KEK; Belle II Collaboration (Grafik)
18femto 02/19 ZOOM
Federica Petricca
leitet die CRESST-
Gruppe am Münchener
Max-Planck-Institut
für Physik.
halten – ein kurzer Lichtblitz und sonst nichts.
Ebenso könnte es aber auch sein, dass die Dunkle
Materie – quasi hinter den Kulissen – in die
Zerfälle der ϒ-Teilchen reinfunkt und dadurch für
winzige Abweichungen in den Messdaten sorgt.
„Das wäre zumindest ein indirekter Hinweis auf
die Existenz von Dunkler Materie“, sagt Ferber.
Die Höhlen-Detektoren
Eine andere Klasse von Experimenten kommt
Das Experiment Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers
ohne Beschleuniger aus: Es sind Detektoren, die (CRESST) späht 1400 Meter tief im italienischen Gran-Sasso-Massiv nach winzigen
herumgeisternde Dunkle-Materie-Teilchen direkt Temperaturschwankungen, die durch eine seltene Kollision eines Dunkle-Materie-
aufschnappen wollen. Man findet sie in speziellen Teilchens ausgelöst werden können. Arbeiten am zentralen Detektorteil müssen
unter Reinraumbedingungen stattfinden.
Orten – in Laboren, tief eingegraben in einen Berg.
„Dadurch lässt sich die allgegenwärtige kosmische
Strahlung abschirmen, die die Messungen sonst
empfindlich stören würde“, sagt Federica Petricca
vom Max-Planck-Institut für Physik in München. wiegt 25 Gramm und ist nur wenig größer als ein
Sie ist die Sprecherin eines Experiments namens Zuckerwürfel. Um sie gegen die natürliche radio
CRESST, das im Gran-Sasso-Labor in Italien steht – aktive Strahlung des Felsgesteins abzuschirmen,
1400 Meter tief in einem Bergmassiv. stecken die tiefgekühlten Kristalle hinter dicken
Schutzschichten aus Polyethylen, Blei und Kupfer.
„Da wir nach sehr seltenen und schwachen Ereig
„Da wir nach sehr nissen schauen, müssen wir unser Experi
seltenen und schwachen ment bis ins letzte Detail verstehen“,
betont Petricca.
Ereignissen schauen, Seit Jahren lauert CRESST auf
Ge su ch t:
müssen wir unser Expe- Dunkle Materie. „Gefunden haben wir FIMP
noch nichts“, erzählt die Physikerin.
riment bis ins letzte „Aber es ist uns gelungen, einen be
Detail verstehen“ stimmten Massebereich auszuschlie
ßen.“ Nun plant das CRESST-Team,
Federica Petricca , Max-Planck-Institut für Physik Feebly Intera
cting Massiv
seinen Detektor im kommenden sivee Parti
rticclle
ess
Mas se: im
GeV-Bereich
Jahr von zehn auf bis zu 100 Mo
μeV meV eV
Das Prinzip: Trifft ein Dunkle-Materie-Teilchen dule aufzustocken. Dies sollte die keV MeV Ge
V TeV
Wechselwirk irku
auf den Detektor, könnte es an einem der Atom Messempfindlichkeit signifikant unng
gsss
sttä
ärrk
kee:: supers
chwach
kerne gestreut werden. Der daraus resultierende erhöhen, ähnlich wie es auch Suchmet
hode : wegen
Wechshse ih rer schwache
ellw
w irkung m n
Rückstoß würde sich durch einen winzigen bei anderen Detektoren dieser Uni
U niv
veerrssu mss se it de m Rest
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aufzu us pü re hw er
er biss gar nic
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Wärmeeintrag im Detektor verraten. „Um diesen Art vorgesehen ist – bei Anlagen -dne
sp n
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irekte Enen
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nziklgeeikl eiCh
ne an
nichhtt
ei ne Chceanau
XENOdiNre ktetdEnectd
kuec
ng cefauf
messen zu können, müssen wir CRESST bei wie XENON1T, LUX-Zeplin und 1T-Exper kuhngätte da s
Bilder: MPI für Physik, A. Eckert
X ENON1T iment in It hä tte da
Be ndere
-Experim ent in Ital alien. s
extrem tiefen Temperaturen betreiben“, erläutert SuperCDMS. Be sond Eigenschaf ien.
Teso er
ilchen. e Ei ge te n:
nschaften: extrem sc
Petricca. „Und zwar bei zehn Millikelvin, also Teilc hen extrem sche heues
ues
zehn tausendstel Grad über dem absolutem
Temperaturnullpunkt.“
Als Detektormaterial kommen zehn Kris
talle aus Kalziumwolframat zum Einsatz. Jeder
19femto 02/19 ZOOM
Tscherenkow-Teleskope wie
das geplante CTA spähen nach
dem schwachen blauen Leuch-
ten sogenannter Luftschauer
in der Erdatmosphäre. Das
sind Teilchenkaskaden, die von
energiereichen Atomkernen
und Gammaquanten aus dem
Kosmos ausgelöst werden,
wenn sie mit Molekülen der
Atmosphäre kollidieren. Aus
der Beobachtung dieses
Tscherenkow-Lichts lässt sich
die Herkunftsrichtung eines
Gammaquants rekonstruieren.
Bild: DESY, Science Communication Lab
20femto 02/19 ZOOM
Rund um unsere
Heimatgalaxie, die
Milchstraße, existiert
Signale aus dem Nachthimmel vermutlich ein Halo
Eine andere Strategie verfolgt man bei DESY in aus Dunkler Materie,
Zeuthen, und zwar mit CTA, jenem Verbund aus in dieser künstleri-
Spiegelteleskopen, der in ein paar Jahren nach schen Darstellung blau
gezeichnet. Rund um
Gammastrahlung aus dem All Ausschau halten
unsere Sonne gibt es
soll. Das Prinzip: Trifft ein hochenergetischer dagegen möglicher-
Gammablitz auf die Lufthülle der Erde, löst er weise keine nennens
dort eine regelrechte Teilchenlawine aus. Die werten Mengen
Dunkler Materie, wie
wiederum ruft blaue Lichtblitze hervor, Tscheren
Messungen zeigen.
kow-Licht genannt. Mehrere Teleskope, verteilt
über ein Areal, fangen dieses Licht auf. Anschlie
ßend lässt sich aus den Messdaten rekonstru
ieren, woher der Gammablitz kam und welche
Energie in ihm steckte.
erzeugt worden sein. „Stephen Hawking hat her
„Auch Teilchen der ausgefunden, dass Schwarze Löcher verdampfen
Dunklen Materie könnten können und mit der Zeit immer kleiner werden“,
erklärt Maier. „Unmittelbar am Ende ihres Lebens
Gammastrahlung könnten sie so heiß sein, dass sie Gammastrah
produzieren“ lung abgeben. Nach diesen Signalen halten wir
Ausschau.“
Gernot Maier, DESY Ebenso könnte CTA für eine weitere Kandi
datenklasse empfänglich sein – sogenannte
„Auch Teilchen der Dunklen Materie könnten WISPs (siehe Beitrag „Hightech-Experiment mit Gernot Maier leitet die
Gammastrahlung produzieren, wenn sie zerfallen gebrauchten Magneten“, Seite 26). Diese extrem CTA-Gruppe bei DESY.
oder annihilieren, sich bei einem Zusammenstoß leichten Teilchen könnten sich durch bestimmte
gegenseitig vernichten“, sagt der DESY-Physiker Eigenheiten im Energiespektrum verraten, so
Gernot Maier. „Wenn dem so ist, sollten wir in die Hoffnung. „Das können wir mit den heutigen
jenen Himmelsregionen besonders viele Gamma Teleskopen nicht erkennen“, sagt Maiers Kollegin
blitze beobachten, wo es eine Häufung von Elisa Pueschel. „Doch CTA könnte dazu womög
Dunkler Materie gibt.“ Im Verdacht steht zum Bei lich in der Lage sein.“
spiel das Zentrum unserer Galaxie. Nur: Dort ist
gammamäßig auch sonst viel Betrieb, die Signale
von Dunkler Materie sind womöglich nur schwer Ge su ch t:
zu erkennen. Primordiales
Deshalb wollen die Fachleute zusätzlich Schwarzes
auch sogenannte spheroidale Zwerggalaxien ins Loch
Visier nehmen, kleinere Begleiter unserer Milch
straße. Hier entstehen kaum neue Sterne – eine
Art galaktisches Altersheim. „Astrophysikalisch Gruppe: MACHO, Ma
ssive Compact Halo
Objects
sind sie sehr langweilig“, meint Maier. „Aber ge Masse: mega-m
assiv; im Moun
Sonnenmassenb t-Everest- bis
rade deswegen ist es aussichtsreich, dort Dunkle ereich
μeV meV ...
Materie aufzuspüren.“ Der Grund: Es funkt nur eV keV MeV GeV TeV
Bilder: ESO, L. Calçada, CC BY 4.0; DESY
wenig dazwischen. Würde man Gammablitze Wechselwirkung
sstärke: grav ita
über die Schwerk tiv, also nur
finden, würden sie mit einiger Wahrscheinlichkeit raft – sehr schw
ach
von Dunkler Materie stammen. Suchmethode: mi
t Hilfe von Teles
über den Gravita kopen
Auch andere Kandidaten könnten sich tionslinseneffe
Verschmelzung kt; bei
mit Gravitations
Gammateleskopen zeigen – etwa die Spuren lendetektoren; wel
beim Zerstrahlen
Gammatelesko mit
sogenannter primordialer Schwarzer Löcher. Sie pen.
Besondere Eigen
sind deutlich kleiner als jene Schwarzen Löcher, schaften: muss ga
früh im Universu nz
m entstanden se
die durch den Kollaps sterbender Sterne entste Einziger Kandida in.
t jenseits der We
Elementarteilch lt der
hen, und müssten unmittelbar nach dem Urknall en.
21femto 02/19 ZOOM
Bereits heute gibt es drei Gammaobservatorien ist zu 25 Prozent Anteilseigner bei CTA – und
auf der Welt – VERITAS in Arizona, MAGIC auf den damit stark in das Großprojekt involviert. „Unter
Kanaren und H.E.S.S. in Namibia. Doch während anderem kümmern wir uns um die Kamera
sie aus maximal fünf Einzelteleskopen bestehen, entwicklung für die kleinen Teleskope und die
sollen es bei CTA rund 100 sein. Die größten Entwicklung der Steuerungssoftware“, sagt
werden einen Spiegeldurchmesser von 23 Metern Stegmann. „Außerdem wird DESY in Zeuthen
besitzen, dazu kommen mittlere und kleine Teles Sitz des Science Data Management Centre sein,
kope, jeweils spezialisiert auf unterschiedliche der Neubau ist bereits in Planung.“ Und: DESY
Energiebereiche. Um den gesamten Himmel im ist federführend für den Bau der insgesamt
Auge zu haben, sind zwei Standorte geplant – ein 40 mittelgroßen Teleskope.
kleinerer auf der Kanareninsel La Palma, ein
größerer auf der Südhalbkugel in Chile, auf einer
Fläche groß wie 100 Fußballfelder. „Ich erwarte mir
„Ich erwarte mir eine Revolution unse
res Weltbilds, denn mit CTA können wir alles
eine Revolution
zehnmal besser machen als mit den bisherigen unseres Weltbilds“
Teleskopen“, sagt Christian Stegmann. Bei DESY
Christian Stegmann, DESY
ist er Direktor des neuen Bereichs Astroteilchen
physik, der Anfang 2019 gegründet wurde. DESY
Christian Stegmann ist Den Prototyp in Berlin-Adlershof hat Markus
Direktor für Astroteil- Garczarczyk vorsichtshalber wieder in die sichere
chenphysik bei DESY.
Parkposition gefahren – ein wenig lugt die Sonne
hinter den Wolken hervor. Der Physiker zeigt auf
Ge su ch t: den zwölf Meter großen Reflektor. Der erinnert
Axion an einen übergroßen Rasierspiegel. Allerdings
besteht er nicht aus einem Stück, sondern
aus Dutzenden von Einzelspiegeln, Stückpreis
2500 Euro, angeordnet in einer Bienenwaben
rticles struktur. Sie bündeln das Licht auf eine 16 Meter
Weakly Interacting Slim Pa
Gruppe: WISP, entfernte Spezialkamera. „Insgesamt werden wir
1 meV
hen 0,1 und
Masse: zwisc
TeV mehr als 4000 dieser Spiegel bauen“, sagt Gar
eV keV MeV GeV
μeV meV czarczyk. „Das ist in angemessener Zeit nur als
rschwach
gsstärke: supe
Wechselwirkun Massenproduktion zu schaffen.“
l mit ALPS II
zum Beispie Seit 2013 ist der Prototyp in Betrieb. Seitdem
Suchmethode:
bei DESY haben die Forscher gemeinsam mit internatio
nn durch die
enschaften: ka
Besondere Eig h im M agnetfeld in nalen Partnern das Teleskop für die Serienferti
und sic s
Wand gehen or isc h gar nicht al
deln. Hist gung vorbereitet, Kosten reduziert und Fehler
Gesucht: Licht verwan geda ch t, würde
erie-Teilchen
Dunkle-Mat obleme mit ausgemerzt. „Wir haben unzählige Tests mit den
Gravitino also zwei ph
ysikalische Pr
schlagen .
einer Klappe Spiegeln gemacht und verschiedene Versionen
getestet“, sagt Garczarczyk und zeigt auf einen
Lagerplatz in der Ecke: „Da liegen alte Spiegel,
die zum Teil bei den Tests kaputtgegangen sind.“
Gruppe: SUSY, Supersymmetric Particles Demnächst sollen die ersten Teleskope auf La
Masse: im GeV- bis TeV-Bereich Palma aufgebaut werden, später dann in Chile.
μeV meV eV keV MeV GeV TeV Der Großteil der Teleskope soll 2025 fertig sein –
Wechselwirkungsstärke: superschwach und dann unter anderem nach Gammaspuren
von Dunkler Materie Ausschau halten.
Suchmethode: wegen seiner schwachen
Wechselwirkung mit dem Rest des Univer
sums sehr schwer aufzuspüren. Es könnte Suche am Südpol
allerdings sehr langsam in Lichtteilchen
und Neutrinos zerfallen, was mit Gamma Eine andere Art von Teleskop findet sich an einem
teleskopen nachweisbar wäre. höchst exotischen Ort – dem Südpol. Dort lauert
Besondere Eigenschaften: supersymmetri IceCube auf Neutrinos – überaus fadenschei
sches Partnerteilchen des Gravitons
nige Geisterteilchen aus dem All, die über ferne
Gewaltprozesse Auskunft geben können. Höchst
Bild: DESY
selten stößt so ein Neutrino mit einem Atomkern
im drei Kilometer dicken Eispanzer zusammen.
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