MPIK-News - Max-Planck-Institut für Kernphysik
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Nr. 24 – Juni 2021
MPIK-News
Liebe Mitarbeiter*innen, Ehemalige und
Freund*innen des MPIK, Röntgen-Doppelblitze treiben Atomkerne an
In einem Experiment am Europäischen Der Doppelpuls steuert nun die Kerne
jetzt bin ich dran!
Synchrotron ESRF gelang erstmals die in der zweiten Probe. Der erste Puls regt
Im Januar habe ich
kohärente Kontrolle von Kernanregun- eine quantenmechanische Dynamik im
die Geschäftsfüh-
gen mit geeignet geformtem Röntgenlicht Kern an, der zweite Puls ändert diese in
rung von Thomas
mit einer zeitlichen Stabilität von wenigen Abhängigkeit von der relativen Phase der
Pfeifer übernom-
Zeptosekunden. Eine solche Kontrolle der beiden Röntgenpulse. Trifft die Welle des
men. Ich lerne
Kerndynamik verspricht zukünftig genau- zweiten Pulses beispielsweise im Takt mit
schnell und es
ere Zeitstandards und neue Möglichkeiten der Kerndynamik auf die zweite Probe, so
macht mir wirklich
auf dem Weg zu Kernbatterien. werden die Kerne weiter angeregt. So lässt
Spaß, aber ich muss
sich gezielt zwischen einer weiteren Anre-
mich bei Ihnen allen
Neue Ansätze der nuklearen Quantenop- gung der Kerne und einer Abregung der
für mein schlech-
tik bringen frischen Wind in die Kern- Kerne hin- und herschalten und damit der
tes Deutsch und meine Unwissenheit in
physik, indem sie die Unempfindlichkeit Zustand der Kerne sowohl kontrollieren
vielen Dingen entschuldigen .
gegen äußere Störungen ausnutzen und als auch rekonstruieren.
Die COVID-Pandemie ist natürlich
die extremen Skalen der Atomkerne für
immer noch ein großes Thema, aber es
besonders genaue Messungen einsetzen.
gibt Hoffnungsschimmer und ich bin
Diese Übergänge können als Taktgeber
stolz darauf, dass ich auf meinen Folien
für präzise Kernuhren dienen, wofür die
für das Kuratorium schreiben kann:
Vermessung der Kerneigenschaften mit
„Keine (bekannten) Fälle von COVID-
höchster Präzision erforderlich ist.
19-Übertragung im Institut“. Ich danke
In einem weiteren Schritt wurde nun
Ihnen allen für das Einhalten der Regeln,
die Quantendynamik der Atomkerne nicht
Ihren trotz aller Schwierigkeiten anhal-
nur vermessen, sondern auch durch geeig-
tenden Enthusiasmus und für Ihre (unter
net geformte Röntgenpulse mit bisher un-
den gegebenen Umständen) unglaubliche
erreichter zeitlicher Stabilität von wenigen
Produktivität. In diesem Jahr konnten
Zeptosekunden – das ist 100-mal besser als Röntgen-Interferenzstrukturen in Abhän-
wir schon eine Menge großartiger Wis-
alles bisher Erreichte – kontrolliert. Damit gigkeit von der Zeit und der Verstimmung
senschaft publizieren, und die Tätigkeit
wird der in der optischen Spektroskopie der beiden Proben gegeneinander. (a) Ab-
als Geschäftsführender Direktor hat mir
erfolgreich etablierte Werkzeugkasten der regung, (b) verstärkte Anregung.
noch deutlicher vor Augen geführt, welche
kohärenten Kontrolle auch für Atomkerne
entscheidende Rolle die Mitarbeiterinnen
anwendbar. Die hohe Stabilität dieses Kontrollme-
und Mitarbeiter der Infrastruktur des
Diese nutzt die Welleneigenschaften chanismus’ öffnet das Tor für zukünfti-
Instituts bei all unseren Erfolgen spielen.
von Materie zur Steuerung von Quan- ge neue Anwendungen auf der Basis von
Ich wünsche Ihnen allen einen tollen und
tenprozessen durch elektromagnetische Kernübergängen: genauere Zeitstandards,
COVID-freien Sommer!
Felder: hier konkret Röntgenlichtblitze mit Untersuchung der Variation von Funda-
Laserqualität des ESRF zur Bestrahlung mentalkonstanten oder die Suche nach
Ihr
zweier mit dem Eisen-Isotop 57Fe angerei- neuer Physik jenseits der akzeptierten
cherter Proben. Die erste Probe erzeugt Modelle.
einen steuerbaren Röntgen-Doppelpuls, Insofern zukünftige Röntgenquellen
um damit die Kerndynamik in der zweiten eine stärkere Anregung der Kerne ermög-
Prof. Dr. Jim Hinton Probe zu kontrollieren. Die untersuchten lichen würden, wären damit auch Kern-
(Geschäftsführender Direktor) Röntgen-An- und Abregungen der Kerne batterien, die ohne Kernspaltung oder
sind als Mößbauer-Übergänge durch eine -fusion große Mengen Energie in inter-
sehr hohe Energieschärfe gekennzeichnet. nen Anregungen der Kerne speichern und
In dieser Ausgabe Im Experiment wird die Probe zwi- wieder abgeben können, denkbar.
schen Anregung und Abregung schnell
Röntgen-Doppelblitze.............................. 1 um eine kleine Distanz bewegt, die etwa Kontakt: Jörg Evers, Christian Ott,
Nachglühen eines GRB............................. 2 der halben Röntgenwellenlänge entspricht. Thomas Pfeifer, Christoph H. Keitel
Extreme Reinheit...................................... 2 Hierdurch ändert sich die Flugzeit des Publikation: Coherent X-ray-optical
Kurzmeldungen.................................... 3-4 zweiten Pulses zur zweiten Probe, was die control of nuclear excitons, Nature
Einsatz gegen Corona, „Jugend forscht“ .4 Lage der Röntgenwellen (relative Phase) 590, 401 (2021), DOI: 10.1038/
Namen & Notizen..................................... 4 gegeneinander verschiebt. s41586-021-03276-x
MPIK-News Nr. 24 – Juni 2021 2
Überraschendes Nachglühen eines Gammastrahlenausbruchs
Das Nachglühen eines relativ nahen Gam- Monitor und das Swift Burst Alert Tele- die Elektronen über diese Grenze hinaus
mastrahlenausbruchs im sehr hochener- scope GRB 190829A. Die Beobachtungen beschleunigt werden.
getischen Gammalicht ähnelt zeitlich und mit H.E.S.S. begannen vier Stunden nach Nach jahrzehntelanger Suche ist nun
spektral dem im Röntgenbereich, was bis- dem Ausbruch, als die Quelle für die Te- ein Verständnis der Prozesse, die dieses
herige Modelle in Frage stellt. leskope sichtbar wurde. Das Team war in extrem energiereiche Phänomen steuern,
der Lage, den GRB von 4 bis 56 Stunden endlich in Sicht. Die GRB-Nachweise in
Gammastrahlenausbrüche (GRBs) sind nach der Explosion zu erfassen und seine den letzten Jahren lassen regelmäßige Ent-
helle, am Himmel beobachtete Röntgen- Emission sehr genau zu messen. deckungen von GRBs im VHE-Bereich
und Gammastrahlenblitze, emittiert von Eine Kombination aus der guten Emp- durch Instrumente der nächsten Genera-
weit entfernten extragalaktischen Quellen. findlichkeit des Instruments und der zu- tion erwarten.
Auf die einige Sekunden dauernden Blitze fälligen Nähe des GRB ermöglichte die
folgt eine Nachglühphase, die im Röntgen- genaue Bestimmung des Spektrums über
bereich mehrere Tage, im optischen und mehr als eine Größenordnung der Energie,
infraroten Bereich sogar Wochen oder von 0,18 bis 3,3 TeV, die einen ausgedehn-
gar Monate nachweisbar sein kann. Das ten zeitlichen Bereich von mehreren Tagen
Nachglühen im Röntgenlicht wird von be- abdeckt. Diese genauen Messungen erlaub-
schleunigten Elektronen erzeugt, die mit ten es, das intrinsische VHE-Spektrum
dem Magnetfeld der Druckwelle wech- zum ersten Mal zuverlässig zu erforschen.
selwirken und dabei Energie in Form von Es zeigten sich verblüffende Ähnlichkei- Künstlerische Darstellung eines Gamma-
Synchrotron-Photonen abstrahlen. Das ten zwischen Röntgen- und VHE-Gam- strahlenausbruchs. (Illustration: DESY)
Nachglühen von GRBs gilt aufgrund der mastrahlenemission. Dies passt nicht zur
Einfachheit der zugrundeliegenden Physik Standard-GRB-Theorie, die einen separa-
als exzellentes kosmisches Labor zur Un- ten Ursprung für die VHE-Komponente Kontakt: Edna L. Ruiz Velasco, Felix
tersuchung der Beschleunigung von Teil- annimmt. In dieser Theorie ist Synchro Aharonian, Jim Hinton
chen im Kosmos. Im Gegensatz dazu ist tron-Emission bis hin zur VHE-Gamma- Publikation: Revealing X-ray and gamma
die anfängliche Phase des Ausbruchs strahlung nicht möglich, da die Energie ray temporal and spectral similarities
extrem komplex. der Elektronen auf einen Maximalwert in the GRB 190829A afterglow, Science
Am 29. August 2019 entdeckten und begrenzt ist. Die Beobachtungen von 372, 1081 (2021), DOI: 10.1126/science.
lokalisierten der Fermi Gamma-Ray Burst H.E.S.S. lassen sich jedoch erklären, wenn abe8560
Extreme Reinheit für die Jagd nach Dunkler Materie
Am MPIK wurden einmalige Messverfah- lauben, einige wenige don-Konzentration weiter
ren entwickelt, um die enormen Reinheits- Radonatome zweifels- reduzieren kann. Am Ende
anforderungen von XENON1T und seines frei nachzuweisen. Dazu wurde ein Rekordwert von
Nachfolgers XENONnT zu erreichen. werden elektrostatische nur 4,5 Mikro-Becquerel
Radon-Monitore sowie pro Kilogramm Xenon
Schon allerkleinste Mengen des radioak- miniaturisierte hochrei- erreicht. Das ist die nied-
tiven Edelgases Radon stellen eine Haupt- ne Proportionalzählrohre rigste je erreichte Radon-
störquelle bei der Suche nach Dunkler aus Quarz verwendet, die Konzentration in einem
Materie mit flüssigem Xenon dar. Deshalb in unserer Glasbläserei Dunkle-Materie-Experi-
muss die Radon-Konzentrationen in in Handarbeit hergestellt ment mit Xenon.
Xenon etwa 1 Million mal geringer sein werden. Von besonderer Die Methoden zum Ra-
als die in typischer Umgebungsluft. Radon Bedeutung ist hier auch die don-Nachweis und zur Ra-
kann in den Detektor hinein diffundie- einmalige am MPIK entwi- Ein miniaturisiertes Pro- don-Vermeidung werden
ren, und seine radioaktiven Zerfälle sind ckelte automatisierte Ema- portionalzählrohr für permanent weiter verbes-
nicht von den schwachen Spuren zu un- nationsanlage (Auto-Ema), hochempfindliche Radon- sert, so dass das gerade
terscheiden, die Dunkle Materie-Teilchen die es erlaubt, viele Proben Emanationsmessungen. angelaufene Nachfolge-Ex-
im Detektor hinterlassen würden. Bei so parallel vollautomatisiert periment XENONnT eine
enormen Reinheitsanforderungen ist zu zu prozessieren. Erst damit ist der hohe noch höhere Radon-Reinheit erreichen
beachten, dass auch die Konstruktions- Durchsatz an Proben mit höchster Mess wird. Denn größere Experimente können
materialien des Detektors selbst Radon empfindlichkeit möglich, der für einen nur dann sensitiver für die Dunkle-Ma-
in allerkleinsten Mengen abgeben. Diese Detektor wie XENON1T erforderlich ist. terie-Suche sein, wenn die Störstrahlung
Radon-Emanation der Detektormateria- Kürzlich hat die XENON-Kollaborati- weiter reduziert wird.
lien ist sogar dominant. Sie lässt sich nur on die Details zu den Radon-Emanations-
bekämpfen, indem man die Materialien messungen veröffentlicht. Dort wird auch Kontakt: Hardy Simgen, Natascha Rupp,
vor der Benutzung prüft und sorgfältig se- gezeigt, wie die verbleibenden Radonquel- Manfred Lindner
len im Detektor verteilt sind und wie man Publikation: Rn emanation measure-
222
lektiert. Dazu wiederum sind extrem emp-
findliche Radon-Messverfahren nötig. durch gezielten Austausch von schmut- ments for the XENON1T experiment,
Das MPIK ist führend bei der Ent- zigen Komponenten in Kombination mit Eur. Phys. J. C 81, 337 (2021), DOI:
wicklung solcher Verfahren, die es er- permanenter Xenon-Reinigung die Ra- 10.1140/epjc/s10052-020-08777-z
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+ + + Kurzmeldungen + + +
Lichtschwingung ändert. Zur gleichzeitigen Messung der zeitli-
Nicht schneller als die Galaxis erlaubt chen (Wellenform) und spektralen (Frequenz) Signatur des La-
Eine lange bestehende Diskrepanz zwischen den gemessenen Ge- serpulses kommt eine Pump-Probe-Anordnung mit zwei zeitlich
schwindigkeiten interstellarer Sauerstoffatome und anderer Ele- versetzten Laserpulsen zum Einsatz. Diese werden auf ein dichtes
mente in unserer Galaxie ist behoben: Ein Unterschied von 380 Neongas fokussiert und dahinter hinsichtlich ihrer Frequenz bzw.
km/s, den astrophysikalische Messungen der Röntgenabsorption Photonenenergie analysiert. Der erste Puls („Pump“) ionisiert ef-
durch Sauerstoffatome ergaben. Bei solchen Geschwindigkeiten fizient das Target, so dass sich rasch bis zu 70% zweifach geladene
könnte sich ein wesentlicher Teil dieses wichtigen Elements im Ne2+-Ionen anreichern. Diese sind für die eingesetzte XUV-Strah-
Prinzip von der galaktischen Scheibe verflüchtigen. Messungen lung nahezu transparent, während neutrales und einfach gelade-
mit der PolarX-EBIT am BESSY-II-Synchrotron ergaben, dass die nes Neon noch recht stark absorbieren. Dieses Plasmatarget wirkt
Energiewerte der Absorptionslinien von molekularem Sauerstoff somit wie ein ultraschneller Schalter für die Transmissionseigen-
um fast ein Promille falsch lagen. Der neue Wert impliziert eine schaften: Vom zweiten Puls („Probe“) werden dann – abhängig
„Abbremsung“ des atomaren Sauerstoffs im interstellaren Raum vom zeitlichen Versatz – nur die Anteile der Wellenform durchge-
um 250 km/s, wodurch dieses Element dann in den „zulässigen“ lassen, welche das ionisierte transparente Medium vorfinden; die
und typischen Bereich von etwa 100 km/s zurückfällt. Wellenform wird also mit einem zeitlichen Messer abgeschnitten.
Kontakt: José Crespo, Sven Bernitt, Steffen Kühn Kontakt: Christian Ott, Thomas Ding, Thomas Pfeifer
Meldung vom 14.12.2020 Meldung vom 28.01.2021
Grenzen von Atomkernen vorhergesagt Sehr dichter Gammastrahlenpuls
Mit Hilfe innovativer theoretischer Methoden gelang es, die Ein neuartiges theoretisches Konzept zeigt, dass ein gepulster, ul-
Grenzen von Atomkernen bis zu mittelschweren Kernen zu be- trarelativistischer Elektronenstrahl, der eine Reihe von dünnen
rechnen. Die Ergebnisse sind eine Fundgrube an Informationen Aluminiumfolien durchquert, sich sowohl selbst fokussiert und
über mögliche neue Isotope. Frühere Untersuchungen des extrem damit seine Dichte erhöht, als auch effizient einen gebündel-
neutronenreichen Bereichs der Kernlandschaft nutzten dafür die ten Gammastrahlenpuls mit mehr Photonen pro Volumenein-
Dichtefunktionaltheorie. Die neue Studie basiert dagegen auf der heit erzeugt als Elektronen in einem Festkörper. Dies geschieht
ab-initio Kerntheorie. Ausgehend von mikroskopischen Zwei- dadurch, dass die starken elektrischen und magnetischen Felder,
und Drei-Teilchen-Wechselwirkungen, basierend auf der starken die den ultrarelativistischen Elekt-
Wechselwirkung, der Quantenchromodynamik, lösten die For- ronenstrahl begleiten, „zurück re-
scher die Vielteilchen-Schrödinger-Gleichung, um die Eigen- flektiert“ werden, wenn der Strahl
schaften von Atomkernen von Helium bis Eisen zu simulieren. die Folienoberfläche durchquert.
Kontakt: Achim Schwenk Das reflektierte Magnetfeld ist
Meldung vom 13.01.2021 nahezu gleich dem Magnetfeld
des Strahls, während das reflek-
tierte elektrische Feld die gleiche
BASE sucht nach kalter dunkler Materie Amplitude aber die entgegenge-
Das Baryon-Antibaryon-Symmetrie-Experiment (BASE) am An- setzte Richtung hat wie das des
tiprotonen-Entschleuniger des CERN hat neue Grenzen für die Elektronenstrahls. An der Foli-
Masse von Axion-ähnlichen Teilchen – hypothetischen Teilchen, enoberfläche ist daher das gesamte
die Kandidaten für dunkle elektrische Feld nahezu Null, das Dichte des erzeugten
Materie sind – festgelegt gesamte magnetische Feld hin- Gammastrahlenpulses.
und eingeschränkt, wie gegen nahezu verdoppelt. Dieses
leicht sie sich in Photonen, starke azimutale Magnetfeld fokussiert den Elektronenstrahl
die Teilchen des Lichts, ver- radial und löst folglich eine gebündelte hochenergetische Photo-
wandeln können. Dies ist nenemission aus.
besonders bemerkenswert, Kontakt: Matteo Tamburini
da BASE nicht für solche Meldung vom 12.02.2021
Blick von oben auf das BASE-Ex- Untersuchungen konzi-
periment. (© BASE-Kollaboration/ piert wurde. Das Ergebnis
CERN) des Experiments beschreibt Können Sternhaufen „PeVatrons” sein?
diese bahnbrechende HAWC hat kosmische Gammastrahlung mit Energien bis zu min-
Methode und eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten für die destens 200 Teraelektronenvolt (TeV, 1012 eV) aus der Richtung des
Suche nach kalter dunkler Materie. „Cygnus-Kokons“ nachgewiesen. Das ist eine Superblase, die den
Kontakt: Klaus Blaum Geburtsort massereicher Sterne umgibt. Diese Gammastrahlen
Meldung vom 25.01 2021 könnten von kosmischer Strahlung im Bereich von Petaelektro-
nenvolt (PeV, 1015 eV) erzeugt werden. In der im Kokon befind-
lichen Sternentstehungsregion werden Teilchen auf PeV-Energien
Extrem hochfrequentes Zwitschern beschleunigt. Diese kosmische Strahlung wechselwirkt mit dem
In einem neuen Verfahren vermag ein ultraschneller Plasma- Gas in der Region und erzeugt so die beobachtete Gammastrah-
schalter Teile hochfrequenter Lichtblitze zeitlich abzuschneiden. lung. Die Energieverteilung und der Ort der Gammastrahlen sind
Im Fokus steht hierbei der „Chirp“ (engl. „Zwitschern“) eines bei GeV- und TeV-Energien unterschiedlich, was darauf hindeu-
Laserpulses, in dessen zeitlichem Verlauf sich die Frequenz der tet, dass die Teilchen im Kokon bei verschiedenen Energien un-
MPIK-News Nr. 24 – Juni 2021 4
+ + + Kurzmeldungen + + +
terschiedlich transportiert mulationen ableiten konnte. Die gefundene schnelle Verstärkung
wurden. Diese Beobach- übertrifft die theoretischen Erwartungen und könnte helfen, den
tungen liefern neue Hin- Ursprung der heutigen großräumigen Felder zu erklären, die in
weise zur Entstehung und Galaxienhaufen beobachtet werden.
Entwicklung der kosmi- Kontakt: Brian Reville
schen Strahlung und über Meldung vom 16.03.2021
die frühere Aktivität in
der Superblase. Sie zeigen
auch zum ersten Mal, dass Gammapy für CTA ausgewählt
kosmische Strahlung im Infrarot-Karte der Kokon-Region Die Analyse von Beobachtungsdaten in der Gammastrahlenas-
PeV-Bereich in der Umge- (Spitzer MIPS) überlagert mit der tronomie erfordert spezielle Analysemethoden und Software,
bung massereicher Sterne Gammastrahlenkarte von HAWC. um die höchstmögliche Empfindlichkeit vor dem Hintergrund-
erzeugt wird. rauschen der geladenen kosmischen Strahlung zu erreichen. Im
Kontakt: Harm Schoorlemmer letzten Jahrzehnt hat sich die Programmiersprache Python als
Meldung vom 12.03.2021 neuer Standard in der Analyse wissenschaftlicher Daten etabliert.
Initiiert vom MPIK startete 2012 ein Open-Source-Python-Paket
für die Analyse von Gammastrahlendaten namens Gammapy.
Turbulentem Dynamo zugeschaut Es wurde als Prototyp für eine zukünftige CTA-Analysesoftware
Erstmals haben Experimente im Labor den zeitlichen Verlauf der entwickelt, aber auch im Hinblick auf eine gemeinsame Nutzung
Verstärkung von Magnetfeldern durch den turbulenten Dynamo von verschiedenen Gruppen in der Gammastrahlenastronomie
erfassen können, den physikalischen Mechanismus, der vermut- und wird bereits z. B. bei H.E.S.S. genutzt. Mit einer gemeinsamen
lich für die Erzeugung und Aufrechterhaltung astrophysikali- Analysesoftware ist es außerdem möglich, die Daten von meh-
scher Magnetfelder verantwortlich ist. Die Experimente fanden reren Instrumenten für insgesamt präzisere Messungen zu kom-
unter Bedingungen statt, die den meisten Plasmen im Univer- binieren. Von CTA wurde Gammapy nun offiziell als „Science
sum entsprechen, und quantifizierten die Geschwindigkeit, mit Tools“ angenommen.
der der turbulente Dynamo Magnetfelder verstärkt − was man Kontakt: Jim Hinton, Axel Donath
bisher nur aus theoretischen Vorhersagen und numerischen Si- Meldung vom 02.06.2021
Einsatz gegen Corona „Jugend forscht“
Lobenswerterweise hat sich Beim diesjährigen vir-
Hannes Bonet aus der Abtei- tuellen Bundesfinale
lung Lindner freiwillig für einen von „Jugend forscht“ hat
Corona-Einsatz gemeldet. Als Klaus Blaum in seiner
Reservist der Bundeswehr un- Eigenschaft als MPG-
terstützt er im Juni vorbildhaft Vizepräsident die Sieger-
das Zentrale Impfzentrum Hei- ehrung im Fach Physik
delberg, wo er hauptsächlich im vorgenommen. Die Ver-
Check-In, Check-Out oder der anstaltung war am 30.05.
Patienten-Registrierung tätig ist live im Internet zu sehen.
und sich bei teils sehr fordernden In den Tagen davor haben
Aufgaben in einem ausgezeich- die Jugendlichen ihre For-
Hannes Bonet beim Einsatz. net funktionierenden Team für schungsprojekte online Logo des Wettbewerbs 2021.
das Gemeinwohl einsetzt. präsentiert.
Namen & Notizen
Karriere Preise und Ehrungen
Florian Goertz: Verlängerung der Förderung seiner Achim Schwenk: Advanced Grant des Europäischen
selbstständigen Gruppe um 2 Jahre bis 31.01.2024 Forschungsrats (ERC)
José R. Crespo López-Urrutia: außerplanmäßiger Professor an Jonas Karthein: Wilhelm und Else Heraeus-Dissertationspreis
der Universität Heidelberg 2020 für Physik und Astronomie
Stefan Dickopf: Otto-Haxel-Preis der Fakultät für Physik und
Astronomie für die beste experimentelle Masterarbeit
Impressum
Herausgeber: Max-Planck-Institut für Kernphysik, Saupfercheckweg 1, 69117 Heidelberg · info@mpi-hd.mpg.de
Redaktion: Dr. Bernold Feuerstein, Dr. Gertrud Hönes
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