Der Julius Wess-Preis 2013 wurde Takaaki Kajita (ICRR Tokio) für seine herausragenden Verdienste in der Neutrinophysik, insbesondere für die Entdeckung der Neutrinooszillationen mit dem Super-Kamiokande-Detektor verliehen. Takaaki Kajita erforscht seit über 25 Jahren Neutrinos mit dem Kamiokande und später dem Super-Kamiokande Detektor. 1988 entdeckte er und sein Team das Defizit in atmosphärischen Muon-Neutrinos, das später mit Neutrinooszillationen erklärt werden konnte. Ab 1996 leitete er die Untersuchungen von atmosphärischen Neutrinos. Die Entdeckung der Neutrinooszillationen hatte bahnbrechende Auswirkungen auf das Verständnis von Neutrinos, die bis dahin als masselos angenommen wurden. Die Oszillationen waren erste Hinweise, dass Neutrinos eine Masse, wenn auch eine sehr kleine, haben müssen.

KCETA verleiht in regelmäßiger Folge den Julius Wess-Preis für herausragende experimentelle oder theoretische wissenschaftliche Leistungen. Der Preis erinnert an Professor Dr. Julius Wess, der sich während seiner zwanzigjährigen Tätigkeit am Karlsruher Institut für Technologie unermüdlich für die theoretische und experimentelle Elementarteilchenphysik eingesetzt und während dieser Zeit Arbeiten von international herausragender Bedeutung veröffentlicht hat. Feldtheoretische Begriffe wie die Wess-Zumino-Wirkung oder die Formulierung der ersten supersymmetrischen Quantenfeldtheorie, des Wess-Zumino Modells, werden für immer mit seinem Namen verbunden bleiben.

Die Verleihung des Preises fand am 19. Dezember 2013 statt. Den Festvortrag zu Ergebnissen des Neutrino-Experiments IceCube hielt Christian Spiering (DESY). Ulrich Nierste gab die Laudatio. Beeindruckend war der Vortrag des Preisträgers selbst über die Entwicklung der Arbeiten an den Kamiokande Detektoren und der spannenden Geschichte der Entdeckung der Neutrinooszillationen, die mit einem Zufall begann und in der Ausdauer und Geduld mit Erfolg gekrönt wurden.

Pressemitteilung: KCETA ∂ KIT, IPMU

Das renommierte britische Wissenschaftsmagazin Physics World hat die Entdeckung der ersten hochenergetischen kosmischen Neutrinos durch die IceCube-Kollaboration zum größten wissenschaftlichen Durchbruch 2013 gekürt.

Den IceCube-Wissenschaftlern gelang es, mit ihrem einen Kubikkilometer großen Detektor am Südpol zwischen Mai 2010 und Mai 2012 insgesamt 28 Neutrinos mit Energien oberhalb von 30 Tera-Elektronenvolt (TeV) einzufangen, zwei davon mit einer Energie von mehr als 1 000 TeV. Erst vor einigen Wochen veröffentlichte die Forschergruppe diesen allerersten Nachweis höchstenergetischer astrophysikalischer Neutrinos im Fachjournal Science. Dieser Erfolg wurde jetzt von Physics World prämiert.

„Die Möglichkeit, kosmische Neutrinos nachzuweisen, ist ein bemerkenswerter wissenschaftlicher Fortschritt, der Astronomen völlig neue Wege zur Erforschung des Kosmos bietet", begründet Hamish Johnston, Redakteur von physicsworld.com, die Wahl der Journalisten. „Die Juroren der diesjährigen Auszeichnung waren aber ebenso beeindruckt von der Leistung der IceCube-Kollaboration, einen so riesigen und hochempfindlichen Detektor in einer derart abgelegenen und unwirtlichen Umgebung wie der Antarktis zu errichten und zu betreiben."

IceCube besteht aus insgesamt 5 160 lichtempfindlichen Nachweisgeräten, sogenannten Digitalen Optischen Modulen, die, an 86 Stahltrossen in bis zu 2,5 Kilometer Tiefe ins Eis eingeschmolzen, einen ganzen Kubikkilometer antarktisches Eis ausspähen. Sie vermessen die schwachen Lichtblitze, die eine äußerst seltene Kollision von Neutrinos mit dem antarktischen Eis erzeugt. Ziel des Experiments ist es, die fast masselosen Neutrinos als einzigartige Botenteilchen zu nutzen, um energiereiche Ereignisse im Weltall, wie etwa Supernovaexplosionen oder andere kosmische Teilchenbeschleuniger, aufzuspüren. Nach insgesamt sieben Jahren Bauzeit nimmt der Riesendetektor seit Ende 2010 in voller Größe seine Daten.

Das internationale IceCube-Team besteht aus rund 275 Wissenschaftlern aus elf Ländern. Aus Deutschland sind neben DESY neun Hochschulen beteiligt. Die deutschen Partner entwickelten und bauten nicht nur einen großen Teil der optischen Module und der Messelektronik für IceCube, auch bei der Datenanalyse selbst zählten sie zu den ersten, die auf diese höchstenergetischen Teilchen stießen. So analysierten zwei junge Promoventen in Aachen und Zeuthen für ihre Doktorarbeiten Daten des erst partiell installierten IceCube-Detektors und stießen hier auf die ersten Anzeichen eines Überschusses an hochenergetischen Neutrinos. Eine der beiden war Anne Schukraft, die für diese Analysen den Hertha-Sponer-Preis 2014 von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft verliehen bekommt.

Seit 2011 sind die deutschen Astroteilchenphysiker in der Helmholtz-Allianz für Astroteilchenphysik vereint und widmen sich mit vereinten Kräften dem jungen Forschungsfeld an den Schnittstellen zwischen Astrophysik, Teilchenphysik, Astronomie und Kosmologie. Neben anderen astrophysikalischen Experimenten planen sie auch die Erweiterung ihres Eiswürfels: mit PINGU, einer Verdichtung der optischen Module im zentralen IceCube-Bereich, wollen die Wissenschaftler die Messempfindlichkeit für niedrige Neutrino-Energien erhöhen und Neutrino-Oszillationen messen. Und eine weitere Idee sieht die Vergrößerung des aktuellen Detektors um etwa 100 weitere DOM-Trossen vor, die, in einem weiten Gitter um IceCube angeordnet, den Detektor noch erheblich empfindlicher für jene höchstenergetischen Teilchen machen, die den IceCube-Forschern gerade den „Breakthrough of the Year 2013" eingebracht haben.

Pressemitteilung : DESY
Mehr Pressemitteilungen: Helmholtz Association, IceCube/Uni Madison.

In einer der Episoden der beliebten Kindersendung "Sesamstraße" debattieren die Protagonisten Ernie und Bert aufgeregt den Verbleib von Ernies tiefgefrorenen Eiswürfeln (engl. "ice cubes"), die auf wundersame Weise verschwunden sind. Die Autoren dürften nicht im Traum auf den Gedanken gekommen sein, dass gut vierzig Jahre später die Mitglieder eines 270-Millionen-Dollar-Projekts namens IceCube das wundersame Erscheinen zweier Ereignisse debattieren sollten, und dass zu allem Überfluss ein einfallsreicher Doktorand die beiden Ereignisse auf die Namen Ernie und Bert taufen würde. Schon gar nicht hätten die Filmemacher sich vorstellen können, dass diese Ereignisse wohlmöglich die Vorboten einer neuen Art von Astronomie sind: der Erforschung des Kosmos mit hochenergetischen Neutrinos.

IceCube ist ein Neutrinoteleskop, das im tiefen antarktischen Eis über dem Südpol installiert ist. Der Detektor besteht aus 86 Trossen, jede bestückt mit 60 Lichtsensoren. Die Sensoren registrieren die winzigen Lichtblitze, die bei den äußerst seltenen Reaktionen von Neutrinos erzeugt werden. IceCube wurde gebaut, um jene Neutrinos nachweisen, die von weit außerhalb unseres Sonnensystems kommen und die uns erklären können, welche Quellen für die Erzeugung der kosmischen Strahlung verantwortlich sind. Diese Strahlung besteht aus Kernteilchen, die es bis auf das 100-Millionenfache der Energie eines Teilchens im Large Hadron Collider in Genf bringen!

Der Aufbau von IceCube begann im Dezember 2004 und wurde im Dezember 2010 abgeschlossen. Allerdings wurden schon vor dem Bauabschluss Daten genommen, und zwar mit den Trossen, die bis zu dem jeweiligen Zeitpunkt schon installiert waren

Das ultimative Ziel von IceCube ist der Nachweis einzelner Quellen von hochenergetischen Neutrinos aus den Weiten des Kosmos. Das sind nicht jene Neutrinos, die beim Aufprall kosmischer Strahlen auf die Erdatmosphäre erzeugt wurden. Von diesen „atmoshärischen Neutrinos“ hat IceCube schon mehr als Hundertausend registriert. Interessanter für IceCube sind extraterrestrische Neutrinos, die uns von weit entfernten Objekten erreichen, wie z.B. den abgesprengten Hüllen explodierter Sterne oder aus der Umgebung schwarzer Löcher. Ein Neutrinosignal würde den unumstößlichen Beweis erbringen, dass das entsprechende Objekt zu den Quellen der kosmischen Strahlung gehört.

IceCube und sein Vorläuferprojekt AMANDA haben in den letzten 12 Jahren die Empfindlichkeit für hochenergetische Neutrinos um einen bemerkenswerten Faktor 1 000 verbessert. Trotzdem konnten die Wissenschaftler noch keine einzige individuelle Neutrinoquelle dingfest machen. Neutrinos von solchen „Punktquellen“ würden als eine Anhäufung von Neutrinoereignissen aus einer bestimmten Himmelsrichtung erscheinen. Statt dessen haben die IceCube-Forscher allmählich immer überzeugendere Hinweise angehäuft, dass es einen winzigen Überschuss von Ereignissen bei den allerhöchsten Energien gibt, einen Überschuss, der nicht in einer bestimmten Richtung liegt sondern halbwegs gleichmäßig („diffus“) über den Himmel verteilt ist.

Hochenergie-Ereignisse jenseits der Erwartungen für atmosphärische Neutrinos wurden schon in den Daten gefunden, die mit den Teilinstallationen aus 40 Trossen bzw. 59 Trossen genommen worden waren. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich dabei um statistische Ausreißer handelt, betrug jedoch immerhin noch einige Prozent. Anne Schukraft, Doktorandin an der RWTH Aachen legte als erste eine Analyse vor, die zu der Andeutung eines Überschusses führte. Der nächste war Eike Middell vom DESY in Zeuthen, der zusammen mit seiner Mitdoktorandin Stefanie Hickfort aus Neuseeland einen noch etwas stärkeren Effekt aus den Daten herauspräparierte.

Die zwei PeV Ereignisse beobachtet von IceCube. Jede Kugel stellt ein optisches Modul. Farben repräsentieren die Ankunftszeiten der Photonen, rot für frühen und blau für späten Zeiten. Die Größe der Kugeln ist ein Maß für die Anzahl der aufgenommenen Fotoelektronen. (Quelle: IceCube-Collaboration)

Der erste klare Schritt wurde jedoch mit einer Analyse der Daten gemacht, die in den Jahren 2010 und 2011 mit 79 bzw. 86 Trossen genommen wurden¹⁾. Diese Analyse konzentrierte sich auf Energien größer als ~500 TeV und förderte zwei Ereignisse mit PeV-Energien zutage (1 PeV = 10³ TeV = 10⁶ GeV): "Ernie" und "Bert" (siehe Abbildung). Ernie und Bert liegen 2.8 Standardabweichungen (2.8σ) über der Erwartung für atmosphärische Neutrino (nur noch etwa 1% Zufallswahrscheinlichkeit). Das ist immer noch keine „richtige“ Entdeckung, aber war immerhin Grund für so etwas wie einen erhöhten Adrenalinspiegel innerhalb der IceCube-Kollaboration.

Die IceCube-Forscher beließen es nicht bei erhöhten Pulswerten. Motiviert durch Ernie und Bert, die durch japanische Physiker gefunden wurden, führten Kollegen in Madison/USA eine Analyse derselben Daten durch, diesmal allerdings unter Einschluss niedrigerer Energien bis hinab zu einigen -zig TeV. Resultate dieser Analyse wurden am 14. Mai 2013 auf einer Konferenz in Madison vorgestellt und jetzt in der Zeitschrift Science publiziert²⁾. Die Analyse liefert 28 Ereignisse mit Energien zwischen ~30 TeV bis 1.14 PeV. "Ernie" und "Bert" halten stoisch ihre Energie-Spitzenposition. Aber auch die Ereignisse bei etwas niedrigeren Energien (~30 TeV bis ~250 TeV) können schwerlich durch atmosphärische Neutrinos erklärt werden, oder etwa durch andere Teilchen, die sich unbemerkt von oben in den Detektor stehlen und Neutrinoreaktionen vortäuschen. Der Anteil solcher „trivialen“ Beiträge zu den 28 Ereignissen wird auf nur 11 abgeschätzt.

Mit einer statistischen Signifikanz von 4.1 Standardabweichungen (4.1σ) liegt der Überschuss, der in der Science-Veröffentlichung vorgestellt wird, noch etwas unter der für viele Forscher magischen Marke von 5σ (Zufallswahrscheinlichkeit 0.00005%). Zudem kann man nicht ausschließen, dass der Beitrag vom Zerfall von sogenannten Charmteilchen aus Teilchenreaktionen in der Atmosphäre etwas höher ist, als die Theorie behauptet. Dann blieben weniger als 28-11 Ereignisse für einen extraterrestrischen Anteil übrig, d.h. man hätte diesen Anteil gegenwärtig etwas überschätzt. Zum Glück hat die IceCube-Kollaboration aber schon neue Daten ausgewertet, die noch nicht in die Science-Publikation eingeflossen sind. Zum Beispiel haben Ernie und Bert inzwischen einen dritten super-energetischen Gefährten bekommen, dem der Name „BigBird“ gegeben wurde. Der Zuwachs an Daten geht Hand in Hand mit einem immer besseren Verständnis des Detektors. Darum zweifeln die IceCube-Physiker nicht daran, dass sie bald den „Fall der 5σ-Mauer" verkünden können.

Alles in allem: IceCube ist gerade dabei, ein neues Beobachtungsfenster zum Kosmos zu öffnen – 40 Jahre nachdem der erste riesige Neutrinodetektor ernsthaft diskutiert wurde³⁾. Während vor einigen Monaten noch niemand ernsthaft daran dachte, die Korken knallen zu lassen, holen die IceCube-Forscher inzwischen schon einmal den Sekt aus dem Kühlschrank!

Christian Spiering, DESY

Nach der Unterzeichnung des Gründungsdokuments des GNN. Von links nach rechts: Christian Spiering (DESY, Zeuthen), Maarten de Jong (Nikhef, Amsterdam), Tyce deYoung (PennState Univ., University College), Zhan-Arys Dzhilkibaev (INR, Moscow), Juan-José Hernandez-Rey (Univ. Valencia), Paschal Coyle (CPPM, Marseille), Olga Botner (Univ. Uppsala), Uli Katz (Univ. Erlangen).
(Foto: Universität München)

Schon seit etlichen Jahren gibt es die Idee, die großen Neutrino-Teleskope stärker aneinander zu koppeln. Diese Teleskope befinden sich in tiefen, offenen Gewässern oder in tiefem Eis und weisen mit hunderten oder gar tausenden Lichtsensoren die schwachen Lichtblitze nach, die bei den seltenen Reaktionen von Neutrinos entstehen. Gegenwärtig gibt es drei solcher Teleskope: das relativ kleine Neutrino-Teleskop NT200 im sibirischen Baikalsee, das Teleskop ANTARES im Mittelmeer vor der französischen Küste, und das riesige IceCube Teleskop am Südpol, das kürzlich den Nachweis extraterrestrischer Neutrinos höchster Energie vermelden konnte (HAP News: IceCube: Licht am Ende des Tunnels). Die Forscher im Mittelmeer planen einen Detektor von der drei- bis vierfachen Größe von IceCube („KM3NeT“), die im Baikalsee einen von ähnlicher Größe („GVD“). Auch IceCube diskutiert eine Erweiterung des bestehenden Detektors.

Am 15. Oktober dieses Jahres haben nun schließlich Vertreter der Kollaborationen ANTARES, BAIKAL, IceCube und KM3NeT ein Gründungsdokument für ein Globales Neutrino Netzwerk (GNN) unterzeichnet. Die Unterzeichnung (siehe Bild) fand im Rahmen des Jahrestreffens der vier Kollaborationen, dieses Jahr in München, statt.

Das Ziel des GNN ist eine engere Zusammenarbeit und eine weltweit koordinierte Strategie der unterschiedlichen Projekte sowie die Nutzung der resultierenden Synergie-Effekte. GNN wird es erlauben, die schon gegenwärtig durchgeführten Meetings noch besser zu nutzen: das jährliche MANTS-Meeting (MANTS steht für Mediterranean-Antarctic Neutrino Telescope Symposium) und des alle zwei Jahre stattfindenden VLVNT Workshops (für „Very Large Volume Neutrino Telescopes”). Weitere Ziele des GNN sind die Koordination für Alarm-Strategien (z.B. die schnelle Benachrichtigung von Astronomen, wenn die Neutrinoteleskope irgendetwas Interessantes bemerken), der Austausch und die gegenseitige Erprobung von Software, die Erstellung eines gemeinsamen Softwarepools, die Gründung eines gemeinsamen Dokumenten-Archivs, die Entwicklung von Standards für die Darstellung von Daten, der kritische Vergleich von Ergebnissen der unterschiedlichen Detektoren mit ihren jeweiligen spezifischen Fehlermöglichkeiten, die Organisation von Doktoranden-Schulen, der Austausch von Expertenwissen z.B. durch gegenseitige Arbeitsbesuche von Wissenschaftlern und Ingenieuren oder durch die Bildung von ad-hoc-Gremien von Mitgliedern der vier teilnehmenden Kollaborationen.

Beflügelt wurde die Gründung des GNN durch den kürzlich erbrachten Nachweis von extraterrestrischen Neutrinos durch das IceCube-Experiment. Diese Entdeckung hat KM3NeT und GVD darin bestärkt, ihre Kräfte auf einen ersten nördlichen Kubikkilometer-Detektor zu konzentrieren und noch nachdrücklicher eine angemessene Förderung zu beantragen.

Sobald die nördlichen Projekte eine vergleichbare Größe wie IceCube erreicht haben werden, könnte das GNN sich zu einem noch formaleren Zusammenschluss entwickeln, einem Global Neutrino Observatory (GNO).

Das amerikanische LUX Experiment hat am 30.10. in einer Pressekonferenz die Ergebnisse einer ersten Messphase veroeffentlicht. Mit 100kg an hochreinem fluessigem Xenon konnte schon nach nur vier Monaten Messzeit die Sensitivitaet im Vergleich zu den bisher besten Ergebnissen um einen Faktor drei verbessert werden.

The LUX WIMP signal region: Events in the 118 kg ducial volume during the 85.3 live-day exposure are shown. The x-axis corresponds to the number of scintillation photo-electron (phe) corrected for different location in the tank, while the y-axis is the logarithm of the ratio of ionization to scintillation signal. Vertical dashed cyan lines show the 2-30 phe range used for the signal estimation analysis. (Bild: LUX-Kollaboration)

Waehrend man aufgrund der Targetmasse mit der Verbesserung der Sensitivitaet durch LUX rechnen konnte, besticht an den Daten welche hervorragende Untergrundreduktion erzielt wurde und wie gut die Performance des LUX Detektors auch bei niedrigen Energien ist. Dadurch konnten auch die Evidenzen bei niedrigen WIMP-Massen weitgehend ausgeschlossen werden. So sollte z.B. die DAMA-Evidenz unabhaengig von den Unsicherheiten in den astrophysikalischen Parametern und von der Frage ob die Wechselwrikung nur an Kernen oder auch an den Huellenelektronen stattfindet sich im LUX Experiment mit mindestens 1000 Ereignissen gezeigt haben. Selbst ohne Untescheidung von Kernrueckstoessen hat LUX lediglich 160 Ereignisse gemessen. Aehnliches gilt fuer die anderen 'LOw Mass WImp Evidenzen'.

Dass so ein tolles Ergebniss nach nur viermonatiger Messzeit erreicht werden konnte, laesst fuer die nahe Zukunft weitere Verbesserungen erwarten. Wenn die Dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden schweren Teilchen (im Massebereich bis einige hundert GeV) besteht, so muss sie sich in den Experimenten in den naechsten Jahren zeigen.

Am 17. Oktober 2013 wurde in Siegen das "Center for Particle Physics Siegen" (CPPS, Zentrum für Teilchenphysik Siegen) feierlich eröffnet. Das Zentrum ist das erste von der Fakultät IV der Universität Siegen gegründete Zentrum und bündelt die Aktivitäten, die im Bereich Teilchenphysik an der Universität Siegen durchgeführt werden. Zum Gründungsvorstand des CPPS gehören mit Prof. Peter Buchholz und Prof. Markus Risse auch zwei Mitglieder der Helmholtz-Allianz für Astroteilchenphysik.

Eine Besonderheit des Zentrums ist, daß der Anteil von experimenteller und theoretischer Physik nahezu gleichstark ist. Der Gründungsvorstand des CPPS besteht aus neun Wissenschaftlern, vier aus der experimentellen und fünf aus der theoretischen Teilchenphysik.

In der experimentellen Teilchenphysik wird mit erdgebundenen und kosmischen Teilchenbeschleunigern geforscht. Dazu gehört die Entwicklung der Detektoren, sowie die Auswertung und physikalische Interpretation der Daten. Ein Schwerpunkt ist die Astroteilchenphysik mit der Siegener Beteiligung am Pierre Auger-Observatorium, das in Argentinien die Eigenschaften der höchstenergetischen kosmischen Strahlung untersucht. In der theoretischen Physik wird insbesondere in der Flavourphysik und in der Quantenchromodynamik geforscht. Hier beschäftigt man sich mit den Eigenschaften der schwersten Quarks, also Bausteinen des Protons und anderer Hadronen.

Weitere wichtige Ziele des Zentrums sind eine Verstärkung der Ausbildung der Studierenden und Graduierten, sowie die Förderung des wissenschaftlichen Austausches durch die Einrichtung eines Forschungsseminars und die vermehrte Einladung auswärtiger Wissenschaftler für langfristige Aufenthalte am Zentrum.

Die Eröffungsveranstaltung beinhaltete einen Vortrag über die 40jährige Geschichte der Teilchenphysik in Siegen von Prof. Claus Grupen und den Festvortrag von Prof. Norbert Wermes (Universität Bonn), "Discovering with sophisticated experimentation - the Higgs as an example“. Prof. Ivor Fleck stellte als Vorsitzender die Mitglieder sowie die Forschungsschwerpunkte des CPPS vor.

(Alle Abb.: HAP Outreach Team)

Mehr als 30.000 Besucher kamen zum Wissenschaftsfestival "Highlights der Physik 2013", das in der Wuppertaler Innenstadt stattfand. Es war damit die zweitgrößte Veranstaltung in der 13-jährigen Geschichte des Festivals. Das diesjährige Motto "Vom Urknall zum Weltall" spiegelt die Tatsache wider, dass die Physik-Fakultät der Bergischer Universität Wuppertal stark engagiert ist im Bereich der Hochenergie-Experimente am LHC des CERN sowie der Experimente der Astroteilchenphysik, wie dem Pierre Auger Observatorium in Argentinien und dem Ice Cube Observatorium am Südpol.

Das Herzstück des fünftägigen Festivals war ein großer Pavillion vor dem Rathaus, wo die Besucher sich aus erster Hand über aktuelle Forschungsprojekte dieser und verwandter wissenschaftlicher Themen informieren konnten. Die große Vielfalt der Ausstellungsstücke aus ganz Deutschland, bei denen es häufig sogar die Möglichkeit gab, zu experimentieren und life-Beobachtungen zu machen, beeindruckte Besucher aller Generationen. Das größte Ausstellungsstück war ein 12 m² langer Teleskopspiegel des Pierre Auger Observatoriums. Mehr als 500 Schüler aus elf Bundesländern nahmen am Wettbewerb "exciting physics" teil, bei dem ungewöhnliche Aufgaben praktisch zu lösen waren.

Die Eröffnungsshow, die professionell von Ranga Yogeshwar moderiert wurde, wurde von mehr als 1500 Gästen besucht und die kostenlosen Tickets waren nach weniger als einer halben Stunde ausverkauft. Das Festivalprogramm beinhaltete auch einen "Einstein slam", bei dem Wissenschaftler gegeneinander antraten, indem sie ihre Forschungsthemen so attraktiv wie möglich in maximal zehn Minuten präsentierten. Außerdem Abendvorträge von renommierten Wissenschaftlern, Morgenvorträge speziell für Schüler und Fragestunden an Wissenschaftler über verschiedene Themen im Bereich Karriere und Wissenschaft für die Öffentlichkeit.

Das Event wurde gesponsort von BMBF, DPG, der Universität Wuppertal mit den weiteren Partnern Wilhelm und Else Heraeus Stiftung, Klaus Tschira Stifung, der Wuppertaler Junior-Uni, der Internet Plattform „Welt der Physik“, der Oerlikon Leybold Vacuum GmbH, der Westdeutschen Zeitung and Radio Wuppertal. Nächstes Jahr werden die "Highlights" in Saarbrücken stattfinden.

Broschüre zum Download: Highlights der Physik (Auflösung web) (150 dpi)

In the office of Prof. Dr. Loehe (left), with Prof. Dr. Etchegoyen (middle) and Prof. Dr. Bluemer (right).
(credit: A. Etchegoyen)

July 22^nd, Prof. Dr. Etchegoyen, director of the Institute for Detector Technology and Astroparticle Physics (ITeDA ) in Buenos Aires, received officially his Helmholtz International Fellow Diploma from the hands of Prof. Dr. Loehe, Vice President for Research and Information at KIT , on the left, and Prof. Dr. Bluemer, head of the KIT Center Elementary Particle and Astroparticle Physics (KCETA ), on the right.

Das Modell des GERDA-Experiments zeigt den schalenartigen Aufbau, bei dem zur Unterdrückung störender Signale aus der Umgebung von außen nach innen immer reinere Materialien eingesetzt sind. Die Germaniumdioden im Inneren des mit 64 000 Liter flüssigem Argon (–186°C) gefüllten Kryostaten sind vergrößert dargestellt. (Quelle: GERDA-Kollaboration)	Zur Abschirmung sind die Germaniumdetektoren mit einer Folie aus hochreinem Kupfer umhüllt. (Quelle: GERDA-Kollaboration)

Neutrinos sind äußerst scheue Teilchen, die mit allen anderen Bausteinen der Materie nur extrem selten in Wechselwirkung treten. Sie haben ungewöhnliche Eigenschaften, und es wird sogar vermutet, dass sie mit ihren eigenen Antiteilchen identisch sind. Allerdings ist diese Eigenschaft bisher noch nicht experimentell bestätigt, gleichwohl haben 60 Jahre Neutrinoforschung unser Verständnis der Elementarteilchenphysik weit voran gebracht. Wissenschaftler der GERDA-Kollaboration konnten nun neue Grenzen setzen für den so genannten neutrinolosen Doppelbetazerfall, der überprüft, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Das Resultat widerlegt eine frühere Entdeckungsmeldung und es ergeben sich wichtige Folgerungen für Kosmologie, Astrophysik und Teilchenphysik; dazu liefert es neue Informationen über die Neutrinomassen.

Neutrinos sind neben Photonen die häufigsten Teilchen im Universum. Sie werden oft ‚Geisterteilchen‘ genannt, weil sie so extrem selten mit Materie wechselwirken. Daher sind sie ein unsichtbarer, aber bedeutender Bestandteil des Universums und könnten etwa genauso viel Masse wie alle anderen bekannten Formen von Materie beitragen; dabei bewegen sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit über phantastische Entfernungen. Außerdem haben ihre winzigen Massen wichtige Folgen für die Strukturen im Universum, und sie sind die treibende Kraft bei der Explosion von Supernovae. Ihre bemerkenswerteste und wichtigste Eigenschaft aber wurde von Ettore Majorana in den 1930er Jahren vorgeschlagen: Im Gegensatz zu allen anderen Teilchen, aus denen die uns umgebende Materie besteht, könnten sie ihre eigenen Antiteilchen sein.

Bei GERDA sind Germaniumkristalle zugleich Quelle und Detektor des Zerfalls. Natürliches Germanium enthält nur ca. 8% Ge-76, das deshalb um mehr als das 10-fache angereichert wurde, bevor daraus die speziellen Detektorkristalle gezogen wurden. Die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen ist eine Kleinigkeit gegenüber dem Nachweis des Doppelbetazerfalls, weil die Radioaktivität der Umgebung milliardenfach stärker ist. Die Detektorkristalle für GERDA und die sie umgebenden Teile wurden daher sehr sorgfältig ausgewählt und verarbeitet. Zur Beobachtung des äußerst seltenen Prozesses sind außerdem sehr ausgefeilte Techniken erforderlich, um den Untergrund von kosmischen Teilchen, natürlicher Radioaktivität der Umgebung und sogar dem Experiment selbst weiter zu unterdrücken. Den Wissenschaftlern gelingt dies, indem sie die Detektoren in der Mitte einer riesigen ‚Thermoskanne' betreiben, die mit extrem reinem flüssigem Argon gefüllt, mit hochreinem Kupfer ausgekleidet und von einem mit Reinstwasser gefüllten Tank von 10 m Durchmesser umgeben ist; der ganze Aufbau befindet sich unter 1 400 m Gestein. Erst die Kombination all dieser innovativen und bahnbrechenden Techniken ermöglichte es, den Untergrund auf ein rekord-tiefes Niveau zu senken.

Im Herbst 2011 starteten die Messungen mit zunächst 8 Detektoren von der Größe einer Getränkedose und jeweils etwa 2 kg Gewicht; später kamen 5 weitere Detektoren neuer Bauart hinzu. Bis vor kurzem war der Signalbereich in den Daten ausgeblendet und die Physiker konzentrierten sich auf die Optimierung des Verfahrens zur Datenanalyse. Das Experiment hat jetzt seine erste Phase abgeschlossen und 21 kg∙Jahre an Daten gesammelt. Die Analyse, für die sämtliche Kalibrierungen und Filter vor Verarbeitung der Daten im Signalbereich definiert waren, ergab kein Signal des neutrinolosen Doppelbetazerfalls in Ge-76, was zu der weltbesten Untergrenze für dessen Lebensdauer von 2.1x10²⁵ Jahren führt. Zusammen mit den Ergebnissen anderer Experimente schließt dieses Resultat eine frühere Behauptung, ein Signal gefunden zu haben, aus. Die neuen Resultate von GERDA haben interessante Konsequenzen für das Wissen über Neutrinomassen, Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik, astrophysikalische Prozesse und Kosmologie.

In einem nächsten Schritt werden zusätzliche neu hergestellte Detektoren eingesetzt und damit die Menge von Ge-76 in GERDA verdoppelt. Sobald einige weitere Verbesserungen zur noch stärkeren Untergrundunterdrückung umgesetzt sind, soll eine zweite Messphase folgen.

Pressemitteilung MPI

Dark matter candidates from extragalactic sources elude IceCube so far

Successful cosmological models hold that dark matter accounts for most of the matter effects we observe in our Universe. WIMPs, weakly interacting massive particles, impervious to electromagnetic and strong nuclear interactions, are the category of dark matter candidates with the most devotees among scientists. WIMPs are also predicted by supersymmetric extensions of the Standard Model of particle physics. These models have credence with the physics community but there is no experimental evidence that identifies the composition of dark matter to date.

New results from the IceCube Collaboration set up new limits on the cross section as a function of the WIMP mass for annihilation into and . This is the first search for dark matter annihilation in nearby galaxies and galaxy clusters using a sample of high-energy neutrinos detected with the IceCube Neutrino Observatory during the 2009–2010 data-taking period, when the telescope was running in its 59-string configuration.

The limits for the tau and muon annihilation channels are compared to the preferred regions obtained by interpreting the PAMELA positron excess and electron data from Fermi and H.E.S.S. as being due to dark matter annihilation. Included are the results from gamma ray experiments and the "natural cross section" expected from the freeze out of dark matter following production in the Big Bang. The Fermi results strongly constrain the mass region below 1 TeV, while the results of IceCube provide valuable information for masses above. (credit: IceCube Collaboration)

In a recent analysis looking for WIMPs trapped in the Sun, the IceCube Collaboration set the most stringent upper limits yet on the mass for the spin-dependent hard decay modes. The new search discussed here looks for dark matter in extragalactic sources, such as the Virgo and Coma galaxy clusters, the Andromeda galaxy, and several dwarf galaxies.

Despite these measurements, neutrinos reaching IceCube do not show any significant excess from these regions. The measured fluxes, however, set competitive limits for the velocity averaged self-annihilation cross section above 1 TeV.

Read more on the official IceCube collaboration website,
and on arXiv.org:1307.3473 "An IceCube search for dark matter annihilation in nearby galaxies and galaxy clusters," IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al., submitted to Physical Review D.

Measurement of the high-energy cosmic ray spectrum with IceTop

Cosmic rays, high-energy particles created in and around extreme cosmic objects, are known to reach energies above 10¹¹ GeV. How and where they are produced, though, have been a science puzzle for several decades now. The more we learn about their energy spectrum and chemical composition, the closer we come to understanding how cosmic rays are accelerated and how they propagate from their original sources. Of particular interest is the energy range above 100 TeV because the transition from galactic to extragalactic cosmic rays is expected to occur in this region.

The IceCube Collaboration publishes today a new measurement of the all-particle cosmic ray energy spectrum in the energy range from 1.6 PeV to 1.3 EeV using data from IceTop, the surface component of the IceCube Neutrino Observatory. The measured spectrum exhibits clear deviations from power law behavior. A spectral hardening is observed around 20 PeV and a steepening around 130 PeV. These results confirm with better resolution deviations already reported by several experiments.

IceTop 73 spectrum in the energy range from 1.6 PeV to 1.3 EeV in comparison to other recent experiments. Shaded band shows the systematical errors. (credit: IceCube Collaboration)	The cosmic-ray spectrum follows, approximately, a sequence of 3 power laws, separated by a feature dubbed the "knee" and the "ankle", respectively. Deviations from a simple power law between the knee and the ankle reflect the transition from galactic to extragalactic cosmic rays. (credit: IceCube Collaboration)

The figure on left compares the IceTop cosmic ray spectrum with several other experiments. The spectrum steepens at the “knee” around 4 PeV, which is generally interpreted as the beginning of the end of the galactic population. Below the knee, cosmic rays are galactic in origin, while above that energy particles from more distant regions in our Universe become more and more likely. The observed deviations from a simple power law spectrum between the knee and the “ankle” (around 4 EeV), now confirmed by the IceCube Collaboration, reflect the transition from galactic to extragalactic populations in ways that remain to be understood. The evolution of the chemical composition of cosmic rays in this region is the next big step required to clarify this transition.

Read more on the official IceCube collaboration website,
and on arXiv.org:1307.3795 "Measurement of the cosmic ray energy spectrum with IceTop-73," IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al., submitted to Physical Review D.

Rektor Carlos Ruta verleiht Prof. Dr. Blümer den Ehrendoktortitel der UNSAM
(Foto: Pablo Carrera Oser)

Der deutsche Astroteilchenphysiker Prof. Dr. Johannes Blümer, Mitglied des Pierre Auger Observatoriums und wissenschaftlicher Sprecher des KIT Centrums Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik (KCETA), erhält die Ehrendoktorwürde der Universidad Nacional de San Martín (UNSAM), die ihm vom Rektor Prof. Carlos Ruta in einer Zeremonie in Buenos Aires, Argentinien, verliehen wurde.

Deutsche und argentinische Wissenschaftler, akademische Persönlichkeiten, Professoren und Studenten kamen zusammen, um Johannes Blümer zu feiern, der mit dem höchsten Ehrentitel der UNSAM "für seine herausragende Leistung und sein Engagement bei der Entwicklung der Astroteilchenphysik in Argentinien, seine Unterstützung von großen gemeinsamen Projekten und der Ausbildung von internationalen Nachwuchswissenschaftlern“ ausgezeichnet wurde.

Prof. Dr. Alberto Etchengoyen, Leiter des Instituts für Technologie und Astroteilchen Detektion (ITeDA), Buenos Aires, und Helmholtz International Fellow, überreichte diesen traditionellen Preis. Er erwähnte in seiner Rede die brillante Karriere von Johannes Blümer, seinen enormen Einsatz für die Astroteilchenphysik weltweit und insbesondere in Argentinien und seine Hingabe zur Lehre. Etchengoyen betonte dessen Arbeit als Sprecher der Helmholtz Alliance für Astroteilchenphysik (HAP) und die enge Beziehung zwischen UNSAM und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Im Mai 2013 wurde ein gemeinsames PhD Programm mit dualem Abschluss gestartet.

Prof. Dr. Blümer während der Zeremonie
(Foto: Pablo Carrera Oser)

Die Feierlichkeiten schlossen mit einem Beitrag von Johannes Blümer zu "Big Science on a small Planet", in dem er die Vielfalt des Forschungsbereich mit kosmischer Strahlung, Neutrinos und Dark Matter erläuterte, und in dem er auf die Arbeit des Pierre Auger Observatoriums, einem Projekt mit Beteiligung von achtzig Instituten, ITeDA und KIT eingeschlossen, einging.

Im Anschluss fand der zweitägige "Deutsch-Argentinische Astroteilchenphysik Workshop" statt, an dem auch die Universidad Nacional de La Plata (UNLP) und Universidad de Buenos Aires (UBA) teilnahmen.

Pressemitteilung: UNSAM

The HAP Dark Matter 2013 meeting drew 100 participants.
(credit: W Hassenmeier)

The first meeting dedicated exclusively to dark-matter theory and experiment in Germany was held earlier this year at the University of Münster. Made possible through the generous financial support of the Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics (HAP), the conference – HAP Dark Matter 2013 – was co-organized by Michael Klasen of Münster and Klaus Eitel of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). The 100 participants included senior German dark-matter scientists, many postdocs and students, as well as experts from neighbouring countries such as Belgium, Denmark, France, the Netherlands, Spain, Sweden, Switzerland and the UK.

The scientific programme aimed at a complete coverage of all aspects related to dark matter and ranged from astronomical observations through experimental searches to theoretical interpretations and tools. As the first speaker, Jürg Diemand of Zurich presented fascinating numerical simulations of galactic structures by the Via Lactea collaboration. Thomas Reiprich of Bonn and Justin Read of Surrey followed up with the prospects for galaxy-cluster cosmology using X-ray telescopes, with determinations of the local dark-matter density from stellar kinematics, while Eva Grebel of Heidelberg gave an overview of dark-matter-dominated dwarf galaxies.

Experimental results were reported from: direct searches, for example, with the XENON experiment, described by Christian Weinheimer of Münster; indirect searches with the Fermi Gamma-ray Space Telescope, by Johann Cohen-Tanugi of Montpellier; and the LHC experiments, by CERN’s David Berge, CERN. While none of these searches can yet conclusively provide positive evidence, some, as Thomas Schwetz-Mangold of Heidelberg explained, do leave room for speculation on relatively light dark-matter particles. Participants were also curious to see the preparations for the XENON1T experiment, visible during several laboratory tours offered by Ethan Brown of Münster.

With increasing experimental sensitivity and precision, the need for precise theoretical and numerical tools is now evident. This was addressed in talks by Manuel Drees of Bonn and Andrzej Hryczuk of Munich on the so-called Sommerfeld enhancement. Full next-to-leading order calculations, presented by Karol Kovarik of KIT, are integrated into programmes such as micrOMEGAs and DarkSUSY, described by Geneviève Belanger of Annecy and Torsten Bringmann of Hamburg, respectively. Whether dark matter is supersymmetric, as discussed by Laura Covi of Göttingen and Béranger Dumont of Grenoble, or not, as Steen Hannestad of Aarhus, Andreas Ringwald, DESY, and many others argued, still has to be decided. This might be possible at a second HAP Dark Matter meeting, which many of the participants eagerly demanded.

from: CERN Courier

Das Forschungszentrum DESY  hat um 22.05.2013 im Wissenschaftspark Adlershof den ersten Teleskop-Prototypen des Cherenkov Telescope Array CTA  in Betrieb genommen. Die brandenburgische Forschungsministerin Prof. Sabine Kunst und der Ministerialdirektor im Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Dr. Karl Eugen Huthmacher nahmen zusammen mit dem Vorsitzenden des DESY-Direktoriums Prof. Helmut Dosch und dem Leiter des DESY-Standorts Zeuthen Prof. Christian Stegmann feierlich das voll funktionale Modell in Betrieb. An dem 1:1-Modell für die mittleren der geplanten drei CTA-Teleskoparten werden in den nächsten Monaten alle Funktionalitäten für den späteren Betrieb in der CTA-Anlage erprobt.

Das in internationaler Kooperation entstehende Cherenkov Telescope Array ist ein geplantes Ensemble von drei unterschiedlich großen Teleskoptypen und wird kosmische Gammastrahlung der höchsten Energien vermessen. Wissenschaftler wollen so das Universum nach kosmischen Teilchenbeschleunigern wie Supernova-Explosionen, Doppelsternsystemen oder Aktiven Galaktischen Kernen durchsuchen. „Das Cherenkov Telescope Array wird Tausende dieser Objekte mit bisher nicht erreichter Sensitivität beobachten können und unser Verständnis des Universums grundlegend erweitern“, sagt Prof. Christian Stegmann. „Es wird damit das Observatorium der Zukunft in der Gamma-Astronomie sein.“ DESY stellt die größte Gruppe innerhalb des internationalen Projekts und ist für Design und Bau der mittelgroßen Teleskope mit einem Spiegeldurchmesser von rund zwölf Metern verantwortlich. „Mit der umfassenden Beteiligung an CTA bauen wir die zentrale Rolle des DESY-Standorts Zeuthen in der Astroteilchenphysik in Deutschland und weltweit weiter aus“, sagt Prof. Helmut Dosch.

Die Brandenburger Forschungsministerin Prof. Sabine Kunst verdeutlicht die Bedeutung für die Region: „DESY in Zeuthen war maßgeblich an der Entwicklung und der Montage dieses Prototypen beteiligt und wird auch beim Betrieb der Cherenkov-Telescope-Anlage mitwirken. Mein Glückwunsch geht an alle DESYaner für das, was Sie hier vor Ort leisten, und wovon auch die Region profitiert. 200 Menschen finden hier Arbeit, viele Studenten der Hochschule Wildau, der BTU Cottbus und der Universität Potsdam schreiben hier Bachelor- und Masterarbeiten, Doktoranden aus Berlin und Brandenburg forschen hier.“

„Über 1000 Wissenschaftler und Ingenieure aus über 25 Ländern aus aller Welt arbeiten seit 2006 am Projekt CTA. Das DESY-Team um Stefan Schlenstedt hat einen enormen Beitrag geleistet, indem es diesen Prototypen entworfen und in Betrieb genommen hat", unterstrich Prof. Manel Martinez (IFAE Barcelona ), Sprecher von CTA.

Der Prototyp in Berlin-Adlershof wurde von DESY entworfen und gebaut. In ihm werden die Antriebs- und Sicherheitssysteme des beweglichen Teleskops getestet und optimiert. Gleichzeitig werden die mechanischen Eigenschaften des Teleskops, wie beispielsweise die Schwingungen und Deformationen vermessen, genauso wie die Fokussierung des Sternenlichts auf die Kamera bei Verstellung der Spiegel und die Genauigkeit der Ausrichtung des Teleskops auf ein Himmelsobjekt.

Pressemitteilung: DESY 

	IceCube besteht aus etwa 5000 dieser optischen Modulen, die im ewige Eis des Südpols eingefroren wurden. (Quelle: IceCube-Kollaboration)

Die internationale IceCube -Collaboration hat auf der IceCube Particle Astrophysics Konferenz (IPA ) in Madison, USA, die jüngsten Ergebnisse ihrer Suche nach astrophysikalischen Neutrinos vorgestellt. Zwischen Mai 2010 und Mai 2012 wurden mit dem Neutrinodetektor IceCube 28 Neutrinos mit Energien oberhalb von 30 Tera-Elektronenvolt (TeV) registriert, darunter zwei Ereignisse mit Energien knapp über 1 Peta-Elektronenvolt (1 PeV=1000 TeV). Damit hat das Astroteilchenexperiment, das aus etwa 5000 ins Südpolareis eingefrorenen Lichtdetektoren besteht, einen wesentlichen Fortschritt bei der Suche nach extraterrestrischen Neutrinos erzielt.

„Ein Peta-Elektronenvolt ist mehr als tausendmal höher als Energien von Neutrinos, die je mithilfe von Teilchenbeschleunigern auf der Erde erzeugt wurden“, sagt IceCube-Forscher Dr. Christian Spiering vom Forschungszentrum DESY, der auch wissenschaftlicher Koordinator von IceCube war. „Die Anzahl von 28 Ereignissen ist schwer vereinbar mit dem, was man für Neutrinos erwartet, die durch kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre erzeugt werden.“

Der IceCube-Detektor besteht aus 86 Kabeltrossen, an denen in Tiefen zwischen 1,45 und 2,45 Kilometern jeweils 60 Glaskugeln mit hochempfindlichen Lichtsensoren angebracht sind. Mit ihnen können die Forscher Neutrinos nachweisen, die als Produkte galaktischer Explosionen oder anderer kosmischer Prozesse entstanden sind. Die neutralen Teilchen wechselwirken nur sehr schwach mit Materie und sind deshalb ideal dafür geeignet, um Informationen über diese fernen Ereignisse über große Strecken zu uns zu tragen. Wenn ein Neutrino beim Durchdringen des Polareises abgestoppt wird, entsteht ein schwaches bläuliches Licht, das die Detektoren auffangen. Allerdings können Neutrinos auch durch die Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre entstehen. Die Anzahl  solcher „atmosphärischer Neutrinos“, die IceCube bisher aufgezeichnet hat, geht in die Hunderttausende – jedoch haben diese Neutrinos vorwiegend deutlich niedrigere Energien.

Die zwei PeV Ereignisse beobachtet von IceCube. Jede Kugel stellt ein optisches Modul. Farben repräsentieren die Ankunftszeiten der Photonen, rot für frühen und blau für späten Zeiten. Die Größe der Kugeln ist ein Maß für die Anzahl der aufgenommenen Fotoelektronen. (Quelle: IceCube-Collaboration)

Den ersten Hinweis auf extraterrestrische Hochenergie-Neutrinos lieferte im April 2012 die unerwartete Entdeckung  der beiden PeV-Ereignisse. Die IceCube-Forscher nannten die beiden ungewöhnlichen Ereignisse liebevoll „Ernie“ und „Bert“. Eine gründliche Analyse dieser Ereignisse wurde im April 2013  in einer Arbeit vorgestellt und an die Zeitschrift Physical Review Letters zur Veröffentlichung eingereicht. Die vertiefte Suche, deren Ergebnisse heute vorgestellt werden, förderte nunmehr weitere 26 Ereignisse mit Energien oberhalb 30 TeV zutage, wiederum mehr als das, was man für in der Erdatmosphäre erzeugten Neutrinos erwartet.

„Wir erleben vielleicht gerade die Geburtstunde der Neutrinoastronomie“ so Dr. Markus Ackermann, Leiter der Neutrinoastronomiegruppe bei DESY in Zeuthen „In den nächsten Jahren erwarten wir mit IceCube weitere wissenschaftliche Durchbrüche. Und mit den möglichen Erweiterungen PINGU und IceCube++ wollen wir nach den Entdeckungen mit IceCube schon bald den Schritt zu Präzisionsmessungen in der Neutrinophysik und Astronomie mit Neutrinos gehen.“

Pressemitteilung: DESY , University of Madison 

	Mit dem Messfeld KASCADE-Grande auf dem Gelände des KIT untersuchten die Wissenschaftler Teilchenschauer, die durch Kosmische Strahlung ausgelöst werden. (Foto: KIT)	Das Spektrum der kosmischen Strahlung mit Knie und Knöchel. Eine knöchelartige Struktur bei leichten Primärteilchen ist jetzt von KASCADE-Grande erstmals detektiert worden. (Graphik: KIT)

Aktuelle Ergebnisse des KASCADE-Grande Experimentes zeigen ein Abflachen (Anti-Knie oder Knöchel) des Spektrums leichter Primärteilchen oberhalb einer Energie von 10¹⁷ Elektronenvolt. Diese Struktur ist ein Hinweis auf das Auftreten einer neuen, nun extragalaktischen Komponente der kosmischen Strahlung. Dieses für die Hochenergie-Astrophysik wichtige Ergebnis wurde soeben in der Zeitschrift „Physical Review D“ veröffentlicht.

KASCADE-Grande war ein Messfeld für kosmische Strahlung auf dem Gelände des Campus Nord des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). "Mit KASCADE- Grande konnten Schauer von Sekundärteilchen gemessen werden, die von Primärteilchen komischen Ursprungs mit energie von 10¹⁴ bis 10¹⁸ Elektronenvolt erzeugt wurden." erklärt Dr.Andreas Haungs, der das KASCADE-Grande Projekt am KIT leitet. 10¹⁸ Elektronenvolt: das liegt um mehrere Größenordnungen über den Energie, die die größten Teilchenbeschleuniger auf der Erde erreichen.

Die Messmethode von KASCADE-Grande beruht darauf, dass die primären Teilchen der kosmischen Strahlung auf die Atome der Erdatmosphäre auftreffen und aufgrund ihrer hohen Energie Sekundärteilchen erzeugen, die wiederum Teilchen erzeugen trifft nach einigen Millisekunden auf den Erdboden auf und kann dort die Energie, die Richtung des Primärteilchens und auch die Masse.

Der Fluss der kosmischen Strahlung nimmt mit zunehmender Energie der Teilchen stark ab. Etwas oberhalb einer Energie von 10¹⁵ Elektronenvolt ändert sich die "Steilheit" der Energieabnahme. Es wird dann ein Knick in Spektrum entstehen die heißt "Knie" der kosmischen Strahlung. Woher kommt diese Knie und warum ist dessen Ursache abhängig von der Ladung des Kosmischen Teilchens? Ein mögliche Erklärung hierfür geben die Magnetfelder in der näheren Umgebung der kosmischen Beschleuniger die zu hohen Energie funktionieren. Zudem besitzt unsere eigene Galaxie eine magnetische Hülle, die ein Entweichend eines Großteils der Teilchen aus unserer Milchstraße verhindern. Aus den bisherigen Ergebnissen von KASCADE-Grande konnte geschlossen werden, dass die primären Partikel der kosmischen Strahlung nur bis zu Energien um 10¹⁷ Elektronenvolt in unserer Milchstraße erzeugt und gespeichert werden können. Teilchen mit noch höherer Energie haben demnach ihren Ursprung außerhalb der Milchstraße. Der Übergang von einer galaktischen zu einer extragalaktischen kosmischen Strahlung wird im Energiebereich von knapp oberhalb 10¹⁸ Elektronenvolt, beim sogenannten „Knöchel“ des Spektrums vermutet. Folgt man der obigen Theorie zur Entstehung des Knies, sollte der Übergang zu einer überwiegend extragalaktischen kosmischen Strahlung zuerst im Energiespektrum der leichten Primärteilchen sichtbar werden, da zunächst diese aus ihrer Heimatgalaxie entweichen.

Die jetzt gelungene Identifizierung einer knöchelartigen Struktur in der leichten Komponente schon bei relativ niedrigen Energien bevorzugt Theorien, die einen frühen Beitrag der extragalaktischen komischen Strahlung vorhersagen. "Ob es sich bei den von KASCADE-Grande gemessenen hochenergetischen leichtes Primärteilchen tatsächlich um Atomkerne aus einer anderen Galaxie handelt, kann aber erst durch die Hinzunahme zukünftiger Ergebnisse anderer Experimente, die das Spektrum bei den höchsten Energie untersuchen, bestätigt werden " gibt Sven Schoo, der als Diplomand am KIT federführend die Analyse durchgeführt hat, schon ein Ausblick auf die Zukunft in diesem Forschungsbereich.

Die Ergebnisse wurden soeben von der wissenschaftlichen Zeitschrift „Physical Review D“ in der Ausgabe Phys. Rev. D 87, 081101(R) (2013) (arXiv:1304.7114 [astro-ph.HE]) publiziert.

Pressemitteilung KIT

(CDMS Silizium - Detektor

Fermilab)

CDMS-II wurde von DOE und NSF in den USA und in Kanada von NSERC finanziert.

Für weitere Informationen: Super Cryogenic Dark Matter Search, NewsBlog.

• CERN Press Release 
• Veröffentlicht per-reviewed article, M. Aguilar et al. (AMS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013) 
• Sehen Sie den begleitenden "Physics Viewpoint"  von Physics Review Letter

Für mehr Interesse:

• Sein oder nicht sein - erste Ergebnisse von AMS-02, Sterne und Weltraum 
• Auf der Suche nach Antimaterie, DLR 

Sehen Sie auch HAP YouTube Kanal über Dunkel Materie.

	Verleihung des Julius Wess Preises an Peter Jenni und Michel Della Negra. (Foto: Fotostelle KIT)	Festrede des Nobelpreisträgers Prof. James W. Cronin, Ehrendoktor des KIT (Foto: Fotostelle, KIT)

Am 1. Februar 2013 wurde die neue Graduiertenschule „Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik: Wissenschaft und Technologie (KSETA)“ am KIT offiziell mit einer großen Feier, an der mehr als 200 Personen teilnahmen, eröffnet. Die Gründung der Schule basiert auf dem erfolgreichen Antrag im Rahmen der deutschen Exzellenzinitiative im Juni 2012.

Einer der Höhepunkte war die Verleihung des Julius-Wess Preises  an Peter Jenni und Michel Della Negra für ihre grundlegenden Beiträge zur Physik am Large Hadron Collider (LHC ) am CERN  (Genf, Schweiz). Als langjährige Sprecher der beiden Großexperimente ATLAS und CMS  haben beide wesentlichen Anteil an deren Aufbau und Betrieb. Ihre Arbeiten führten zur Entdeckung der Vektorbosonen W und Z im Jahr 1984 an Vorgängerexperimenten und nun zur Entdeckung des Higgs Bosons am LHC. Beide Wissenschaftler sind eng mit KIT über die seit 18 Jahren währende Zusammenarbeit am LHC verbunden.

Foto links: Verleihung des Julius Wess Preises an Peter Jenni (2.v.l.) und Michel della Negra (3.v.r.) durch Prof. Blümer (1.v.l) und Vizepräsident Prof. Löhe (2.v.r); mit Laudator Prof. Müller (1.v.r.)

Ein weiterer Höhepunkt war die Verleihung der Ehrendoktorwürde an den Nobelpreisträger James W. Cronin. Er wurde damit für seine herausragenden Leistungen im Bereich der Kosmischen Strahlung ausgezeichnet. Sein Engagement führte zum erfolgreichen Aufbau und Betrieb des Pierre Auger Observatoriums in Argentinien, an dessen Gründung und Durchführung das KIT stark beteiligt ist.

Im KSETA Kolloquium am Vormittag stellten Doktorandinnen und Doktoranden die große Bandbreite der KSETA Forschungsthemen vor. Diese erstrecken sich von der Suche nach Dunkler Materie über Teilchenphysik am CMS Detektor und Arbeiten im Bereich der Theorie, dem Aufbau von KATRIN bis hin zu Modellierung und Architekturen für datenintensive Wissenschaften.

Präsentationen:

• The LHC Road Map for the Discovery of the Higgs and Beyond, ATLAS,
  Peter Jenni [pdf, 13.7mb] 
• The LHC Road Map for the Discovery of the Higgs and Beyond, CMS,
  Michel Della Negra [pdf, 5.7mb] 
• Cosmic Rays: A Second Career, James W. Cronin [pdf, 8.2mb] 

Pressemitteilung KIT