Schlagwort: Elementarteilchen

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Eisfischen nach kosmischen Neutrinos

Blick in ein Bohrloch, in dessen Mitte eine lange Stange verschwindet. Das Schmelzloch führt tief ins Eis und ist oben mit silbrig reflektierendem Material ausgekleidet.
Bildcredit: NSF, B. Gudbjartsson, IceCube Collaboration

Forschende schmelzen Löcher in das Ende der Welt. Es sind fast 100 Löcher nahe dem Südpol. Sie dienen als astronomisches Observatorium. Hier senkt sich gerade ein langes Seil im IceCube Neutrino Observatorium in einen senkrechten See. Es ist mit Detektoren für Licht besetzt, die so groß sind wie Basketbälle. Das Wasser in jedem Loch gefriert schnell wieder.

Die Messgeräte am Seil sind besonders empfindlich für blaues Licht. Es wird im klaren Eis der Umgebung abgestrahlt. Das Licht stammt von Sekundärteilchen, die sich schnell bewegen. Sie werden freigesetzt, wenn sehr ergiereiche Neutrinos mit den Molekülen im Eis kollidieren. Die Neutrinos entstehen bei gewaltigen Vorgängen im Universum. Inzwischen wies IceCube viele dieser erhellenden Neutrinos nach.

Auf diesem Bild wird im Jahr 2010 eine der letzten Detektorketten für den IceCube in den eisigen Abgrund gesenkt. IceCube ist damit der größte Neutrino-Detektor der Welt. Nun werden die beispiellosen Entdeckungen gewürdigt. Diese Woche wurde bekannt gegeben, dass ein Gründungsmitglied der IceCube Collaboration den Nobelpreis in Physik erhält.

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Riesiger Strahlblitz in der Tatacoa-Wüste

Aus einer Wolke schießt ein riesiger Strahlblitz nach oben, wo er sich in viele rote Äste verzweigt, die an einen Roten Kobold erinnern.
Bildcredit: Mario Vargas; Text: Keighley Rockcliffe (NASA GSFC, UMBC CSST, CRESST II)

Treibt ein zorniger Sith in der Tatacoa-Wüste sein Unwesen mit mächtigen Blitzen? Hier seht ihr keine Science-Fiction, sondern einen riesigen Strahlblitz mit roten Verästelungen!

Für gewöhnlich entstehen Blitze, wenn Teilchen in einer Gewitterwolke zusammenstoßen. Dabei verlieren sie ihre Elektronen. Das führt dazu, dass sich an der Unterseite der Wolke negative Ladung ansammelt. Die negative Ladung in der Wolke schiebt die negative Ladung auf der Erde tiefer in den Boden. Dadurch sammelt sich positive Ladung an der Oberfläche der Erde. Gegensätzliche Ladungen ziehen sich an und rasen aufeinander zu. So entsteht ein weißer Plasmablitz, der die Luft extrem stark erhitzt.

Ein riesiger Strahlblitz entsteht, wenn Entladungen aus dem Inneren von Wolken durch eine schwache positive Abschirmschicht nach oben entweichen und aus der Wolke schießen. So ein Ereignis dauert nur Millisekunden. Es reicht bis in die Mesosphäre hinauf. Dort ist die Luft zu dünn für Donner. Die Äste am oberen Ende erinnern manchmal an Rote Kobolde. Ihre Farbe stammt von erhitztem molekularem Stickstoff.

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Polarlicht-Zeitraffer über den italienischen Alpen

Videocredit und -rechte: Cristian Bigontina

Habt ihr letzte Nacht das Polarlicht gesehen? Diese Frage beschäftigte vor ein paar Tagen viele Menschen weltweit. Denn ungewöhnlich weit von den Polen der Erde entfernt war ein mächtiger Polarlichtsturm zu sehen.

Der Auslöser dafür war eine riesige Sonnenfackel der X-Klasse. Diese schleuderte am Dienstag energiereiche Elektronen und Protonen ins Sonnensystem. Diese traten über das Magnetfeld der Erde mit dem Planeten in Verbindung. Die Teilchen trafen hoch in der Erdatmosphäre auf Sauerstoffatome. Das ganze Bild ist von ihrem roten Leuchten durchflutet. Dabei tanzten senkrechte Streifen.

Das Zeitraffervideo zeigt eine Stunde komprimiert. Die Aussicht reicht von Cortina d’Ampezzo über die Gipfel der Alpen in Norditalien. Die Sterne unserer Milchstraße sprenkeln den Hintergrund. Im Vordergrund ziehen Flugzeuge und Satelliten ihre Streifen. Die aktuelle hohe Aktivität unserer Sonne liefert wahrscheinlich noch etwa ein Jahr lang malerische Polarlichter auf der Erde.

Galerie: Weltweite Polarlichter vom 10. auf 11. Oktober 2024

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Energiereiches Teilchen schlägt auf der Erde ein

Die Illustration zeigt eine sehr energiereiche kosmische Strahlung, die in der Erdatmosphäre einen Luftschauer auslöst. Unten ist eine Reihe von Luftschauer-Detektoren zu sehen.

Illustrationscredit: Osaka Metropolitan U./L-INSIGHT, Kyoto U./Ryuunosuke Takeshige

Es war eines der energiereichsten Teilchen, das auf der Erde einschlug, aber woher kam es eigentlich? Wie jede Art kosmischer Strahlung, die auf die Erdatmosphäre trifft, versprühte das nach der Shinto–Sonnengöttin Amerterasu benannte Teilchen einen Schauer aus Elektronen, Protonen und anderen Elementarteilchen.

Die Abbildung zeigt einen Luftschauer aus kosmischer Strahlung, der auf das Telescope Array in Utah, USA, traf, welches das Amaterasu-Ereignis im Mai 2021 aufzeichnete. Diese durch kosmische Strahlung verursachten Luftschauer sind so häufig, dass man wahrscheinlich selbst schon einmal in so einem Teilchenregen war, ohne es zu merken.

Der Ursprung dieser energiereichen Teilchen wird im Atomkern vermutet, bleibt aber in zweierlei Hinsicht ein Rätsel. Erstens ist nicht klar, woher ein einzelnes Teilchen oder ein Atomkern so dermaßen viel Energie haben kann, und zweitens blieben alle Versuche der Spur des Teilchens zu seinem Ursprung folgen, um Hinweise auf eine mögliche Quelle zu finden, bislang erfolglos.

Offene Wissenschaft: Mehr als 3200 Codes in der Astrophysik-Quellcodebibliothek
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Die HESS-Teleskope erforschen den Hochenergie-Himmel

Videocredit und -rechte: Jeff Dai (TWAN), H.E.S.S. Arbeitsgemeinschaft;
Musik: Ibaotu Katalognummer 1044988 (Mit Genehmigung verwendet)

Sie wirken wie moderne mechanische Dinosaurier, doch es sind gewaltige schwenkbare Augen, die den Himmel beobachten. Das Hochenergie-Stereoskopische System (H.E.S.S.) besteht aus vier reflektierende Spiegelteleskope, jeweils 12 Meter groß, diese sind um ein größeres Teleskope mit einem 28-Meter-Spiegel angeordnet.

Die Teleskope wurden so konzipiert, dass sie ein seltsames Flackern in blauem Licht – sogenannte Tscherenkow-Strahlung – aufspüren können. Diese Strahlung entsteht, wenn sich geladene Teilchen etwas schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit in der Luft. Dieses Licht wird abgestrahlt, wenn ein Gammastrahl von einer fernen Quelle ein Molekül in der Erdatmosphäre trifft und einen Schauer geladener Teilchen auslöst.

H.E.S.S. ist empfindlich für einige Photonen mit sehr hoher Energie (TeV), die das Universum durchqueren. Das System H.E.S.S. ist seit 2003 in Namibia in Betrieb und sucht nach Dunkler Materie. Bisher entdeckte es mehr als 50 Quellen, die energiereiche Strahlung abgeben, zum Beispiel Supernovaüberreste oder die Zentren von Galaxien, die sehr massereiche Schwarze Löcher enthalten.

Die H.E.S.S.-Teleskope wurden im Juni gefilmt. Die Zeitrafferaufnahmen zeigen, wie sie vor dem Hintergrund der Milchstraße und den Magellanschen Wolken schwenken und starren. Gelegentlich zischt ein Satellit im Erdorbit vorbei.

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Nordlicht über Südeuropa

Über Cáceres in Zentralspanien leuchteten Polarlichter. Im Vordergrund ragt ein Gebäude über den Horizont, dahinter leuchtet der Himmel unten orangefarben und darüber violett.

Bildcredit und Bildrechte: Lorenzo Cordero

Habt ihr in den letzten zwei Nächten ein Polarlicht gesehen? Viele Leute, die nicht im hohen Norden der Erde leben, konnten eines beobachten. Berichte von Polarlichtern in den USA kamen nicht nur aus nördlichen Gegenden wie Alaska, sondern auch aus dem Süden, etwa Texas oder Arizona. Auch über Europa und Asien breitete sich ein riesiges Polarlichtoval aus.

Hier seht ihr ein eindrucksvolles rotes Polarlicht, das letzte Nacht in der Nähe der Stadt Cáceres in Zentralspanien fotografiert wurde. Auch aus Teilen von Südspanien kamen Berichte.

Die Polarlichter waren das Ergebnis eines starken koronalen Massenauswurfs (KMA) vor wenigen Tagen auf der Sonne. Teilchen des KMA durchquerten das innere Sonnensystem und kollidierten mit dem Magnetfeld der Erde. Von dort wanderten Elektronen und Protonen auf spiralförmigen Bahnen entlang der nördlichen Magnetfeldlinien der Erde hinab und kollidierten mit Sauerstoff und Stickstoff in der Erdatmosphäre. So kam es zu malerischen Polarlichtern.

Unsere ungewöhnlich aktive Sonne bietet vielleicht bald wieder eine Gelegenheit, um Nordlichter am Südhimmel zu sehen.

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Bestätigtes Myonen-Taumeln bleibt rätselhaft

Experimente des Brookhaven National Laboratory und des Fermilabs (Bild) sind vielleicht ein Hinweis, dass es virtuelle Teilchen gibt, die außerhalb des Standardmodells liegen.

Bildcredit: Fermilab Nationales Labor; Fotograf: Reidar Hahn

Beschreibung: Wie schnell taumeln Elementarteilchen? Eine überraschende Antwort auf diese scheinbar belanglose Frage kam 2001 vom Brookhaven National Laboratory in New York in den USA. Sie lässt die Vermutung zu, dass das Standardmodell der Teilchenphysik, das in der Physik weithin anerkannt wird, unvollständig ist. Das Ergebnis besagt, dass grundlegende Komponenten des Universums noch nicht entdeckt wurden.

Besonders das Myon wird seit 1999 in einer Serie an Experimenten, die als g-2 (g minus zwei) bekannt sind, wegen seiner relativ starken Taumelbewegung unter die Lupe genommen. Das Myon ist ein Teilchen ähnlich einem schweren Elektron. Experimentiergruppen auf der ganzen Welt versuchten, das Ergebnis von Brookhaven zu bestätigen, und setzte Theoretiker*innen unter Druck, es besser zu verstehen.

Letzte Woche wurde berichtet, dass das bisher empfindlichste Myonen-Taumelexperiment, das am hier abgebildeten nationalen Fermi-Labor (Fermilab) in Illinois durchgeführt wurde, mit dem Ergebnis von Brookhaven übereinstimmte und ebenfalls ein leicht anomales Myonen-Taumeln nachwies.

Die Taumelrate ist sensitiv für ein seltsames Meer virtueller Teilchen, die überall aus dem Nichts auftauchen und wieder verschwinden. Die unerwartete Taumelrate ist vielleicht ein Hinweis, dass dieses Meer virtuelle Teilchen einer Art enthält, die außerhalb des Standardmodells liegt. Alternativ ist es vielleicht ein Hinweis, dass es Fehler in den theoretischen Vorhersageberechnungen gibt. An diesen Prognosen sind typischerweise extrem komplexe Supercomputer beteiligt.

Künftige Durchläufe am Fermilab-g-2-Experiment werden die Präzision weiter erhöhen – und vielleicht auch den statistischen Unterschied zwischen dem Universum, das wir messen, und dem Universum, das wir verstehen.

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Kosmische Strahlen aus Minnesota

Das Archivbild zeigt cyanfarbene Streifen auf einem Raster. Es stammt von archive.org. Der Link zur ursprünglichen Site ist nicht mehr aktuell.
Bildcredit: Fermilab, NuMI, NOvA Collaboration

Kosmische Strahlung aus dem All rast jede Sekunde durch den Körper. Doch für gewöhnlich schadet sie nicht. Das Bild zeigt einige dieser schnellen Teilchen. Sie ziehen Streifen auf dem NOvA Far Detector des Fermilabs, der in Ash River in Minnesota in den USA steht. Das Bild stammt aus dem Archiv. Es visualisiert kosmische Strahlen, die in einem kleinen Bruchteil dieser Zeit auftraten, und es zeigt hauptsächlich eine Teilchenart: Myonen.

Der NOvA Far Detector misst jedoch nicht kosmische Strahlung, sondern in erster Linie einen Strahl aus Neutrinos. Dieser entsteht 810 Kilometer entfernt vom Fermilab in Chicago in Illinois (USA) von NuMI und schießt von dort aus durch die Erde. Man erwartet jedoch nur wenige Neutrino-Ereignisse pro Woche von NOvA. Das NuMI–NOvA-Experiment soll uns helfen, die Natur der Neutrinos besser zu erforschen. Wir möchten zum Beispiel wissen, wie oft sie auf ihrer Reise die Art wechseln.

Kosmische Strahlung wurde erst vor etwa 100 Jahren entdeckt. Sie kann nicht nur das Gedächtnis eines Computers verändern, sondern führte vermutlich auch zu Mutationen der DNS, bei denen schließlich der Mensch entstand.

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