Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf den Spuren des rätselhaften Top-Quarks

06.02.2007
An der Universität Bonn hat eine neue Emmy-Noether-Gruppe ihre Arbeit angetreten. Der Teilchenphysiker Dr. Markus Cristinziani und seine Mitarbeiter heften sich unter anderem auf die Spur des rätselhaften Top-Quarks, eines Elementarteilchens, das in den ersten Billionstel Sekunden nach dem Urknall existierte. Heute kann man es nur noch in gewaltigen Beschleunigern erzeugen.

Das Top-Quark gilt als Hoffnungsträger der Physiker: Seine Erforschung könnte unser Verständnis vom Aufbau der Materie tiefgreifend verändern. Dafür fließen in den nächsten fünf Jahren 1,2 Millionen Euro aus dem Säckel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an den Rhein.

Quarks sind die "Grundbausteine" der Protonen und Neutronen - das sind die Teilchen, aus denen sich die Atomkerne zusammensetzen. Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei Quarks. Isolieren lassen sich diese jedoch nicht. Man kann Protonen aber zertrümmern, indem man sie mit extrem hoher Geschwindigkeit aufeinanderschießt. Unter den Bruchstücken, die dabei entstehen, sind auch Quarks, die es heute unter natürlichen Bedingungen gar nicht mehr gibt. Grund ist die bereits von Einstein formulierte Äquivalenz von Masse und Energie: Die Energie, die beim Crashtest im Beschleuniger frei wird, gebiert gewissermaßen neue Teilchen.

Das Top-Quark ist ein solcher Neuzugang im physikalischen Teilchenzoo. Es entsteht bei energiereichen Kollisionen, die nur in sehr großen Beschleunigern erreicht werden können. 1995 wurde es in Chicago zum ersten Mal nachgewiesen. Weniger als 1.000 Mal konnten Physiker das rätselhafte Teilchen seitdem beobachten. Entsprechend wenig ist bis heute über das Top-Quark bekannt. Was man weiß, ist, dass es für ein Elementarteilchen extrem schwer ist: Es wiegt fast soviel wie ein Gold-Atom. "Und eben dieses Gewicht ist es, das das Top-Quark für uns so interessant macht", erklärt Dr. Markus Cristinziani. Da Quarks wie entgegengesetzt gepolte Magnete normalerweise direkt nach ihrer Geburt zu zusammengesetzten Teilchen "verkleben", geben sie nur sehr wenig über sich als Individuen Preis. Anders das Top-Quark: Es ist aufgrund seines Gewichts so instabil, dass es direkt zerfällt. "Die Zerfallsprodukte lassen sich aber mit physikalischen Methoden analysieren", sagt der Leiter der Emmy-Noether-Gruppe. "Dabei lernen wir viel über das Top-Quark, aber auch über den Aufbau der Materie insgesamt."

... mehr zu:
»Physik »Teilchen »Top-Quark

Und wozu das Ganze? "Physiker erklären sich den Aufbau der Materie mit einer Theorie, dem so genannten Standardmodell der Teilchenphysik", erklärt Cristinziani. "Diese Theorie hat aber Lücken: Die Vorhersagen, die sich von ihr ableiten lassen, decken sich mitunter nicht mit den Beobachtungen, die man in jüngster Zeit gemacht hat." So zeigen Messungen, dass unser Universum entgegen aller Prognosen immer schneller auseinanderstrebt. Als Triebkraft vermutet die Physikergemeinde eine rätselhafte "dunkle Energie". Worum es sich dabei handeln könnte, erklärt das Standardmodell jedoch nicht. "Das Top-Quark dient uns als Tür, durch die wir tiefer in die Geheimnisse der Materie eindringen können", sagt der Teilchenphysiker.

Schon während seiner Doktorarbeit hat der 34-jährige Deutsch-Italiener einige Zeit beim Europäischen Labor für Teilchenphysik CERN in Genf gearbeitet; danach forschte er drei Jahre an der renommierten Universität im US-amerikanischen Stanford. Jetzt kehrt der Vater zweier Kinder zu seiner alten Wirkungsstätte zurück: Am CERN geht nämlich in einigen Monaten der weltgrößte Teilchenbeschleuniger in Betrieb. Dort werden Cristinziani und seine Mitarbeiter ihre Protonen-Crashtests durchführen.

Damit hängt auch ein zweiter Schwerpunkt ihrer Arbeit zusammen: Die Entwicklung ultraschneller Detektoren, mit denen sich die Produkte der Kollisionen nachweisen lassen. Pro Sekunde kommt es im Beschleuniger zu 40 Millionen Zusammenstößen; dabei entstehen jeweils über tausend Teilchen. In der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Norbert Wermes vom Physikalischen Institut wurde dazu eigens ein Detektor entwickelt, der die Reaktionsprodukte auf einen hundertstel Millimeter genau orten kann - und das gleich vierzigmillionenmal pro Sekunde. Wie der Lichtsensor einer Digitalkamera besteht er aus haarfeinen rechteckigen Zellen, die dicht nebeneinander angeordnet sind - den sogenannten Pixeln. Durchquert ein Teilchen einen Pixel, sendet dieser Ort, Zeit und Signalgröße an den Rand der Elektronikchips, wo die Messwerte in schnelle Lichtsignale umgewandelt und durch optische Fasern zum Computer geschickt werden. In mehreren Ebenen zylinderförmig um den Entstehungsort der Reaktion angeordnet, liefert der Pixel-Detektor so die Punkte einer Teilchenspur, mit deren Hilfe die Forscher rekonstruieren können, was genau sich beim Crash im Beschleuniger zugetragen hat.

Zehn Jahre Entwicklungsarbeit stecken in dem Pixeldetektor, der am Ende des Jahres seinen Betrieb aufnimmt. Dann sind die Bonner Physiker aber bereits bei den Vorarbeiten für einen Nachfolger. "Die Strahlendosis, die bei den Kollisionen entsteht, ist so hoch, dass wir Schäden am Detektor erwarten", erklärt Cristinziani. "Wir versuchen daher, ein robusteres Modul zu entwickeln - dafür werden wir härteres Silizium oder vielleicht Diamant verwenden."

Kontakt:
Dr. Markus Cristinziani
Physikalisches Institut der Uni Bonn
Telefon: 0228/73-5762
E-Mail: cristinz@uni-bonn.de

Frank Luerweg | idw
Weitere Informationen:
http://mc-eng.physik.uni-bonn.de/

Weitere Berichte zu: Physik Teilchen Top-Quark

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie