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Teilchen
Die Forschung mit Photonen ermöglicht Einblicke in die belebte und unbelebte Welt von nicht gekannter Präzision.
Mit bloßen Augen ist die Welt des Allerkleinsten nicht zu erkennen. Deshalb wird mit teils gigantischen Geräten nach dem Prinzip des Streuversuchs die Natur erforscht.
Mit den Lichtintensitäten, die moderne Hochleistungslaser erreichen, lassen sich geladene Teilchen auf hohe Energien beschleunigen.
Als Spiegelbild der Materie sollte Antimaterie im Urknall zu gleichen Teilen entstanden sein wie die gewohnte Materie. Doch das Universum scheint nur aus Materie zu bestehen.
Erhitzt man Materie immer mehr, so entsteht irgendwann ein Plasma. Dieser vierte Materiezustand ist auch für technische Anwendungen von Interesse.
Wie man die Existenz der Atome und Moleküle bewiesen hat, ist eines der spannendsten Kapitel in der Geschichte des menschlichen Geistes.
Die Kernphysik erforscht Strukturen, die aus Protonen und Neutronen hervorgehen, während sich die Hadronenphysik mit den Eigenschaften von allen Partikeln beschäftigt, die sich aus Quarks zusammensetzen.
Teilchenphysik
Neutrinos sind neben Photonen die häufigsten Teilchen im Universum und zugleich äußerst unscheinbar und rätselhaft.
Am Anfang waren nur Wasserstoff und Helium. Die schweren natürlich vorkommenden Atome werden in den Sternen produziert – und im Labor geht es noch weiter.
Obwohl die Erfindung des Lasers im Jahr 1960 auf den Ergebnissen reiner Grundlagenforschung beruht, hat er längst seinen festen Platz in unserem Alltag.
Das Licht, das wir sehen können, ist nur ein kleiner Teil des sogenannten elektromagnetischen Spektrums.
Fliegen geladene Teilchen in einem Magnetfeld um die Kurve, so geben sie Strahlung ab. Diese Strahlung wird heute zu Forschungszwecken genutzt.
Im Mai 2017 wurde am European XFEL – dem weltweit leistungsfähigste Röntgenlaser – erstmals Laserlicht erzeugt und am 1. September wurde der Freie-Elektronen-Laser offiziell eröffnet.
Elementarteilchen
Als präziseste Waage der Welt soll das Experiment KATRIN die genaue Masse der häufigsten Elementarteilchen im Universum bestimmen.
Mit Streuversuchen erforschen Physiker die Materie. Die Wahl geeigneter Teilchen und Energien ist dabei ebenso wichtig wie die des richtigen Detektors.
Sie sind ein mächtiges Werkzeug bei der Erkundung der Naturgesetze und beim Blick ins Innere der Materie: die Teilchenbeschleuniger.
Am GSI Helmholtzzentrum in Darmstadt entsteht eine neue Beschleunigeranlage, die weltweit einzigartige Experimente ermöglichen wird.
Claus Ropers von der Universität Göttingen über einen neuartigen photoelektrischen Effekt, bei dem sich die Elektronen völlig anders verhalten als beim üblichen Photoeffekt.
Das schwerste Element, das noch in nennenswerten Mengen in der Natur vorkommt, ist das Uran. Nach und nach erzeugen Wissenschaftler immer schwerere Elemente, die nur für wenige Bruchteile einer Sekunde existieren.
Im Hamburger Synchrotronstrahlungslabor HASYLAB arbeiten Naturwissenschaftler verschiedener Fachrichtungen sowie Industrieunternehmen an unterschiedlichen Fragestellungen.
Die neue Anlage FAIR wird eine nie dagewesene Vielfalt an Experimenten für hocheffiziente und zugleich kostensparende Spitzenforschung ermöglichen
Mit FAIR entsteht in Darmstadt ein Zentrum für die Forschung mit Ionen und Antiprotonen, das einzigartige Einblicke in die Struktur der Materie ermöglichen wird.
Wie entstanden die Bestandteile der Materie? Wodurch entsteht die Masse der Teilchen – oder warum sind Protonen und Neutronen schwerer als ihre Bestandteile?
Die Prozesse zur Entstehung der Elemente werfen noch immer einige Fragen auf. Zur Beantwortung sind bei FAIR Experimente mit Strahlen radioaktiver Teilchen geplant.
Der vierte Aggregatzustand wird allgemein als Plasma bezeichnet. Plasmen können sehr unterschiedlich beschaffen sein und geben teilweise noch Rätsel auf.
Das nächste gigantische Projekt der Teilchenphysik ist derzeit in Planung: der Internationale Linearcollider ILC.
Welchen Energieverbrauch hat der LHC? Wie schnell sind die Protonen im LHC? Kurz und prägnant finden Sie hier Antworten auf viele Fragen zum LHC.
ATLAS und CMS, die beiden großen Experimente am LHC, wurden in der Betriebspause auf höhere Protonenenergien und Kollisionsraten vorbereitet.
Die Physiker bei ATLAS setzen auf den größten Teilchendetektor, der je an einem Beschleuniger gebaut wurde.
Die großen Experimente ALICE, ATLAS, CMS und LHCb mit ihren hochhausgroßen Detektoren wurden entwickelt, um offene Fragen der Teilchenphysik zu beantworten.
Seltene Ereignisse
Vielfältiger Nutzen
15 Jahre lang prallten im Teilchenbeschleuniger HERA bei DESY in Hamburg Elektronen und Protonen aufeinander. Im Sommer 2007 endete die Datennahme.
Mit dem HASYLAB zählt das Forschungszentrum DESY zu den weltweit wichtigsten Adressen für die Forschung mit Synchrotronstrahlung.
Am Hochfeldmagnetlabor in Grenoble entdeckten Physiker 1980 den Quanten-Hall-Effekt. Fünf Jahre später erhielt Klaus von Klitzing dafür den Nobelpreis für Physik.
Neun Staaten werden FAIR gemeinsam errichten. Sie haben im Oktober 2010 ein entsprechendes völkerrechtliches Abkommen unterzeichnet.
Viele Aspekte der starken Kraft sind bereits erforscht – aber viele Fragen bleiben: zum Beispiel die nach der Art des Zusammenhalts der Quarks in den Kernbausteinen.
Um den extrem selten wechselwirkenden Teilchen auf die Spur zu kommen, braucht man ausgeklügelte Nachweissysteme. Diese befinden sich meist tief unter der Erde.
Quantenmechanische Effekte von Atomen spielen bei vielen Phänomenen eine Rolle, etwa bei der Suprafluidität oder bei Einstein-Bose-Kondensaten.
Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle bekannten Elementarteilchen sowie deren Wechselwirkungen. Doch es sind noch einige Fragen offen.
Es gibt überzeugende Hinweise, dass das Standardmodell der Teilchenphysik eines Tages überholt werden muss. Die Physiker haben bereits Konzepte für die Zukunft parat.
Bei der Suche nach dem, „was die Welt im Innersten zusammenhält“, stießen Physiker in immer kleinere Dimensionen vor. Dabei entdeckten sie nicht nur neue Teilchen, sondern auch bislang unbekannte Kräfte.
Die Quantentheorie behauptet, dass der Zustand mikroskopischer Objekte vor einer Messung nicht nur nicht bekannt, sondern völlig unbestimmt ist.
Mit dem Auge sind die winzigen Partikel, nach denen die Teilchenphysik sucht, nicht sichtbar. Erst die haushohen Detektoren erlauben es, das Unsichtbare sichtbar zu machen.
Eine der erfolgreichsten Methoden, um einzelne Teilchen zu manipulieren, beruht auf der Kombination von elektromagnetischen Fallen und Laserkühlung.
Wissenschaftler erforschen mit der „Bose-Einstein-Kondensation“ ultrakalte Gaswolken, deren Atome den gleichen „Quantenzustand“ besetzen.
Ultrakalte Gaswolken, deren Atome den gleichen „Quantenzustand“ besetzen, sogenannte Bose-Einstein-Kondensate, könnten die Entwicklung völlig neuer Technologien anstoßen.
Phänomene wie der Übergang vom Metall zum Isolator sind geprägt von Quanteneigenschaften der Stoffe. Meist müssen diese bei wenigen Grad Kelvin studiert werden.
An den Experimenten ALICE, ATLAS, CMS und LHCb gehen Wissenschaftler offenen Fragen der Teilchenphysik nach.
Bei der Supersymmetrie geht es darum, die strikte Trennung zwischen Materie und Kräften aufzuheben. Der Preis: Die Zahl der Teilchen würde sich verdoppeln.
Das Standard-Modell, die rund dreißig Jahre alte Sammlung der Erkenntnisse über die Teilchenwelt galt lange als ungeschlagen. Aber ein Teilchen ist flüchtig.
Wie man die ganze materielle Welt auf 92 Grundbausteine zurückgeführt hat, ist eines der spannendsten Kapitel in der Geschichte der Wissenschaft.
Das Bild vom Aufbau der Materie von Demokrit (460–371 v. Chr.) bis Bohr (1885–1962)
Anhand von Streuversuchen untersuchen Physiker, wie ein Probenteilchen aussieht. Dabei wird ein Teilchen, das als Sonde fungiert, an der zu untersuchenden Probe gestreut.
Als Bausteine des Atomkerns halten Hadronen die Welt zusammen: Die starke Wechselwirkung zwischen ihnen sorgt dafür, dass Materie so beschaffen ist, wie wir sie kennen. Wer diese subatomaren Vorgänge studieren will, braucht ein besonderes…
1992 gingen die ersten beiden Experimente an der Elektron-Proton-Speicherringanlage HERA in Betrieb: H1 in der Halle Nord und ZEUS im Süden.
Das Handwerkszeug moderner Kernphysiker ist keine graue Theorie: Quarks und Gluonen haben eine Eigenschaft, die die Forscher „Farbe“ nennen.
Röntgenstrahlung eignet sich als Werkzeug und als Sonde für Nanostrukturen.
Der Femtosekundenlaser erlaubt es den Forschern, chemische Reaktionen wie in Zeitlupe zu verfolgen und zu beobachten, wie sich die Atome dabei im Molekül verhalten.
Röntgenstrahlung eignet sich sowohl als Werkzeug bei der Herstellung von immer kleineren Strukturen als auch als Sonde für Strukturuntersuchungen.
Ein Gebiet der Quantenoptik befasst sich damit, ultrakurze Laserpulse zu erzeugen. Forscherteams ist es gelungen, Pulse mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden herzustellen.
Der LHC befindet sich am europäischen Teilchenphysikzentrum CERN bei Genf. Er wird die Teilchenphysik der nächsten zehn bis zwanzig Jahre prägen.
Wissenswertes zum European XFEL auf einen Blick: Eigenschaften der Röntgenstrahlung, Standort, Betreiber, Kosten, Ereignisse
Die Röntgenblitze des European XFEL ermöglichen es, chemische Reaktionen mit atomarer Auflösung zu filmen, ebenso wie die Entstehung von Feststoffen.
Im XFEL werden Elektronen auf hohe Energien gebracht und anschließend durch spezielle Magnetanordnungen gelenkt, in denen sie Röntgenlichtblitze aussenden.
Der European XFEL wird hochintensive ultrakurze Röntgenblitze mit den Eigenschaften von Laserlicht erzeugt.
Nach Jahren in den USA kam der Physiker Bjørn Wiik 1971 mit der Idee nach Deutschland, ein überdimensionales Elektronenmikroskop für Protonen zu bauen.
Die Entscheidung für HERA war für DESY in vielerlei Hinsicht Neuland. Zum Beispiel gab es noch keinen Großbeschleuniger mit Supraleitungs-Technologie.
Der HERA-Speicherring bei DESY in Hamburg ist weltweit die einzige Beschleunigeranlage dieser Größe, die mitten in einer Großstadt betrieben wird.
Die starke Bündelung des Laserstrahls, kombiniert mit seiner hohen Lichtintensität, eröffnet ihm überall dort Anwendungsgebiete, wo man masselose Lineale braucht.
0,000 000 000 000 000 001 Sekunden: So unvorstellbar kurz ist eine Attosekunde. Mit solch kurzen Lichtpulsen sollen Vorgänge im Inneren eines Atoms sichtbar werden.
An der neuen Anlage von FAIR wollen Atomphysiker die Eigenschaften von Antimaterie und hoch-geladenen Ionen untersuchen.
Im Urknall sollten Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstanden sein. Doch wo ist die Antimaterie geblieben? Gibt es im Universum womöglich ganze Galaxien aus Antimaterie?
1995 gelang es erstmals, Atome aus Antimaterie zu beobachten. Antiwasserstoffatome sind bestens geeignet, um die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie aufzuspüren.
Britische Ingenieure präsentieren den wohl längsten Laser der Welt -- ein 75 Kilometer langes Glasfaserkabel bildet das Herzstück.
Bislang stehen Forschungsgruppen Schlange, wenn sie Atome, Moleküle oder Kristalle per hochenergetischer Röntgenstrahlung untersuchen wollen: Weltweit gibt es nur wenige der riesigen und teuren Synchrotron-Anlagen, die diese Strahlung produzieren.…
Der extrem intensive Röntgenstrahl von PETRA III garantiert exzellente Experimentiermöglichkeiten.
An das energiereiche Ende des sichtbaren Lichts grenzt die Ultraviolettstrahlung. Sie ist dafür verantwortlich, dass wir in der Sonne braun werden oder T-Shirts im Discolicht leuchten.
Das nächste große Zukunftsprojekt der Teilchenphysik ist der internationale Linearcollider ILC – ein gewaltiger Linearbeschleuniger.
Licht aus kontinuierlichen Lasern zeichnet sich durch viele Besonderheiten aus: Es ist einfarbig, verfügt über wohlgeformte Wellenzüge und ist stark gebündelt.
Atome können Licht aussenden – beispielsweise immer dann, wenn sie durch Stöße oder Licht mit zusätzlicher Energie versorgt wurden.
Der ILC wird es erlauben, Fragen zur Natur von Materie, Energie, Raum und Zeit sowie zur Dunklen Materie und Energie und zu Extra-Dimensionen zu untersuchen.
Schon kurz nach ihrer Entdeckung wurde die Röntgenstrahlung in der Medizin genutzt. Heute leistet sie außerdem für Archäologie und Kunst wertvolle Dienste.
Nur ein ganz kleiner Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist für das menschliche Auge sichtbar. Zu ihm gehören alle Farben des Regenbogens.
Am unteren Ende des elektromagnetischen Spektrums liegen die Radiowellen. Sie werden zur Informationsübertragung genutzt.
Die Anwendungen von Mikrowellen sind vielfältig: Aufwärmen von Fertiggerichten, Radar, Satellitenfernsehen sowie Beschleunigen von Elektronen in Röntgenlasern.
In den 1960er Jahren begann man bei DESY, die an Teilchenbeschleunigern erzeugte Synchrotronstrahlung für Forschungszwecke zu nutzen.
In Freie-Elektronen-Lasern werden Elektronen auf hohe Energien beschleunigt und in speziellen Magnetanordnungen zur Aussendung intensiver Lichtblitze gebracht.
Werden leichte, geladene Teilchen durch ein Magnetfeld abgelenkt, senden sie tangential zur Bewegungsrichtung elektromagnetische Wellen aus - die Synchrotronstrahlung.
Von der Idee zum Weltprojekt: die wichtigsten Meilensteine auf dem Weg zum International Linear Collider ILC.
Gammastrahlung bildet das kurzwellige Ende des elektromagnetischen Spektrums. Ihre Wellen haben die höchsten Frequenzen und die höchsten Energien.
Mit einem breiten Themenspektrum rund um Wissenschaft und Gesellschaft beginnt heute in München die Jahrestagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG).
Rund 500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler treffen sich vom 28. bis zum 31. März 2006 an der Universität Dortmund, um über neueste Forschungsergebnisse der Teilchenphysik und die philosophischen Aspekte ihrer Arbeit zu diskutieren.
Physik hinter den Dingen
Tagsüber erscheint der wolkenlose Himmel blau, abends jedoch orange bis rot. Das Geheimnis dahinter liegt in der Art, wie das Sonnenlicht in der Atmosphäre gestreut wird.
Beim internationalen Linearcollider soll supraleitende Technologie eingesetzt werden, sie hat entscheidende Vorteile gegenüber der normalleitenden Variante.
Ein europäisches Forscherteam hat Hinweise darauf gefunden, dass die fundamentalen Naturkonstanten der Physik sich über kosmologische Zeiträume ändern. Danach war das Verhältnis der Protonenmasse zur Elektronenmasse vor zwölf Milliarden Jahren um…
Mikrowellenherde funktionieren ohne Kontakt zu einer Wärmequelle. Denn hier werden Wassermoleküle durch Mikrowellenstrahlung hin- und hergedreht und erzeugen durch Reibung Wärme.
Wenn Goldionen fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallen, entsteht eine gewaltige Hitze von bis zu tausend Milliarden Grad, begleitet von subatomaren Trümmerteilchen. Freigesetzte Lichtteilchen liefern wichtige Daten über die herrschenden…
Wenn T-Shirts, Haarschuppen oder Geldscheine in besonderem Licht zu leuchten beginnen, könnte es an fluoreszierenden Bestandteilen liegen.
Physiker entdecken neuen Bindungszustand von Atomen.
Quelle: https://www.weltderphysik.de/service/suche/
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