Jahresrückblick 2015

Das Jahr neigt sich dem Ende entgegen – höchste Zeit, noch einmal auf einige der physikalischen Ereignisse in 2015 zurückzublicken, die der Redaktion und dem Kuratorium von Welt der Physik besonders im Gedächtnis geblieben sind.

Farben von rot bis blau stellen die Strahlung des Staubes da, während hingegen strukturierte Linien das magnetische Feld der Galaxis anzeigen. Während das Bild in der oberen Hälfte die stärkste Staubkonzentration zeigt (das Bild ist hier rot), ist auch der Staub in dem weiß markierten Sichtfeld des BICEP2-Teleskops nicht vernachlässigbar.
Planck beobachtete den gleichen Himmelsausschnitt wie BICEP2

Gleich im Januar bestätigte sich, was man 2014 bereits gemutmaßt hatte: Die Spuren von Gravitationswellen aus der Frühphase des Kosmos, die Forscher im kosmischen Mikrowellenhintergrund aufgespürt haben wollten, entpuppten sich endgültig als Fehlmeldung. Eine kombinierte Analyse der Daten des BICEP2-Teams und des Weltraumteleskops Planck zeigte, dass es sich bei den Messungen lediglich um den Nachweis eines unerwünschten Störsignals handelt: Staub aus dem Milchstraßensystem.

Im Februar machte der von 2009 bis 2013 aktive Planck-Satellit erneut Schlagzeilen, als die beteiligten Wissenschaftler die endgültigen Messdaten und die daraus abgeleiteten Ergebnisse veröffentlichten. Die ersten Sterne im Kosmos sind demnach 550 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden, hundert Millionen Jahre später als bislang angenommen. Damit verzögerte sich auch die sogenannte Reionisierungsepoche, die mit dem Aufleuchten der ersten Sterne einsetzte: Die Atome des im Kosmos verteilten Wasserstoffgases wurden von den Photonen der Strahlung in Protonen und Elektronen aufgespalten. „Dieses Ergebnis hat wichtige Konsequenzen für unser Verständnis der Galaxienentwicklung“, kommentiert Matthias Bartelmann von der Universität Heidelberg. Planck lieferte das bislang detailreichste Bild des Urknallechos.

Neue Rekordenergien am LHC

Im April 2015 nahm der Large Hadron Collider den Betrieb wieder auf und produzierte im Mai erstmals Kollisionen bei 13 Teraelektronenvolt – rund sechzig Prozent mehr Energie als in der vorherigen Messphase. Techniker und Wissenschaftler hatten die zweijährige Betriebspause genutzt, um sowohl den Beschleuniger als auch die Detektoren auf die höheren Protonenenergien und Kollisionsraten in der zweiten Laufzeit vorzubereiten. Die höhere Energie und die in den kommenden Jahren erreichte höhere Datenrate ermöglichen es, die Materie und die in ihr wirkenden Kräfte noch genauer zu verstehen. „Die Physiker am LHC erhoffen sich insbesondere Hinweise darauf, wie die offenen Fragen des Standardmodells beantwortet werden können, beispielsweise was Dunkle Materie ist und wie sie sich in ein umfassenderes physikalisches Weltbild einordnet“, sagt Peter Mättig von der Universität Wuppertal.

Schematische Darstellung. Der aufgeschnittene Teil des Magneten legt die beiden getrennten Magnetspulen offen und zeigt die beiden getrennten Vakuumkammern.
Einblick in den Speicherring

Erste Ergebnisse aus diesem Jahr, also bei höheren Kollisionsenergien, wurden am 15. Dezember am CERN vorgestellt. „Auch wenn es kleine interessante Abweichungen von den Erwartungen gibt, reicht die gesammelte Menge der Daten nicht aus, um definitive Antworten zu geben“, so Mättig. Gespannt warten die Physiker auf das nächste Jahr, in dem sehr viel mehr Daten erwartet werden. Knapp drei Jahre nach der Entdeckung des Higgs-Bosons schlossen die Teams der beiden Experimente ATLAS und CMS in 2015 zudem ihre Analyse der Daten bei sieben und acht Teraelektronenvolt ab. Aus den kombinierten Ergebnissen ließen sich die Eigenschaften des Higgs sehr genau vermessen. So konnte die Masse des Higgs auf 125,09 Gigaelektronenvolt bestimmt werden, mit einer Unsicherheit von 0,2 Prozent. „Alle Produktions- und Zerfallseigenschaften stimmen innerhalb der bisher erreichten Genauigkeit von rund zehn Prozent mit den Erwartungen des Standardmodells für ein einziges Higgs überein“, kommentiert Mättig.

Im Juli erreichte New Horizons nach über neun Jahren Flugzeit als erste Raumsonde den Zwergplaneten Pluto und flog in einer Entfernung von nur 12 600 Kilometern an ihm vorbei. Die Sonde machte dabei auch Aufnahmen von Plutos fünf bekannten Monden, allen voran von seinem größten Mond Charon. Wenige Stunden nach dem Vorbeiflug gab es die ersten Bilder und im Oktober die ersten veröffentlichten Ergebnisse. Die Oberfläche des eisigen Zwergplaneten Pluto zeigt höchst unterschiedliche Landschaftsformen, von flachen Ebenen bis zu Gebirgszügen, die sich nicht nur bezüglich Bodenbeschaffenheit und chemischer Zusammensetzung, sondern auch altersmäßig deutlich unterscheiden. Die Oberfläche des Pluto hat sich durch bislang unbekannte Prozesse immer wieder erneuert, folgern die Wissenschaftler – bis in die heutige Zeit hinein. Die Forscher hoffen in den kommenden Monaten nicht nur auf ein besseres Verständnis der bisher entdeckten Phänomene, sondern auch mit weiteren Überraschungen.

Schlupflöcher gestopft

Im Herbst stellten drei Forschergruppen bedeutende Experimente für die Quantenphysik vor. Grundlegende Annahmen der sogenannten Kopenhagener Deutung – eine von den meisten Physikern akzeptierte Interpretation der Quantenmechanik – widersprechen unserer Alltagserfahrung: Die Eigenschaften eines Quantenteilchens werden beispielsweise erst durch eine Messung festgelegt; zudem kann eine Messung an einem Teilchen unmittelbar den Zustand eines anderen mit ihm quantenmechanisch verschränkten Teilchens beeinflussen, egal wie weit beide voneinander entfernt sind. Damit wären gleich zwei Prinzipien der klassischen Physik nicht eingehalten, zum einen Lokalität – es gibt keine „spukhafte Fernwirkung“ – und zum anderen Realismus – die Eigenschaften der Gegenstände existierten unabhängig davon, ob wir sie messen.

Versuchsaufbau für den Bell-Test
Versuchsaufbau für den Bell-Test

Deshalb lehnten mehrere Physiker diese Interpretation der Quantenmechanik ab und verteidigten den lokalen Realismus, unter ihnen auch Albert Einstein. 1964 entwickelt der Physiker John Bell eine Ungleichung, die Aussagen darüber macht, wie stark die Messergebnisse an quantenmechanisch verschränkten Teilchen im Rahmen einer lokal realistischen Theorie miteinander korreliert sein dürfen. Zahlreiche Experimente, sowohl an quantenmechanisch verschränkten Photonen als auch Atomen, stimmten mit den Vorhersagen der Quantenmechanik überein und verletzten die Bell-Ungleichung. Allerdings ließen die Experimente verschiedene „Schlupflöcher“ offen: Zwischen den Teilchendetektoren könnte beispielsweise ein Signal ausgetauscht worden sein und das Messresultat beeinflusst haben. Und da sich nur ein Bruchteil der erzeugten Teilchenpaare nachweisen ließ, waren die gemessenen starken Korrelationen möglicherweise nicht repräsentativ.

Es ließ sich also nicht gänzlich ausschließen, dass die beobachteten Korrelationen eben doch im Rahmen von lokal realistischen Theorien erklärbar wären. 2015 gelang es nun gleich drei Teams, zwei relevante Schlupflöcher in ihren Experimenten auf einmal zu stopfen: Wissenschaftler um Lynden Shalm vom NIST im US-amerikanischen Boulder sowie Marissa Giustina von der Universität Wien nutzten dafür verschränkte polarisierte Lichtquanten, Forscher um Bas Hensen an der niederländischen TU Delft untersuchten dagegen verschränkte Elektronenspins. „In den vergangenen Jahrzehnten konnten Experimentalphysiker entweder das eine oder das andere Schlupfloch schließen – erst jetzt beide gleichzeitig. Das ist eine Bestätigung der Quantenmechanik a la Bohr und widerlegt die Zweifel von Einstein“, kommentiert Dagmar Bruß von der Universität Düsseldorf die Ergebnisse. Die Quantenwelt verhält sich also ziemlich sicher so seltsam, wie sie die Quantenmechanik vorhersagt.

Nobelpreis für Neutrino-Oszillationen

Der Nobelpreis für Physik 2015 ging an Takaaki Kajita von der University of Tokyo in Japan und Arthur McDonald von der Queen’s University in Kanada „für die Entdeckung der Neutrinooszillation, die zeigt, dass Neutrinos Masse besitzen“. Damit ehren die Königlich Schwedische Akademie und das Nobelpreiskomitee den Beitrag der beiden Forscher zu Experimenten, in denen sich erstmals nachweisen ließ, dass sich Neutrinos – die in drei verschiedenen Typen vorkommen – ineinander umwandeln können. Die Quantenmechanik sagt voraus, dass eine solche Oszillation nur möglich ist, wenn diese Elementarteilchen unterschiedliche Massen besitzen.

Kajita und sein Team zeigten 1998, dass sich Neutrinos auf ihrem Weg von der oberen Erdatmosphäre zum Super-Kamiokande-Detektor in Japan von Myon-Neutrinos in einen anderen Typ umwandeln müssen. McDonald und seinen Kollegen untersuchten dagegen Elektron-Neutrinos, die bei Kernreaktionen in der Sonne entstehen. 2001 konnten die Wissenschaftler mit dem Sudbury Neutrino Observatory in Kanada nachweisen, dass diese Neutrinos ebenfalls Oszillationen unterworfen sind, da weniger Elektron-Neutrinos gemessen wurden als vorhergesagt. „Mit dem Nachweis der Neutrinooszillationen wurde dieses sogenannte solare Neutrinoproblem gelöst“, sagt Matthias Bartelmann. Warum sich auf der Erde nur ein Bruchteil der erwartete solaren Elektron-Neutrinos hatte messen lassen, war zuvor jahrzehntelang eine offene Frage der Astrophysik gewesen.

Das erste Plasma in Wendelstein 7-X
Das erste Plasma in Wendelstein 7-X

Nach 15-jähriger Bauzeit ging am 10. Dezember die neue Experimentieranlage für Fusionsforschung Wendelstein 7-X, in Betrieb. Hierin wollen Wissenschaftler testen, ob sich dieser Bautyp für ein künftiges Fusionskraftwerk eignet. Ähnlich wie in der Sonne will man darin aus der Verschmelzung von Atomkernen einmal Energie gewinnen. In Wendelstein 7-X werden allerdings nie Fusionsreaktionen stattfinden. „Unsere Aufgabe hingegen ist es, zu zeigen, dass wir ein Hochtemperaturplasma mit einem Magnetfeld optimal – also bestens wärmeisoliert, stabil und im Dauerbetrieb – einschließen können“, berichtet Thomas Klinger vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald.

Gelingt diese Aufgabe, wäre eine wichtige Grundvoraussetzung für einen künftigen Fusionsreaktor erfüllt. Denn damit die positiv geladenen Atomkerne ihre elektromagnetischen Abstoßungskräfte überwinden und miteinander verschmelzen, müssen Temperaturen von über hundert Millionen Grad herrschen. Den ersten Schritt in diese Richtung ist nun unternommen: Rund ein Milligramm an Heliumgas wurde in das ausgepumpte Plasmagefäß von Wendelstein 7-X eingespeist und die Mikrowellenheizung für einen kurzen 1,8-Megawatt-Puls angeschaltet. Im Visier der eingebauten Kameras und Messgeräte zeigte sich das erste Plasma – es dauerte eine Zehntelsekunde und erreichte eine Temperatur von rund einer Million Grad. Als nächstes wollen die Wissenschaftler die Dauer der Plasmaentladungen verlängern und untersuchen, wie die Heliumplasmen durch Mikrowellen am besten zu erzeugen und aufzuheizen sind. Erst im kommenden Jahr wechseln sie zum eigentlichen Untersuchungsobjekt, einem Wasserstoffplasma.

Supernova mit Ansage

Ebenfalls im Dezember konnten Astronomen eine Sternexplosion zum zweiten Mal beobachten – dank eines Effekts der Allgemeinen Relativitätstheorie. In dem einige Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxienhaufen MACS J1149+2223 war im Jahr 2014 das Aufleuchten einer Supernova beobachtet worden, und wie üblich nach einigen Tagen wieder erloschen. Doch das Licht der Galaxie, in der sich die Supernova ereignete, wird durch die Schwerkraft eines im Vordergrund liegenden, großen Galaxienhaufens abgelenkt.

Vierfache Supernova
Vierfache Supernova

Auf der Erde sind dadurch mehrere verzerrte Bilder der Galaxie zu sehen – allerdings zeigen diese das Sternsystem zu verschiedenen Zeiten, denn das Licht der einzelnen Bilder legt unterschiedlich weite Wege zur Erde zurück. Auf diese Weise lässt sich die Sternexplosion in der Galaxie gleich mehrfach beobachten. Astronomen sagten das zweite Aufleuchten der Supernova sogar auf einige Tage genau vorher. Benannt wurde sie nun nach Sjur Refsdal, dem norwegischen Astrophysiker, der das Phänomen in den 1960er-Jahren an der Hamburger Sternwarte vorhergesagt hatte.

Die Messung gilt als wichtige Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie, so Matthias Steinmetz vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam: „Die Lichtablenkung durch das Schwerefeld ist eine der Grundvorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Der erste Nachweis des Effekts durch Arthur Eddington bei einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919 war das Ereignis, das Albert Einstein von einem bekannten Wissenschaftler zu einer ‚Person des öffentlichen Lebens‘ machte.“ Die Allgemeine Relativitätstheorie hat damit genau 100 Jahre nach ihrer ersten Veröffentlichung erneut eine Bestätigung erfahren. Matthias Bartelmann von der Universität Heidelberg stimmt zu: „Noch immer ist die allgemeine Relativitätstheorie die unübertroffene Gravitationstheorie, die sowohl das Verhalten des Universums als Ganzes als auch die Physik in der Nähe kompakter Objekte unwiderlegt beschreibt.“