Woraus besteht die "Dunkle Materie" im Universum, rund 5-mal häufiger als die uns bekannte sichtbare Materie? Warum gibt es überhaupt nur Materie und keine Antimaterie im Universum? Und wodurch wird Materie zusammengehalten? Mit diesen Fragen setzen sich die Teilchenphysiker des Instituts für Hochenergiephysik und des Stefan-Meyer-Instituts für subatomare Physik der ÖAW auseinander. Ende März 2010 wurden im Large Hadron Collider (LHC) am CERN zum ersten Mal zwei Protonen-Strahlen mit einer bis dato unerreichten Energie von 3,5 Billionen Elektronvolt zur Kollision gebracht und vom CMS-Experiment detektiert. Ein Erfolg, der den Beginn der Messungen am LHC markiert. Das Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der ÖAW ist am CMS-Experiment beteiligt. Die Forscher(innen) hoffen, mit dem derzeit leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt endlich das bereits vor ungefähr 50 Jahren theoretisch vorhergesagte Higgs-Boson sowie die Existenz supersymmetrischer Teilchen nachweisen zu können. Damit sollten offene Fragen wie zum Beispiel, woraus Dunkle Materie im Universum besteht oder warum es überhaupt Materie gibt, beantwortet werden. Gelingt es uns, Hinweise auf die Vereinigung der fundamentalen Kräfte zu finden? Werden wir die "Urmaterie", wie sie eine Mikrosekunde nach dem Urknall existierte, am LHC erzeugen und studieren können? Die Existenz der Materie und damit von uns verdanken wir einer Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie, die bis auf den Urknall zurückgeht. Hätte es sie damals nicht gegeben, hätten sich Materie und Antimaterie gegenseitig ausgelöscht und das Abenteuer Universum wäre beendet gewesen, bevor es überhaupt begonnen hätte. Was hat die urknallzeitliche gegenseitige Vernichtung von Materie und Antimaterie verhindert? Um der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie auf die Spur zu kommen, wurde die internationale Kollaboration Belle am japanischen Teilchenlabor KEK ins Leben gerufen. Belle beobachtet den Zerfall so genannter B-Mesonen/Anti-B-Mesonen-Paare. "Die Datennahme ist derzeit in der Endphase und wird voraussichtlich Ende Juni beendet sein", sagt HEPHY-Direktor Christian Fabjan. Bereits die bisherigen Ergebnisse ermöglichten es, eine für das Standard-Modell der Teilchenphysik zentrale Theorie von Kobayashi und Maskawa zu bestätigen. Eine Bestätigung, die den beiden theoretischen Physikern 2008 den Nobelpreis einbrachte und ein Erfolg, der zu einem voraussichtlich 2013 startenden Nachfolgeprojekt zu Belle - Belle II - geführt hat, bei dem die ÖAW-Physiker(innen) wieder mit dabei sind. Auch am Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik (SMI) ist die Materie-Antimaterie-Symmetrie wesentliches Forschungsthema. Anders als bei den Experimenten, in denen mit hoher Energie Teilchen aufeinander gejagt werden, führen die SMI-Forscher(innen) Präzisionsexperimente bei geringeren Energien mit den Beschleunigern Antiproton Decelerator (AD) am CERN, DAΦNE am italienischen Laboratori Nationali di Frascati oder J-PARC in Japan und voraussichtlich ab 2017 an der Beschleunigeranlage FAIR in Darmstadt durch. Die SMI-Forscher(innen) studieren exotische Atome, also künstlich hergestellte Atome, bei denen eines der Teilchen durch ein anderes Teilchen ersetzt wird. Sie untersuchen zum Beispiel Eigenschaften des Antiprotons - welches dieselbe Masse wie das Proton, nur eine negative Ladung hat - und vergleichen sie mit den bekannten Eigenschaften des Protons. So ist es Physiker(inne)n der internationalen ASACUSA-Kollaboration unter Beteiligung des SMI in Präzisionsexperimenten am CERN gelungen, die Masse des Antiprotons mit einer bis dahin nicht erreichten Genauigkeit zu bestimmen. Doch exotische Atome eignen sich auch für die Erforschung eines weiteren Geheimnisses der Teilchenphysik: die starke Kraft, die die Quarks, aus denen die Materie aufgebaut ist, zusammenhält. Durch die starke Kraft verbundenen Quarks heißen Hadronen. "Hier sind noch viele Fragen offen", so Eberhard Widmann, Direktor des SMI. So ist es beispielsweise rätselhaft, warum die starke Kraft auf der Größenskala von Atomkernen mit der Entfernung nicht abnimmt, sondern annähernd konstant bleibt. Die Messung der Röntgenstrahlung kaonischer Wasserstoff-, Deuterium- und Heliumatome war das Ziel des SIDDHARTA (Silicon Drift Detector for Hadronic Atom Research by Timing Application)-Projektes. Bei diesen kaonischen Atomen wird ein Hüllen-Elektron durch ein tausendfach schwereres, negativ geladenes Antikaon ersetzt. Dadurch verändert sich der Atomaufbau, was sich wiederum auf die Energie der emittierten Röntgenstrahlung auswirkt. Durch die Messung dieser Röntgenstrahlung lassen sich Information über die Wechselwirkung zwischen dem Kaon und den Atomkernbausteinen, also den Protonen und Neutronen, gewinnen. Vor allem das kaonische Helium hat den Forscher(inne)n lange Kopfzerbrechen bereitet, weil Theorie und Experiment nicht in Einklang zu bringen waren. Die Theorie prognostiziert eine geringere starke Wechselwirkung, als die Experimente zeigten. Erst jüngere Experimente am japanischen Teilchenbeschleuniger KEK brachten Theorie und Experiment zusammen und die Vorhersagen konnten im Rahmen von SIDDHARTA bestätigt werden. Die Datenaufnahme am Elektron-Positron Collider DAΦNE in Frascati wurde 2009 beendet; in einem Folgeprojekt - das erste an einer neuen Anlage zur Erforschung von Hadronen an der Beschleunigeranlage J-PARC - soll das kaonische Helium nun noch detaillierter untersucht werden. Die Weiterführung der Experimente an DAΦNE zu kaonischem Deuterium und anderen kaonischen Atome ist ebenso geplant. Präzisionsmessungen stellen höchste Anforderungen an die dafür eingesetzten Technologien. Das betrifft besonders die Detektoren zur Aufzeichnung von Experimenten. Die SMI-Forscher(innen) arbeiten an mehreren Projekten zur Detektor-Entwicklung, darunter zur Entwicklung von Gas Electron Multipliers - genannt GEMs - die mit hoher Präzision die Position von Teilchen bestimmen können. Das HEPHY ist beim CMS-Detektor und bei Belle II am Bau eines Trackers aus Silizium-Detektoren beteiligt, welcher die Spuren der bei der Kollision bestehenden Teilchen verfolgt. Großprojekte wie künftig PANDA an FAIR oder das CMS-Experiment am LHC brauchen eine entsprechende Computer-Infrastruktur, die am HEPHY wie am SMI mitentwickelt wird. Die Experimente der Teilchenphysiker(innen) werfen auch viele neue Fragen an die Theorie auf. Das Netzwerk LEANNIS (Low-Energy Antikaon Nucleon and Nucleus InteractionS) beispielsweise ist eines von acht Netzwerk-Projekten im Rahmen des EU-Projekts HadronPhysics2, welches unter Leitung des SMI Forscher(innen) aus Deutschland, Finnland, Italien, Japan, Polen und natürlich Österreich verbindet. "Gerade die Erforschung der starken Wechselwirkung zwischen Antikaon und Kern ist eine Herausforderung für Theorie wie Experiment", so LEANNIS-Leiter Johann Marton vom SMI, "und eine Zusammenarbeit für beide Seiten äußerst befruchtend." CMS am LHC: Die Suche nach dem Higgs-Teilchen PANDA an FAIR: Die Geheimnisse der starken Kraft Eine Frage der Symmetrie I Eine Frage der Symmetrie II Kontakt: Prof. Dr. Christian Fabjan, Direktor Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) Nikolsdorfergasse 18,1050 Wien T +43 1 5447328-21 christian.fabjan@oeaw.ac.at www.hephy.at Prof. Dr. Eberhard Widmann, Direktor Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik (SMI) Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) Boltzmanngasse 3, 1090 Wien T +43 1 4277-29701 eberhard.widmann@oeaw.ac.at www.oeaw.ac.at/smi Juni 2010
		Teilchen - und was sie verbindet