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Wie schwer kann ein Graviton sein?

Wissenschaftler versuchen, die Eigenschaften des  Gravitons zu bestimmen - eines hypothetischen Teilchens, das eine Gravitationswechselwirkung ausübt. In einer im Journal of High Energy Astrophysics veröffentlichten Arbeit haben Prof. Marek Biesiada und Kollegen aus einer Analyse von 12 Galaxienhaufen eine neue Einschränkung für die Masse des Gravitons abgeleitet. Sie ist um sieben Größenordnungen stärker als die Einschränkungen, die sich aus den Beobachtungen der  Gravitationswellen ergeben.

Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) hat unsere Vorstellungen von der Schwerkraft verändert. Nach der ART krümmt die Materie die Raumzeit, und alle Objekte bewegen sich in dieser gekrümmten Raumzeit entlang bestimmter Bahnen, die Geodäten genannt werden, sofern sie nicht durch andere, nichtgravitative Wechselwirkungen beeinflusst werden. Für nicht sehr große Krümmungen der Raumzeit und kleine Geschwindigkeiten, verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit, reproduziert Einsteins Theorie das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation, das wir immer noch erfolgreich nutzen, um die Bewegung von Planeten oder Sternen in Galaxien zu beschreiben.

Wir wissen, dass die anderen drei fundamentalen Wechselwirkungen - die elektromagnetische Wechselwirkung mit großer Reichweite sowie die schwache und die starke Wechselwirkung, die die Materie auf subatomarer Ebene steuern - quantenmechanischer Natur sind. In der Quantenbeschreibung beinhaltet eine Wechselwirkung den Austausch des Teilchens (Bosons), das sie trägt. Für den Elektromagnetismus ist dies das Photon - ein Lichtteilchen, ein Quant der elektromagnetischen Welle. Für die starke und die schwache Wechselwirkung sind es die Gluonen bzw. Bosonen Z und W. Seit über hundert Jahren versuchen die Physiker, die universelle Gravitation auf dieselbe Weise zu betrachten und suchen nach einer Quantentheorie der Gravitation. In Analogie zu anderen Wechselwirkungen wäre ein hypothetisches Gravitationsträgerteilchen das so genannte Graviton. Aufgrund der unendlichen Reichweite der gravitativen Wechselwirkung, die mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, müsste das Graviton - wie das Photon - masselos sein. Dies sind jedoch nur theoretische Vorhersagen, die experimentell überprüft werden müssen.

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Präziseste Messung der Masse des W-Bosons weicht vom Standardmodell ab

Nach 10 Jahren Analyse und mehrfacher Validierung haben Forscher des CDF-Kollaborationsprojekts unter der Leitung des Fermi National Accelarator Laboratory (Fermilab) bekannt gegeben, dass sie die genauesten Messungen der Masse des W-Bosons, des Trägers einer der vier fundamentalen physikalischen Wechselwirkungen, durchgeführt haben. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Standardmodell verbessert oder erweitert werden sollte.

Wir kennen die vier grundlegenden physikalischen Wechselwirkungen: Gravitation, schwache, elektromagnetische und starke Wechselwirkung. Das W-Boson ist der Träger der schwachen Wechselwirkung. Anhand von Daten des Collider Detector at Fermilab (CDF) haben die Wissenschaftler des Fermilab die Masse des W-Bosons mit einer Genauigkeit von 0,01 % bestimmt. Die Messung ist doppelt so genau wie zuvor. Nach der Herstellung verwendeten die Wissenschaftler den neuen Wert, um das Standardmodell zu testen.

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Webb hat sein Ziel erreicht und ist in seine vorgesehene Umlaufbahn eingetreten

Nach einer einmonatigen Reise ist das James Webb Space Telescope (JWST) gerade in eine Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt L2 eingetreten. In den nächsten fünf Monaten wird Webb für den Betrieb vorbereitet, wobei die wissenschaftliche Forschung im Juni beginnen soll

Die Spiegel und wissenschaftlichen Instrumente von Webb haben noch nicht die erforderliche stabile Betriebstemperatur erreicht. Sie müssen sich noch ein wenig abkühlen. Und sie begannen abzukühlen, und zwar sehr schnell, sobald das Teleskop den Hitzeschild ausrollte. Dieser Prozess wird jedoch nicht allein der Natur überlassen. Es wird streng kontrolliert, indem elektrisch beheizte Streifen an strategischen Punkten des Teleskops angebracht werden. Dank dieser war es möglich, sowohl das gleichmäßige Schrumpfen der gesamten Teleskopstruktur zu kontrollieren als auch sicherzustellen, dass die von der Erde aufgenommene Feuchtigkeit verdunstet und nicht an der Optik oder den Sensoren festfriert, was die wissenschaftliche Forschung beeinträchtigen könnte.

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Der größte Start in der Geschichte und der wichtigste seit 30 Jahren - das James-Webb-Weltraumteleskop wird heute gestartet

Eine Ariane-5-Rakete soll heute zwischen 13.20 und 13.52 Uhr deutscher Zeit zum Start des James Webb Space Telescope (JWST) abheben. Dies wird das größte wissenschaftliche Instrument sein, das jemals von Menschen ins All gebracht wurde, und das wichtigste seit 31 Jahren, seit dem Start des Hubble-Teleskops. Entgegen der landläufigen Meinung ist das Webb-Teleskop nicht als Ersatz für Hubble gedacht, sondern als Ergänzung. Wissenschaftler aus aller Welt setzen große Erwartungen in das Observatorium, an dessen Aufbau neben der NASA auch die Europäische Weltraumorganisation und die Kanadische Weltraumorganisation beteiligt sind.

Der Start des außergewöhnlichen Teleskops kann live auf dem YouTube-Kanal der NASA verfolgt werden.

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Gravitationswellen können zur Erklärung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie beitragen

Menschen, Erde oder Sterne sind entstanden, weil in der ersten Sekunde der Existenz des Universums mehr Materie als Antimaterie produziert wurde. Diese Asymmetrie war äußerst gering. Auf je 10 Milliarden Teilchen Antimaterie kommen 10 Milliarden + 1 Teilchen Materie. Dieses minimale Ungleichgewicht führte zur Entstehung des materiellen Universums, ein Phänomen, das die moderne Physik nicht erklären kann.

Denn aus der Theorie folgt, dass genau die gleiche Anzahl von Materie- und Antimaterieteilchen entstanden sein müsste. Eine Gruppe theoretischer Physiker hat festgestellt, dass es nicht auszuschließen ist, dass wir in der Lage sind, nicht-optische Solitonen - Q-Balls - zu entdecken, und dass ihre Entdeckung es uns ermöglichen würde, die Frage zu beantworten, warum nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie entstand.

Gegenwärtig gehen die Physiker davon aus, dass die Asymmetrie von Materie und Antimaterie in der ersten Sekunde nach dem Urknall entstanden ist und dass das entstehende Universum in dieser Zeit rasch an Größe zunahm. Die Überprüfung der Theorie der kosmologischen Inflation ist jedoch äußerst schwierig. Um sie zu testen, müssten wir riesige Teilchenbeschleuniger einsetzen und ihnen mehr Energie zuführen, als wir erzeugen können.

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Molekularer Lichttransformator: Sehen, was man vorher nicht sehen konnte

Forscher mehrerer europäischer Universitäten und des chinesischen Wuhan Institute of Technology haben eine neue Methode entwickelt, um Licht im tiefen Infrarotbereich zu erkennen, indem sie dessen Frequenz in die des sichtbaren Lichts umwandeln. Das Gerät kann den "Sichtbereich" empfindlicher Detektoren für sichtbares Licht bis in den Infrarotbereich erweitern. Die als bahnbrechend bezeichnete Entdeckung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Die Frequenzumstellung ist keine leichte Aufgabe. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes ist die Frequenz des Lichts eine grundlegende Eigenschaft, die sich nicht ohne Weiteres ändern lässt, indem man das Licht an einer Oberfläche reflektiert oder es durch ein Material leitet. Bei niedrigeren Frequenzen reicht die vom Licht transportierte Energie nicht aus, um die Photorezeptoren in unseren Augen und in vielen Sensoren zu aktivieren, was ein Problem darstellt, da sich vieles im Frequenzbereich unterhalb von 100 THz abspielt, d. h. im mittleren und fernen Infrarot. Ein Körper mit einer Oberflächentemperatur von 20 °C sendet beispielsweise Infrarotlicht mit Frequenzen von bis zu 10 THz aus, das mit Hilfe der Wärmebildtechnik "gesehen" werden kann. Darüber hinaus haben chemische und biologische Substanzen ausgeprägte Absorptionsbanden im mittleren Infrarotbereich, was bedeutet, dass wir sie mit Hilfe der Infrarotspektroskopie zerstörungsfrei identifizieren können.

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Brauchen Galaxien keine dunkle Materie? Wachsende Kluft zwischen Theorie und Beobachtungen

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern aus den Niederlanden berichtet, dass sie in der Galaxie AGC 114905 keine Spuren von dunkler Materie gefunden haben. Es wird inzwischen allgemein angenommen, dass Galaxien nur dank dunkler Materie existieren können, deren Wechselwirkung sie zusammenhält.

Vor zwei Jahren berichteten Pavel Mancera Piña und sein Team von der Universität Groningen, dass sie sechs Galaxien mit wenig oder gar keiner dunklen Materie gefunden haben. Damals wurde ihnen von ihren Kollegen gesagt, sie sollten besser suchen, dann würden sie feststellen, dass es sie geben muss. Jetzt, nach 40 Stunden Beobachtung mit dem Very Large Array (VLA), haben die Wissenschaftler bestätigt, was sie schon früher festgestellt hatten - die Existenz von Galaxien ohne dunkle Materie.

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Einer, der sie alle beherrscht. Physiker haben die Architektur eines photonischen Quantencomputers vereinfacht

Moderne Quantencomputer sind sehr komplexe Geräte, die schwer zu bauen und zu skalieren sind und für deren Betrieb extrem niedrige Temperaturen erforderlich sind. Aus diesem Grund interessieren sich Wissenschaftler seit langem für optische Quantencomputer. Photonen können Informationen leicht übertragen, und ein photonischer Quantencomputer könnte bei Raumtemperatur funktionieren. Das Problem ist jedoch, dass man zwar weiß, wie man einzelne Quantenlogik-Gatter für Photonen baut, es aber eine große Herausforderung ist, eine große Anzahl von Gattern zu schaffen und sie so zu verbinden, dass komplexe Berechnungen durchgeführt werden können.

Ein optischer Quantencomputer könnte jedoch eine einfachere Architektur haben, argumentieren Forscher der Stanford University in Optics. Sie schlagen vor, ein einzelnes Atom mit Hilfe eines Lasers zu manipulieren, das seinerseits - mit Hilfe des Phänomens der Quantenteleportation - den Zustand eines Photons verändert. Ein solches Atom kann zurückgesetzt und in mehreren Quantengattern verwendet werden, so dass es nicht notwendig ist, verschiedene physikalische Gatter zu bauen, was wiederum die Architektur eines Quantencomputers erheblich vereinfachen wird.

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Deformierte Atomkerne sind doppelt magisch. Wissenschaftler haben die fehlende Masse an Zirkonium-80 gefunden

Wissenschaftler des National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) und der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) an der Michigan State University haben das Rätsel der fehlenden Masse von Zirkonium-80 gelöst, ein Rätsel, auf das sie selbst gestoßen sind. Die am NSCL durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass der Kern von Zirkonium-80, der 40 Protonen und 40 Neutronen enthält, viel leichter ist als er sein sollte. Nun haben die Theoretiker am FRIB Berechnungen durchgeführt, die Antworten auf die Frage liefern, was mit der fehlenden Masse geschieht.

Die Beziehung zwischen Theoretikern und Experimentalphysikern ist wie ein koordinierter Tanz, sagt der Hauptautor der in Nature Physics veröffentlichten Arbeit, Alec Hamaker. Manchmal sind es die Theoretiker, die den Weg weisen und etwas vor der experimentellen Entdeckung zeigen, und manchmal entdecken die Experimentatoren etwas, das die Theoretiker nicht erwartet haben, fügt Ryan Ringle hinzu.

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