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14. April 2015

Momentaufnahme des Innenlebens eines Protons (Quelle: DESY Hamburg)

Der „High Energy and Particle Physics“-Preis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft geht in diesem Jahr an fünf theoretische Physiker, die mit ihren grundlegenden Arbeiten wesentlich zur Beschreibung der Struktur des Protons beigetragen haben.

Die Preisträger sind James D. Bjorken (SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford, USA) „für die Vorhersage, wie sich die Struktur des Protons bei verschiedenen Energieskalen verhält, und uns damit ein neues Verständnis für die starke Wechselwirkung gebracht hat“ und Guido Altarelli (University of Roma Tre, Rom, Italien und CERN, Genf, Schweiz), Yuri Dokshitzer (Laboratory of Theoretical and High Energy Physics, Paris, Frankreich und St. Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, Russland), Lev N. Lipatov (National Research Center „Kurchatov Institute“, Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, Russland) sowie Giorgio Parisi (University of Rome, La Sapienza, Rom, Italien) „für die Entwicklung einer auf Wahrscheinlichkeiten basierenden feldtheoretischen Beschreibung der Dynamik von Quarks und Gluonen, die ein quantitatives Verständnis von hochenergetischen hadronischen Kollisionen ermöglicht“.

Die Preisverleihung wird bei einer Festveranstaltung im Rahmen der „European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP2015)“ (http://eps-hep2015.eu) am 27. Juli in Wien stattfinden.

Ende der 50’er Jahre wurde bei der Suche nach einem tieferen Verständnis der Struktur der Materie klar, dass der Atomkern aus kleineren Bausteinen, Protonen und Neutronen, den sogenannten Nukleonen, besteht. Ausserdem wurde vorgeschlagen, dass diese Bausteine ebenfalls aus noch kleineren Bausteinen, den sogenannten Quarks, zusammengesetzt sind. Die Physiker hatten jedoch weder eine Vorstellung, wie sie diese kleinen Bausteine beobachten können, noch hatten Sie eine Theorie, die ihr dynamisches Verhalten konsistent beschreiben konnte. Im Jahr 1968 studierte J.D. Bjorken die mathematischen Eigenschaften der Streuung von hochenergetischen Elektronen an Protonen, in einem Bereich, in dem die Protonen einen unendlich hohen Impuls besitzen. Dabei hat er herausgefunden, dass die Protonenstruktur unabhängig vom Energieübertrag des Elektrons ist, der Größe, die die Auflösungsskala des Prozesses bestimmt. Basierend auf dieser Eigenschaft, das sogenannte Skalenverhalten der Struktur des Protons, schlug er vor, dass das Elektron an einem punktförmigen Baustein des Protons streut, einem sogenannten Parton. Seine Erkenntnis wurde bald darauf experimentell bestätigt und diese Partonen stimmen mit den sogenannten “Quarks” überein, die bereits zuvor postuliert wurden. Diese Entdeckung führte schliesslich zur Entwicklung einer Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung, der Quanten-Chromo-Dynamik (QCD).

Aus diesem Partonmodell resultiert eine auf Wahrscheinlichkeiten basierende Impulsverteilung der Partonen (d.h. die Quarks und die für die Bindung zuständigen Gluonen) innerhalb des Protons. Kollisionen welche hochenergetische Protonen beinhalten, können durch Kollisionen von elementaren Partonen beschrieben werden. Eine konsistente Beschreibung durch das Partonmodell im Rahmen der QCD-Störungstheorie wurde 1977 von G. Altarelli und G. Parisi und, unabhängig davon, von Y. Dokshitzer erreicht, dessen Ergebnisse sich auf die Vorarbeiten von G.N. Gribov und L.N. Lipatov stützen. Auch wenn die Impulsverteilung innerhalb des Protons nicht vorhergesagt werden kann, erlauben diese Gleichungen, die sogenannten DGLAP-Gleichungen, aufgrund von QCD-Prozessen die Vorhersage der Impulsverteilung bei unterschiedlichen Auflösungsskalen. Zudem liefern diese Gleichungen, durch die Abstrahlung von Gluonen vor der eigentlichen Wechselwirkung, eine physikalische Erklärung für die logarithmische Abweichung von der von Bjorken vorhergesagten Skalenunabhängigkeit. Dieses durch die QCD verbesserte Partonmodell wurde vielfach mit höchster Präzision experimentell bestätigt und erlaubt exakte Vorhersagen von Wirkungsquerschnitten von Hadronkollisionen. Daher sind diese Gleichungen ein wichtiger Eckpfeiler für die Interpretation aller am Large Hadron Collider durchgeführten Messungen, sowohl bei der Produktion von bekannten Elementarteilchen, als auch bei der Produktion des 2012 entdeckten Higgs-Bosons.

Professor Jochen Schieck (Institut für Hochenergiephysik der ÖAW und Technische Universität Wien), Vorsitzender des lokalen Organisationskomitees der Konferenz EPS-HEP2015 in Wien, würdigt die Arbeiten: “Die höchsten Energien können nur durch die Kollision von Protonen erreicht werden. Ohne die grundlegenden theoretischen Studien der Preisträger wäre eine schlüssige Interpretation von Protonenkollisionen nicht möglich. Die Gleichungen sind daher ein wichtiger Schlüssel für die Entdeckung und die Deutung neuer Phänomene bei höchsten Energien.”

Weiterführende Informationen:

http://www.scholarpedia.org/article/Bjorken_scaling

http://www.scholarpedia.org/article/QCD_evolution_equations_for_parton_densities

http://eps-hepp.web.cern.ch/eps-hepp/

8. April 2015

Darstellung eines im CMS-Experiment registrierten “beam splash”-Ereignisses.

Nach zwei Jahren, die der Vorbereitung des LHC am CERN für den Betrieb bei höheren Energien dienten, waren Beschleuniger und Experimente am Osterwochenende bereit für den Neustart. Innerhalb weniger Stunden zirkulierten zwei Strahlen von Protonen wieder im Beschleuniger. Das CMS-Experiment beobachtete dabei auch erste Kollisionen, die in diesem Fall aber zwischen umlaufenden Protonen und Beschleunigerelementen stattfanden und der Kalibration des Detektors dienen.

Die bisher letzten Kollisionen im LHC wurden im Jahr 2012 aufgezeichnet. Die Analyse dieser Daten bestätigte unter anderem die Existenz eines sogenannten Higgs-Bosons. In den Jahren 2013 und 2014 wurde der Beschleuniger für den Betrieb bei deutlich höheren Strahlenergien – und entsprechend höheren Strömen in den supraleitenden Magneten – vorbereitet. Das CMS-Experiment nützte diese Zeit für Wartungs- und Verbesserungsarbeiten an verschiedenen Detektorelementen und der Datenerfassung. Das Triggersystem, das interessante Kollisionen für die weitere Auswertung auswählt, wurde von HEPHY modernisiert und für den Betrieb bei höheren Kollisionsraten vorbereitet.

In den letzten Monaten wurden die LHC-Magnete wieder auf die Betriebstemperatur von etwa -271°C abgekühlt. Am Ostersonntag traten die Vorbereitungsarbeiten in eine entscheidende Phase ein: zum ersten Mal seit zwei Jahren wurde ein Protonstrahl wieder in den LHC eingeleitet. Bei jeder Wiederholung dieses Vorgangs wurden die Protonen einen Sektor (1/8 des Umfangs, d.h. etwa 3km) weitergeleitet, bis zum vollen Umlauf der Teilchen im Beschleuniger. Dabei wurden auch wiederholt “splashes” für das CMS Experiment erzeugt: dabei werden die Protonen auf ein Hindernis knapp vor dem Experiment geleitet. Die dabei entstehenden Sekundärteilchen “besprühen” den Detektor und werden von vielen Detektorelementen gleichzeitig registriert. Mit dieser Technik können die verschiedenen Teile von CMS untereinander und mit dem Beschleuniger synchronisiert werden.

Die Rückkehr der Strahlen in den LHC ist ein wichtiger Schritt zur Wiederaufnahme des Physikbetriebes, dem im kommenden Monat allerdings viele weitere folgen müssen: vor allem die Beschleunigung der Protonen auf die neue Rekordenergie von 6.5 TeV. „Die Physiker des CMS-Experiments erwarten mit Ungeduld die ersten Proton-Proton Kollisionen bei dieser Energie“, sagt Wolfgang Adam, leitender Wissenschafter am HEPHY. „Die Beobachtung dieser Kollisionen wird die genauere Messung der Eigenschaften des Higgs-Bosons ermöglichen und uns der Antwort nach fundamentalen Fragen, wie der nach dem Ursprung der dunklen Materie im Universum, näherbringen.“

Proton-Proton-Kollisionen bei diesen bisher unerreichten Energien werden erst in den nächsten Monaten erwartet. Die ersten Ergebnisse aus diesen Kollisionen werden bei der Tagung der Europäischen Physikalischen Gesellschaft (eps-hep2015.eu) präsentiert. Diese Konferenz findet vom 22.-29. Juli erstmalig in Wien statt und wird die größte Konferenz im Bereich der Teilchenphysik in diesem Jahr sein. Die Konferenz wird vom Institut für Hochenergiephysik gemeinsam mit der Universität Wien, der Technischen Universität Wien und dem Stefan-Meyer-Institut der ÖAW organisiert.

10. März 2015

Auf der Suche nach dem Higgs-Boson bei den Internationalen Masterclasses 2015: Schülerinnen und Schüler werten die Daten vom CMS (Compact Muon Solenoid) Experiment am CERN in Genf aus.

 

Das Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften lud am Freitag dem 6. März 2015 interessierte Schülerinnen und Schüler zur Internationalen Masterclasses 2015 in Wien ein. 24 Jugendliche aus 12 Schulen lernten dabei in Vorträgen die Grundlagen und Techniken der Teilchenphysik kennen und wandten anschließend die Forschungsmethoden selber hautnah am Computer an. Sie identifizierten mit Begeisterung mit Hilfe eines Event-Displays die Elementarteilchen in Teilchenkollisionen am CMS-Experiment, suchten und fanden W- und Z-Bosonen und das seltene, erst 2012 entdeckte, Higgs-Boson. Viel Spaß hatten die Jugendlichen beim Vergleichen der Ergebnisse in einer anschließenden Videokonferenz mit den Teilnehmern der anderen internationalen Forschungseinrichtungen und dem CERN, natürlich in Englisch. Neben Wien waren mit dabei die Schülerinnen und Schüler aus Genova (IT), Lyon (FR), São Paulo (BR) und Zagreb (CR). Zum Abschluss der Videokonferenz wurde das Wissen aller Teilnehmer in einem Quiz getestet.

27. Januar 2015

Zahlreiche HEPHY Wissenschaftler reisen diesen Februar nach München um an einem internationalen Dunkle Materie workshop am Institut für Astro- und Teilchenphysik teilzunehmen.

Während astronomische Beobachtungen Dunkle Materie durch ihre Schwerkraft eindeutig nachweisen, ist eine Messung der teilchenphysikalischen Eigenschaften erst im Laufe der letzten Dekade in den Bereich des wirklich Möglichen gerückt.

Über 80 Teilnehmer aus Europa, Nordamerika und Asien werden sich im Laufe des Monats über den aktuellen Stand des Feldes und deren Zukunft austauschen. Die Leiter der experimentellen und theoretischen Dunkle Materie Gruppen am HEPHY, Jochen Schieck und Josef Pradler, sind Mitkoordinatoren dieses Workshops, der sich seit 2013 in Planung befindet.

Weitere Informationen zum Workshop finden Sie unter:

http://indico.cern.ch/e/DarkMALT2015

http://www.munich-iapp.de/scientific-programme/programmes-2015/dark-matter/

Weitere Informationen zum Feld "Dunkle Materie":

http://www.hephy.at/forschung/projekte/cressteureca/

http://www.hephy.at/forschung/projekte/theorie/dunkle-materie/

28. November 2014

Am 27. November 2014 lud das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und das Doktoratskolleg Particles and Interactions zur Filmvorführung „Particle Fever“ ins CineCenter Kino ein.

Etwa 200 Besucherinnen und Besucher verfolgten mit Interesse den Dokumentarfilm, der sechs Wissenschaftler am CERN von der Bauphase der LHC Experimente bis zur Entdeckung des Higgs-Bosons begleitet. Bei der anschließenden Fragerunde mit CERN-Physiker und Darsteller Martin Aleksa, Manfred Krammer und Erica Brondolin vom HEPHY, Andre Hoang von der UNI Wien und Moderator Norbert Frischauf wurde angeregt über das Forschungszentrum CERN, den weltgrößten Teilchenbeschleuniger und die spannende Jagd nach dem Higgs-Teilchen diskutiert.

Für diejenigen, die nicht zu der Filmvorführung kommen konnten bzw. keine Karten mehr erhalten haben: Es wird eine weitere Filmvorführung im Februar/März 2015 stattfinden. Die Ankündigung werden Sie hier auf unserer Homepage finden.

11. November 2014

Im Vordergrund: Ministerialrat Dr. Daniel Weselka (BMWFW) mit KEK-Generaldirektor Prof. Atsuto Suzuki.

Ministerialrat Dr. Daniel Weselka vom österreichischen Wissenschaftsministerium und Prof. Jochen Schieck von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben ein Memorandum of Understanding mit dem japanischen Teilchenforschungszentrum KEK in Tsukuba unterzeichnet.

Dieses Dokument regelt die wissenschaftliche Kooperation zwischen Österreich und Japan im Hinblick auf das im Bau befindliche Belle II Experiment.

"Das Belle II-Experiment in Japan ist ein weiterer Eckpfeiler des wissenschaftlichen Programms am Institut für Hochenergiephysikt" erklärt Jochen Schieck, Direktor des Instituts. Neben dem Belle II-Experiment ist das Institut für Hochenergiephysik am CMS-Experiment am CERN, Genf, und dem CRESST-Experiment in Italien beteiligt. Das Institut ist verantwortlich für die Entwicklung und den Bau eines Teildetektors des Belle II-Experiments, mit dem es möglich sein wird die Zerfallsprodukte von kurzlebigen Elementarteilchen genauestens zu vermessen.

In den Kollisionen, die mit dem Belle II-Experiment in Japan aufgezeichnet werden, können bisher unbeobachtete Teilchen und Kräfte in extrem kurzlebigen Prozessen auftreten und mit Hilfe von sehr genauen Messungen ist es möglich Rückschlüsse auf neue, unbekannte Physikprozesse zu ziehen. Christoph Schwanda, Projektleiter des Belle II-Experiments am Institut für Hochenergiephysik, ergänzt „Mit diesem gigantischen Datensatz lassen sich Präzisionsmessungen durchführen, die indirekt Rückschlüsse auf die Physik im Energiebereich von 10-100 TeV ermöglichen, deutlich höher als die am LHC in Genf."

Gegenstand des MoU sind die österreichischen Beiträge zum Bau des Belle II-Detektors, zum jährlichen Betriebsbudget sowie zu den Rechentechnik-Ressourcen von Belle II. Umgekehrt verpflichtet sich KEK, die notwendige Infrastruktur für Belle II bereitzustellen und insbesondere den SuperKEKB-Beschleuniger zu bauen und zu betreiben. Festgeschrieben wird auch das Recht der HEPHY-Gruppe, an der wissenschaftlichen Auswertung der Belle II-Ergebnisse teilzunehmen.

Belle II wird im Jahr 2016 in Betrieb gehen und bis zum Jahr 2023 rund 100 Milliarden B-Mesonzerfälle aufzeichnen.

5. November 2014

v.l.n.r.: Fabiola Gianotti, Agnieszka Zalewska, Rolf Heuer (Quelle: CERN)

Der CERN Rat hat die italienische Teilchenphysikerin Fabiola Gianotti zur neuen Generaldirektorin gewählt. Sie wird am 1. Jänner 2016 die Nachfolge von Rolf Heuer antreten.

Fabiola Gianotti war von 2009 bis 2013 Sprecherin des Atlas-Experiments am Large Hadron Collider (LHC). Die Ratspräsidentin Agnieszka Zalewska lobte in einer Mitteilung Gianottis Vision für die Zukunft des CERN als eines der weltweit führenden Beschleuniger-Labors sowie ihre vertieften Kenntnisse, sowohl des CERN, wie auch der experimentellen Teilchenphysik.

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