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Physik 2009

Gut Ding will Weile haben

Der Large Hadron Collider kämpfte sich dieses Jahr an die Weltspitze, magnetische Monopole gingen nach langer Suche endlich in die Falle, und Quantencomputer liegen auch 2009 noch in weiter Ferne.
Brennende Zündschnur
Eine Theorie gilt so lange als richtig, bis das Gegenteil bewiesen wird. Dieser Grundsatz gilt in der Physik wie in anderen Fachbereichen. Manche Hypothesen sind dabei sicherlich stabiler als andere. So zweifelt kaum jemand an der Existenz Dunkler Materie – obwohl noch niemand sie zu fassen bekam. Auch das fieberhaft gesuchte Higgs-Boson verleiht den Elementarteilchen ihre Masse bisher ausschließlich in den Köpfen der Wissenschaftler, aber dazu später mehr.

Ebenfalls lange auf der Fahndungsliste standen magnetische Monopole. Der Engländer Paul Dirac hatte sie 1931 postuliert, weil seine Gleichungen sonst schrecklich unsymmetrisch aussahen. Aber kann Schönheit wirklich ein Motiv für neue Physik sein? Tatsächlich hielten sich die isolierten magnetischen Nord- und Südpole bisher hartnäckig versteckt. Man rückte ihnen mit supraleitenden Spulen zu Leibe und suchte ihre Spuren in riesigen Teilchendetektoren, doch alle Mühe blieb bisher vergebens.

Pyrochlor-Gitter
Pyrochlor-Gitter | In einer solchen Tetraeder-Kristallstruktur sind die Dysprosiumionen in Dy2Ti2O7 angeordnet. Im Idealfall weisen immer zwei Spins in einen Tetraeder hinein, zwei hinaus.
Im September 2009 dann die Sensationsnachricht: Zwei Forscherteams gaben bekannt, magnetische Monopole aufgespürt zu haben. Allerdings nicht in Form frei umherschwirrender Elementarteilchen, die sich wie winzige Stabmagnete mit nur einem Pol verhalten, sondern als bizarres Gruppenphänomen in Festkörpern. Etwa in Dysprosiumtitanoxid, das aus seltenen Elementen zusammengesetzt und auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist.

Dy2Ti2O7 besitzt ein Kristallgitter, das sich aus lauter dreiseitigen Pyramiden zusammensetzt. Auf das Zentrum eines jedes dieser Tetraeder zeigen nun genau vier Miniaturmagnete, die jeweils einem Dysprosiumion angehören. Dabei richten sie sich stets so aus, dass das Material auf makroskopischer Ebene unmagnetisch ist. Auf mikroskopischer Ebene gelingt das aber nicht immer: Hier und dort richtet sich einer der winzigen Stabmagnete entgegen der allgemeinen magnetischen Ordnung falsch aus.

Infolgedessen überwiegt in manchen Tetraedern also entweder die eine oder andere Polung. Diese Störstellen können den Experimenten zufolge durch das gesamte Kristallgitter wandern, indem angrenzende Miniaturmagnete jeweils entsprechend umgeklappt werden. Und damit stellen sie isolierte magnetische Ladungen dar oder kurz: magnetische Monopole.

Da sie sich erst durch das Zusammenwirken vieler Teilchen ergeben, können die einsamen Pole aber ausschließlich im Inneren des Materials bestehen. Nichtsdestoweniger hat eine andere Forschergruppe im Oktober auch die Ladung von magnetischen Monopolen bestimmt und gezeigt, dass sie sich in vielerlei Hinsicht wie ihre elektrischen Pendants verhalten.

Im Gegensatz zu den zahllosen hypothetischen Kandidaten, deren experimentelle Bestätigung noch aussteht, trat die Quantennatur vieler Phänomene durch Beobachtungen zu Tage. So mussten Max Planck und später Albert Einstein der Energie beziehungsweise dem Licht die Kontinuität rauben, um ihre Daten erklären zu können. Zwar sind die Physiker heute immer noch weit davon entfernt, die Quantenwelt zu verstehen, doch haben sie gelernt, mit ihren Bewohnern und deren seltsamen Gesetzen umzugehen und zu arbeiten. Auch in diesem Jahr fügten sie einige neue Kunststücke zum Repertoire hinzu.

Verschränkte Oszillationen
Verschränkte Oszillationen | Zu sehen sind zwei verschränkte mechanische Oszillatoren, die jeweils aus zwei Ionen bestehen. Sie verhalten sich wie zwei durch eine Feder verbundene Kugeln. Die Pfeile kennzeichnen den internen Spin-Zustand der Berylliumionen. Der Nebel zwischen den beiden Oszillatoren soll deren Verschränkung andeuten.
Die Verschränkung, die Grundvoraussetzung für Quantencomputer und -kommunikation, gelingt den Wissenschaftlern in zunehmend größeren Systemen: Zwischen den Schwingungen zweier mechanischer Oszillatoren – in diesem Fall Pärchen aus Beryllium- und Magnesiumionen – haben sie die "spukhafte Fernwirkung" hergestellt oder zwischen winzigen supraleitenden Stromkreisen.

Wo die Grenze zwischen Quanten- und klassischer Welt liegt und ob sie überhaupt existiert, können die Forscher aber leider noch nicht sagen. Während sich einige noch mit solchen grundlegenden Fragen beschäftigen, wollen andere bereits von den merkwürdigen Eigenschaften der winzigen Teilchen profitieren: Zukünftige Quantencomputer sollen viel komplexere Aufgaben in viel weniger Zeit erledigen als ihre Vorgänger. Der Durchbruch blieb aber auch dieses Jahr aus.

Zwar trainierten Wissenschaftler einen Quantenprozessor darauf, mit vielen Algorithmen zu rechnen. Doch mit zwei Berylliumionen als Speichereinheit ist er noch nicht sonderlich leistungsfähig. Zudem stehen einem praktischen Nutzen bisher relativ hohe Fehlerraten im Weg. Und wann kommt der erste brauchbare Quantenrechner? Physik-Nobelpreisträgers Theodor Hänsch formulierte es wie folgt: "Die Chancen stehen bei 50 Prozent, dass so etwas in 50 Jahren möglich ist."

Gänseblümchen
Gänseblümchen | Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt ein magnetisches Kügelchen umgeben von nichtmagnetischen Nanoperlen.
Beherrschbarer scheint hingegen die etwas größere Nanowelt: Da wurden Gänseblümchen gezüchtet, 3-D-Origami mit DNA betrieben und neben unzähligen weiteren Dingen beispielsweise Glühbirnen aus Nanoröhrchen geformt. Und dank einer Computersimulation wissen wir seit diesem Jahr auch, dass die Reibungskräfte in diesen Dimensionen genauso wirken wie im größeren Maßstab.

Um sich all diese winzigen Dinge auch ansehen zu können, bedarf es natürlich guter Mikroskope. Bei einem neuen Verfahren, der so genannten Ankylografie, reicht bereits ein einziger Schnappschuss im Röntgenlicht aus, um mikroskopische Proben räumlich abzubilden. Bisher bedarf es dazu Aufnahmen aus mehreren Perspektiven, was für biologische Forschungsobjekte oftmals ein Problem darstellt: Die energiereiche Strahlung macht sie schon nach dem ersten Abdrücken unbrauchbar.

Das Rasterkraftmikroskop ist vergleichsweise zwar schon ein alter Hase, doch haben Wissenschaftler dieses Jahr die Auflösung weiter gesteigert. Nun lässt sich die Lage von Atomen so genau ermitteln, dass sogar auf die Ladung der Teilchen geschlossen werden kann. Und auch die Fluoreszenzmikroskopie wurde 2009 weiterentwickelt. Farbige Moleküle innerhalb von Körpergeweben lassen sich mittels einer neuen Methode verfolgen, ohne diese – wie bisher nötig – vorher mit Leuchtsubstanzen zu markieren.

LOOK MOM NO ELECTRICITY
LOOK MOM NO ELECTRICITY | Beim vier Sekunden dauernden Abbrennen leuchtet die Flamme in unterschiedlichen Farben auf: Jeweils zwei aufeinander folgende kodierten einen Buchstaben.
Auf ein buntes Farbenspiel setzt auch eine originelle Form der Informationsübertragung: Mit einer präparierten Zündschnur haben einige Chemiker die Worte "Schau mal, Mama, ohne Strom!" gemorst. Drei Alkalisalzlösungen sorgen dafür, dass die abbrennende Lunte in verschiedenen Farben aufleuchtet. Durch bestimmte Flammenabfolgen ließen sich so bis zu 49 Zeichen kodieren. Durch eine Spektralanalyse werden die Geheimbotschaften dann wieder entschlüsselt.

Zum Einsatz kommen könnte die rudimentäre Technik etwa als unverwüstlicher Sender in Notsituationen, meinen die Forscher. Sieben Prozent der übermittelten Buchstaben werden bisher allerdings missinterpretiert, und auch sonst hakt es noch an einigen Stellen. Wenn auch nicht nobelpreisverdächtig, so sucht diese Forschung in puncto Skurrilität in diesem Jahr sicherlich ihresgleichen.

Die Schwedische Akademie der Wissenschaften hat sich 2009 ohnehin wieder einiger älterer Erfindungen angenommen: Der Physik-Nobelpreis ging an Willard Boyle und George Smith, beide ehemals an den Bell Laboratories in New Jersey, sowie Charles Kao, damals an der Chinese University of Hongkong. In beiden Fällen liegen die gewürdigten Verdienste mehr als vier Jahrzehnte zurück.

Die Physik-Nobelpreisträger 2009
Die Physik-Nobelpreisträger 2009 | Charles Kao (links) erhält die Hälfte des Nobelpreises für Physik 2009. Der 1933 im chinesischen Schanghai geborene Physiker hatte im Jahr 1966 berechnet, wie Licht über große Entfernungen über optische Glasfasern übertragen werden kann. Auf Basis seiner Kalkulationen entstanden nur vier Jahre später Lichtleiter, die neue Maßstäbe auf diesem Gebiet setzten. Kao arbeitete vor seiner Pensionierung zunächst bei Standard Telecommunication Laboratories von Harlow in Großbritannien sowie an der Chinese University of Hong Kong.

Je ein Viertel des diesjährigen Preises gehen an den 1924 in Kanada geborenen Willard Boyle (Mitte) und den heute 79-jährigen George Smith (rechts), die in den Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey, 1969 den ersten erfolgreichen digitalen Bildsensor, den CCD-Sensor (Charge Coupled Device) ersonnen haben. Der Sensor nutzt den fotoelektrischen Effekt, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Die Herausforderung bestand darin, die große Anzahl an Signalen zu erfassen und auszulesen. Heute finden sich CCDs in digitalen Kameras und in vielen medizinischen Anwendungen.
Boyle und Smith ersannen 1969 den ersten erfolgreichen digitalen Bildsensor, den CCD-Sensor (Charge-Coupled Device). Der Sensor nutzt den fotoelektrischen Effekt, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Als besonders knifflig stellte sich dabei die Aufgabe heraus, die große Anzahl an Signalen zu erfassen und auszulesen. Heute finden sich CCDs beispielsweise in jeder digitalen Kamera, aber auch für viele astronomische und medizinische Anwendungen sind sie inzwischen unerlässlich geworden.

Kao berechnete im Jahr 1966, wie Licht über große Entfernungen in optischen Glasfasern übertragen werden kann. Anders als die meisten Kollegen berücksichtigte er nicht nur die Physik, die sich im Wellenleiter abspielt, sondern auch dessen Materialeigenschaften. Auf Basis seiner Kalkulationen entstanden wenig später Lichtleiter, die neue Maßstäbe auf diesem Gebiet setzten. Während Lichtsignale in den 1960er Jahren nur rund 20 Meter weit übertragen werden konnten, waren jetzt über 100 Kilometer möglich. Heute sind optische Fasern aus Telekommunikationsnetzen nicht mehr wegzudenken.

Auch die gewaltigen Datenmengen, die der Large Hadron Collider nun endlich produzieren wird, ließen sich ohne Glasfaserkabel nur schwerlich über den gesamten Globus schicken. Zwar nahm der Teilchenbeschleuniger am CERN bereits am 10. September 2008 seinen Betrieb auf, doch nur neun Tage später führte eine fehlerhafte elektrische Leitung zwischen zwei Magneten dazu, dass mehrere Tonnen Helium aus dem Kühlsystem des Beschleunigers austraten und schlagartig verdampften.

Tonnenschwere Magnete vom Platz gerückt | Die großen mechanischen Kräfte haben die zuvor exakt aufeinander ausgerichteten Magnete – der Dipolmagnet (rechts) wiegt 35 Tonnen! – deutlich gegeneinander verrückt und die Verbindungsstücke beschädigt. Im Bild links ist noch die Schutzhülle zu sehen, die im Bild rechts entfernt ist.
Die dabei auftretenden Kräfte verformten die Magnete auf einer Länge von einigen hundert Metern und setzten den LHC außer Gefecht. Higgs-Teilchen aus der Zukunft würden daran die Schuld tragen, spekulieren zwei Physiker. Die beiden stützen sich dabei auf "eine Anzahl nicht völlig überzeugender, aber doch recht sinnvoller Annahmen". Wer oder was auch immer verantwortlich war, die Reparaturen und der Einbau zusätzlicher Sicherheitsvorkehrungen verzögerten den erneuten Start um mehr als ein Jahr.

An ungeschützte Stromschienen auf dem Forschungszentrum hatte dabei aber wohl keiner gedacht – genau hierein ließ ein kleiner Vogel nämlich Anfang November seinen Baguettekrümel fallen, was einen Kurzschluss im Kühlsystem des Beschleunigers zur Folge hatte. Auch das kostete ein paar Tage. Am 20. November 2009 fiel dann endlich der zweite Startschuss für den Large Hadron Collider.

Spuren des Higgs-Bosons
Spuren des Higgs-Bosons | Laut Computersimulationen könnte sich ein Higgs-Teilchen mit diesen Spuren im Detektor bemerkbar machen.
Drei Tage später ließen sich dann die ersten Protonenkollisionen darin nachweisen. Die Energie der Protonenstrahlen betrug jeweils 450 Milliarden Elektronenvolt (GeV) und damit weit weniger als die später geplanten 7000 GeV (7 TeV). Mitte Dezember waren es dann schon stolze 1,18 TeV pro Strahl. Damit ist der bisherige Spitzenbeschleuniger Tevatron in Batavia, Illinois, mit einer Gesamtenergie von 1,96 TeV knapp geschlagen.

Nun geht es aber erst einmal in die Winterpause, um dann im Frühjahr 2010 weiter aufzudrehen und vielleicht neue Physik zu entdecken. Wer weiß, vielleicht liefern die LHC-Forscher sogar den noch ausstehenden und heiß umkämpften Beweis für das Higgs-Teilchen – vorausgesetzt natürlich, diese wissen es nicht zu verhindern.
53. KW 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 53. KW 2009

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