Clever messen: Durchbruch beim Nachweis hochenergetischer Teilchen
Winzige Sensoren, die sonst Lichtteilchen aufspüren, haben dank eines Forscherteams eine neue Superkraft entdeckt: Sie können jetzt auch hochenergetische Protonen sichtbar machen. Teilchenphysiker schauen gespannt auf die Ergebnisse.
Trifft ein Photon auf den Draht, verursacht es eine minimale elektrische Störung, die registriert wird. Ein Team des Argonne National Laboratory, ein multidisziplinäres Wissenschafts- und Ingenieurlabor in der Nähe von Chicago, Illinois, hat einen Weg gefunden, die SNSPDs ganz neu zu nutzen.
In einem Experiment am Fermilab Test Beam Facility wurde getestet, ob diese Detektoren nicht nur Photonen, sondern auch Protonen erkennen können. Protonen sind positiv geladene Teilchen, die im Kern eines Atoms sitzen. Die Tests nutzten einen Strahl mit hochenergetischen Protonen (120 GeV) - dies entspricht etwa der Energie von Protonen in Teilchenbeschleunigern. Es zeigte sich, dass die SNSPDs mit einer Drahtbreite von 250 Nanometern besonders präzise arbeiten.
Siehe auch:
Nanodraht-Sensoren entdecken Protonen
Supraleitende Nanodraht-Photonendetektoren (Superconducting Nanowire Photon Detectors, SNSPDs) sind extrem empfindliche Geräte, die einzelne Photonen erkennen können. Sie bestehen aus ultradünnen Drähten, die bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend werden, was bedeutet, dass sie keinen elektrischen Widerstand aufweisen.Trifft ein Photon auf den Draht, verursacht es eine minimale elektrische Störung, die registriert wird. Ein Team des Argonne National Laboratory, ein multidisziplinäres Wissenschafts- und Ingenieurlabor in der Nähe von Chicago, Illinois, hat einen Weg gefunden, die SNSPDs ganz neu zu nutzen.
In einem Experiment am Fermilab Test Beam Facility wurde getestet, ob diese Detektoren nicht nur Photonen, sondern auch Protonen erkennen können. Protonen sind positiv geladene Teilchen, die im Kern eines Atoms sitzen. Die Tests nutzten einen Strahl mit hochenergetischen Protonen (120 GeV) - dies entspricht etwa der Energie von Protonen in Teilchenbeschleunigern. Es zeigte sich, dass die SNSPDs mit einer Drahtbreite von 250 Nanometern besonders präzise arbeiten.
Wir haben das Gerät, das Photonen erkennt, leicht verändert, damit es in Magnetfeldern und bei Teilchen besser funktioniert. Und siehe da, wir haben die Teilchen genau so gesehen, wie wir es erwartet hatten.Teilchenbeschleuniger wie der geplante Electron-Ion Collider (EIC), der am Brookhaven National Laboratory gebaut wird, erzeugen schnelle und energiereiche Teilchen. Diese Teilchen zu messen, ist eine technische Herausforderung. SNSPDs könnten hier eine Lösung bieten. "Der getestete Protonenenergiebereich liegt genau in der Mitte des Spektrums der zu messenden Energien im EIC", sagt Sangbaek Lee, der an der Studie beteiligt war.
Neues Werkzeug
Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Nuclear Instruments and Methods in Physics Research veröffentlicht. Physiker Polakovic erklärt, dass die Teilchenphysik dank der Forschung des Teams ein präziseres neues Werkzeug erhält. Die Messmethoden könnten dazu beitragen, fundamentale Fragen über den Aufbau der Materie und die Dynamik von Protonen und anderen Teilchen besser zu beantworten.Was ist Teilchenphysik?
Die Teilchenphysik erforscht die kleinsten Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen. Sie untersucht fundamentale Teilchen wie Quarks, Elektronen und Neutrinos, aus denen alles im Universum aufgebaut ist.
Mithilfe großer Teilchenbeschleuniger wie dem LHC am CERN werden diese Teilchen bei extrem hohen Energien zur Kollision gebracht. Die dabei entstehenden Reaktionen geben Aufschluss über die grundlegenden Naturgesetze.
Mithilfe großer Teilchenbeschleuniger wie dem LHC am CERN werden diese Teilchen bei extrem hohen Energien zur Kollision gebracht. Die dabei entstehenden Reaktionen geben Aufschluss über die grundlegenden Naturgesetze.
Wozu brauchen wir das?
Die Teilchenphysik hilft uns, die fundamentalen Fragen nach dem Ursprung und der Beschaffenheit des Universums zu beantworten. Ihre Erkenntnisse sind essenziell für unser Verständnis von Materie, Energie und den Naturkräften.
Die Forschung führt auch zu praktischen Anwendungen: Teilchenbeschleuniger werden in der Medizin zur Krebstherapie eingesetzt, und Detektortechnologien finden sich in der modernen Bildgebung wieder.
Die Forschung führt auch zu praktischen Anwendungen: Teilchenbeschleuniger werden in der Medizin zur Krebstherapie eingesetzt, und Detektortechnologien finden sich in der modernen Bildgebung wieder.
Was sind Quarks?
Quarks sind die fundamentalen Bausteine der Protonen und Neutronen, die den Atomkern bilden. Es gibt sechs verschiedene "Geschmacksrichtungen" von Quarks: Up, Down, Strange, Charm, Top und Bottom.
Quarks können nie einzeln beobachtet werden, sondern kommen nur in Verbindungen vor. Dieses Phänomen wird als "Confinement" bezeichnet und ist eine der faszinierendsten Eigenschaften der starken Kernkraft.
Quarks können nie einzeln beobachtet werden, sondern kommen nur in Verbindungen vor. Dieses Phänomen wird als "Confinement" bezeichnet und ist eine der faszinierendsten Eigenschaften der starken Kernkraft.
Wie groß ist ein Atom?
Ein Atom ist unvorstellbar klein - etwa 10^-10 Meter im Durchmesser. Zum Vergleich: Auf einer Strecke von einem Millimeter könnten etwa 10 Millionen Atome aneinandergereiht werden.
Der Atomkern ist dabei noch einmal etwa 100.000-mal kleiner als das gesamte Atom. Der Rest des Atoms besteht hauptsächlich aus leerem Raum, in dem die Elektronen sich bewegen.
Der Atomkern ist dabei noch einmal etwa 100.000-mal kleiner als das gesamte Atom. Der Rest des Atoms besteht hauptsächlich aus leerem Raum, in dem die Elektronen sich bewegen.
Was ist das Higgs-Boson?
Das Higgs-Boson ist das Teilchen, das anderen Teilchen ihre Masse verleiht. Seine Entdeckung am CERN im Jahr 2012 war ein Meilenstein der Physik und bestätigte eine über 40 Jahre alte theoretische Vorhersage.
Das Higgs-Feld, das mit dem Higgs-Boson verbunden ist, durchdringt das gesamte Universum. Teilchen, die mit diesem Feld wechselwirken, erhalten dadurch ihre charakteristische Masse.
Das Higgs-Feld, das mit dem Higgs-Boson verbunden ist, durchdringt das gesamte Universum. Teilchen, die mit diesem Feld wechselwirken, erhalten dadurch ihre charakteristische Masse.
Gibt es Antimaterie?
Ja, Antimaterie existiert und wurde bereits im Labor hergestellt. Sie besteht aus Antiteilchen, die die gleichen Eigenschaften wie normale Materie haben, aber eine entgegengesetzte Ladung besitzen.
Wenn Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig und setzen dabei Energie frei. Ein großes Rätsel der Physik ist, warum unser Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht.
Wenn Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig und setzen dabei Energie frei. Ein großes Rätsel der Physik ist, warum unser Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht.
Was sind Neutrinos?
Neutrinos sind nahezu masselose Teilchen, die fast ohne Wechselwirkung durch Materie hindurchfliegen. Jede Sekunde durchdringen Billionen von Neutrinos unseren Körper, ohne dass wir es bemerken.
Sie entstehen bei radioaktiven Zerfällen und in der Sonne. Ihre schwache Wechselwirkung macht sie sehr schwer nachweisbar, weshalb man riesige unterirdische Detektoren für ihre Erforschung benötigt.
Sie entstehen bei radioaktiven Zerfällen und in der Sonne. Ihre schwache Wechselwirkung macht sie sehr schwer nachweisbar, weshalb man riesige unterirdische Detektoren für ihre Erforschung benötigt.
Was ist Dunkle Materie?
Dunkle Materie ist eine hypothetische Form von Materie, die nicht mit Licht wechselwirkt und daher unsichtbar ist. Ihre Existenz wird aus der Bewegung von Galaxien und anderen astronomischen Beobachtungen gefolgert.
Sie macht etwa 85% der Masse im Universum aus, aber ihre genaue Natur ist noch unbekannt. Die Suche nach Dunkler Materie ist eines der spannendsten Gebiete der modernen Physik.
Sie macht etwa 85% der Masse im Universum aus, aber ihre genaue Natur ist noch unbekannt. Die Suche nach Dunkler Materie ist eines der spannendsten Gebiete der modernen Physik.
Zusammenfassung
- SNSPDs können nun auch hochenergetische Protonen nachweisen
- Experiment am Fermilab nutzte 120-GeV-Protonenstrahl für Tests
- Detektoren mit 250 nm Drahtbreite zeigten besonders präzise Resultate
- Neue Methode könnte bei Teilchenbeschleunigern wie dem EIC helfen
- Forschung eröffnet Möglichkeiten zur Untersuchung fundamentaler Fragen
- Ergebnisse in Fachzeitschrift für Physikforschung veröffentlicht
Siehe auch:
- CERN rettet Standardmodell: Kontroverse W-Boson-Messung widerlegt
- Bisher unmöglich: Einzigartige Messung der Expansion des Universums
- Auf die Uhr schauen war gestern: Neuer Weg zur Zeitmessung entdeckt
- InSight spürt den Mars: Forscher überrascht von bisherigen Messungen
- Theorien am Ende: Messung lässt Universum noch schneller expandieren
Thema:
