Klimawandel

Ich habe gerade ein Buch zweier Potsdamer Klimatologen zu diesem Thema gelesen: Rahmstorf/Schellnhuber, Der Klimawandel, C.H. Beck Wissen, 8. Auflage, 2018. Die Autoren berichten über einen großen Konsens in der Wissenschaft über einen vom Menschen verursachten Klimawandel. Wenn die Konzentration des Kohlendioxids in der Atmosphäre verdoppelt werde, führe das zu einem Temperaturanstieg von 3 °C (plus/minus 1 °C bei einem confidence level von 95%). Wer sich näher informieren wolle, dem empfehlen sie die Berichte des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Ich meine, dass man sich ihren wissenschaftlichen Argumenten nicht verschließen sollte, ebenso wenig ihrem Anliegen, mit dem heutigen Wissen verantwortungsvoll umzugehen.

Schwarzes Loch

Vor kurzem ist erstmals ein Foto eines schwarzen Loches gelungen. Deshalb aus aktuellem Anlass auch von mir ein paar Zeilen.

In einem schwarzen Loch ist Materie so stark komprimiert, dass in seiner Umgebung noch nicht einmal Licht entweichen kann. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird ein schwarzes Loch als ein Punkt aufgefasst, hat also überhaupt keine Ausdehnung. Dies kann man sich nur schwer vorstellen. Aber nehmen Sie zum Beispiel das Elektron, das als Punktteilchen angesehen wird, obwohl es eine Ruhemasse besitzt.

Ein schwarzes Loch ist umgeben von einem Ereignishorizont. Alles, was ihn überquert, wird unsichtbar für die Außenwelt. Wenn nun Teilchen-Antiteilchenpaare in unmittelbarer Nähe des Ereignishorizontes aus dem Vakuum entstehen, kann ein Teilchen den Horizont überqueren, das andere gibt den Eindruck, als würde es aus dem schwarzen Loch kommen. Das ist die sogenannte Hawking-Strahlung.

In einem Teilchenphysikexperiment werden Teilchen zur Kollision gebracht und es werden hohe Materiedichten erzeugt. Können dadurch schwarze Löcher entstehen? Diese Frage hat schon zu gerichtlichen Auseinandersetzungen geführt. Die Argumentation der Physiker ist die: Aus dem Weltraum kommen Teilchen mit viel höherer Energie und unsere Welt gibt es noch.

Supraleitung

Es gibt Materialien, deren elektrischer Widerstand gleich Null ist bei hinreichend niedriger Temperatur. Auch die elektrische Stromdichte und das Magnetfeld dürfen nicht zu groß sein. Im Jahre 1908 gelang Heike Kamerlingh-Onnes (und seinem Labor) die Verflüssigung von Helium, dessen Siedetemperatur bei 4,2 K unter Atmosphärendruck liegt. Dadurch war es ihm möglich, 1911 die Supraleitung in Quecksilber zu entdecken.

Es folgten die Entdeckung von vielen weiteren Supraleitern, später auch Hochtemperatursupraleitern. Letztere haben den Vorteil, dass zu ihrer Kühlung flüssiger Stickstoff (77 K) ausreicht.

Für supraleitende Magnete wird häufig die Legierung NbTi (Niob-Titan) verwendet, deren kritische Temperatur bei etwa 10 K liegt.

Der kältere Teil von Stromzuführungen ist oft aus Hochtemperatursupraleitern (HTS).

Jets in der QCD

Was sind Jets? Was ist die QCD?

Das anschauliche Bild eines Jets ist ein Teilchenbündel, das bei der Kollision zweier Teilchen in einem Beschleunigerexperiment entsteht. (Es können mehrere Jets entstehen.) Die Quantenchromodynamik (QCD) wiederum ist die physikalische Theorie dazu. Sie postuliert, dass eine bestimmte Klasse von Teilchen, die Hadronen, aus Quarks und Gluonen bestehen. Wenn ein Quark oder Gluon aus einem Hadron gestreut wird, kann ein Jet erzeugt werden. Es ist noch nie ein Quark oder Gluon als freies Elementarteilchen beobachtet worden und die QCD behauptet, dass dies nicht möglich sei. Wenn nun ein Quark oder Gluon gestreut wird, so entstehen sehr schnell neue Teilchen, die beobachtbar sind und als Bündel/Jet betrachtet den Impuls des gestreuten Elementarteilchens haben. Die genaue Definition eines Jets ist nicht trivial und es werden ausgefeilte Algorithmen zu seiner konkreten Bestimmung verwendet.

Warum sind Jets interessant für Physiker?

Mit ihrer Hilfe lassen sich Rückschlüsse auf den fundamentalen Prozess machen, ohne dass man ein Quark oder Gluon als freies Teilchen gemessen haben muss.

Stromzuführungen

Stromzuführungen sind eine kryo-elektrische Komponente des Stromkreises eines supraleitenden Magneten. Sie treten immer paarweise auf. Das eine Ende wird warmer Terminal genannt und hat die Temperatur der Umgebung, etwa 300 K (Kelvin). Das andere Ende, der kalte Terminal, hat die Temperatur von flüssigem Helium, rund 4 K.

Wenn die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters zu groß gewählt wird, wird zu viel Wärme vom warmen zum kalten Ende geleitet. Ist sie dagegen zu klein, so wird die Stromzuführung durch die Joulesche Wärme des elektrischen Stroms sehr heiß und kann durchbrennen. Bei der Konstruktion muss daher ein Kompromiss gefunden werden.

Ist gibt einmal Stromzuführungen, die nur am kalten Terminal gekühlt werden. Hier spricht man von Kontaktkühlung. Andere Stromzuführungen führen den Heliumdampf über die gesamte Länge vom kalten zum warmen Terminal. Dies sind gasgekühlte Stromzuführungen. Man kann auch einen Zwischenpunkt auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff, 77 K, halten durch einen sogenannten thermischen Anker.

Das Plug-Kalorimeter

Ich werde hier versuchen, meine Diplomarbeit zusammenzufassen und in allgemein verständlichen Worten zu erklären. Die Arbeit war eine Detektorsimulation zum ZEUS-Experiment am Speicherring HERA. Dort wurden Elektronen und Protonen hoher Energie zur Kollision gebracht. Um den Wechselwirkungspunkt war der ZEUS-Detektor, der den gesamten Raumwinkel abdeckte bis auf die Öffnungen für die Strahlrohre. Die Idee für das Plug-Kalorimeter war, die Öffnung in Protonenrichtung zu verkleinern und so die Akzeptanz des Detektors zu erweitern. Ein Kalorimeter ist ein Energiemessinstrument. Das englische Wort plug kann hier mit Stopfen übersetzt werden.

Zunächst baute ich Varianten eines solchen Kalorimeters in das ZEUS-Detektor-Simulationsprogramm MOZART ein und testete mit Strahlen einzelner Teilchen vorgewählter Energie. Dann fand der Test mit zwei Sorten von Elektron-Proton-Streuereignissen statt. Ich konnte zeigen, dass diese zwei Sorten mit Hilfe eines Plug-Kalorimeters in der Analyse viel besser getrennt werden könnten.

Ein Plug-Kalorimeter wurde schließlich gebaut und eingesetzt. Zum Abschluss dieses Beitrags möchte ich noch eine Veröffentlichung dazu zitieren:

Bamberger et al., The ZEUS Forward Plug Calorimeter with Lead-Scintillator Plates and WLS Fiber Readout, Nucl. Instr. Meth. A450 (2000) 235-252 ( http://arxiv.org/abs/hep-ex/9912045 )