01. Mai 2012, 03:43

Nein, heute ist nicht der 1. April, sondern der 1. Mai. Und dieser sommerliche Frühling erstaunt uns mit der Meldung, dass am CERN tatsächlich ein neues Teilchen entdeckt wurde!

Kein Higgs, kein SUSY-Teilchen, sondern Xi^*_b⁰
Das neue Teilchen besteht aus drei Quarks und ist damit ein Baryon. Man könnte es das "USB-Teilchen" nennen, weil es sich aus den drei Quarks up, strange und bottom (oder beauty) zusammensetzt. Teilchenphysiker nennen es Xi^*_b⁰. Durch die drittelzahlige Vielfache der Elementarladung von up (+2/3), strange (-1/3) und bottom (-1/3) wird das neue Teilchen insgesamt elektrisch neutral - deshalb die hochgestellte Null. Seine Masse wurde zu 5945,0 MeV bestimmt, also fast sechsmal schwerer als ein Proton oder fast so schwer wie ein Lithium-Atom. Es hat einen Spin von 3/2, ist demnach ein Fermion.

Abb. 1: Darstellung des Events mit neu entstandenen Zerfallsprodukten (Quelle: CMS / CERN)

Zum Namen
Der * bedeutet, dass das Teilchen angeregt ist. Der Index b steht für das enthaltene b-Quark. Die Xi_b-Baryonen wurden im Grundzustand vorher schon beobachtet. Neben dem neutralen Xi_b⁰, das aus den Quarks usb besteht, gibt es die Variante, die sich aus den Quarks dbs zusammensetzt. Da d im Gegensatz zu u die Ladung -1/3 e hat, summiert sich dann die Ladung zu -e auf. Dieses Teilchen heißt Xi_b^-.
In den Abbildungen steht "PV" für particle primary vertex und meint den Entstehungsort des neuen Teilchens. 

Warum ließ der Nachweis so lange auf sich warten?
Die Schwierigkeit bestand darin, dieses sehr instabile Baryon herzustellen und anhand seiner Zerfallsprodukte nachzuweisen. Die Quarks strange und bottom sind sehr schwer und daher zerfallen Teilchen, die sie enthalten, sehr schnell. 

Abb. 2: Schema zur Zerfallskette (Quelle: CMS / CERN)

Komplexe Zerfallskette
Abbildung 1 zeigt wie so ein Ereignis im Detektorvolumen ausschaut, allerdings nur die hier wesentlichen Zerfallsprodukte. Abbildung 2 illustriert die komplexe Zerfallskette: Das neutrale Xi_b⁰ zerfällt in sein negatives Pendant und ein positiv geladenes Pion. Daraus gehen das J/Psi-Meson und andere Xi-Baryonen. Schließlich bilden sich Myonen und Lambda-Baryonen. Ganz am Ende der Kaskade stehen zwei Myonen, drei Pionen und ein Proton.

Wer war's?
Dieser Erfolg der B-Physik gelang Teilchenphysikern der CMS-Kollaboration, die am CERN das Großexperiment CMS betreuen, das eines von vier Großexperimenten ist, das in den Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) eingebaut ist

Mehr in der Veröffentlichung
Das wissenschaftliche Paper mit vielen Details gibt es als preprint auf dem arxiv und erscheint im Fachjournal Physical Review Letters.

 

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20. April 2012, 14:22

Hier kommt ein kleiner Fernsehtipp in eigener Sache:

Am Mi., 25.04.12 um 21:00 Uhr (Wiederholung Do., 26.04.12 um 13:00 Uhr) wird die Sendung "Grenzen der Vernunft - Die Lust am Untergang" aus der Reihe "Alpha Forum" die auf "Bayern alpha" ausgestrahlt.

Frau Dr. Herrmann (Moderatorin), Herr Prof. Dr. Wuketits (Wissenschaftstheoretiker aus Wien), Herr Dr. Dr. von Lucadou (Psychologe aus Freiburg) und ich diskutieren das Thema "Weltuntergang" - u.a. warum er eine besondere Faszination auf die Menschen ausübt. Als Astrophysiker stelle ich kurz die kosmischen Szenarien vor, die uns den Weltuntergang bescheren könnten. Wird uns Bruce Willis retten?

Link zur Sendung

 

 

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07. Februar 2012, 19:49

Materie besteht aus Teilchen. Diese Teilchen kann man zusammenpressen, so dass in einem Volumen mehr Teilchen Platz haben. Dabei erhöht sich die Dichte im gepressten Material, also die Masse pro Volumen. Die Dichte wird in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³; SI-Einheiten) oder in Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³; cgs-Einheiten) angegeben. Heute soll es darum gehen, wie groß die Materiedichte eigentlich werden kann.  

Typische irdische Verhältnisse
Ein gewöhnliches Stück irdischer Materie hat bei Raumtemperatur Dichten zwischen  0,001 g/cm³ (Luft), 1 g/cm³ (Wasser) und 19,3 g/cm³ (Gold). Möchte man einen Goldbarren mit dem Volumen von einem Liter (1 dm³) aufwiegen, müsste man dies mit fast genau 20 Milchbeuteln tun.

[BILD: Gold gehört zu den dichtesten irdischen Materialien. Um einen Goldbarren aufzuwiegen braucht es schon 20 Milchbeutel. Quelle: A. Müller]

Dichtes Material eignet sich vorzüglich, um energiereiche, schädliche Strahlung abzuschirmen. Neulich mal beim Arzt geröntgt worden? Dann kam sicherlich Blei zum Einsatz. Um Röntgenstrahlung an Körperstellen abzuschirmen, wo sie nicht hinkommen soll, verwendet man z.B. Bleischürzen. Blei hat eine Dichte von 11,3 g/cm³, also weniger als Gold. Gold wäre aufgrund seiner noch höheren Dichte weitaus effizienter - aber das gibt's nur für Privatpatienten und Ölscheichs.  

Noch dichter geht's nur im Weltall
Das Weltall ist derjenige Ort, wo wir das beste Vakuum antreffen - besser als man es jemals auf der Erde, z.B. mit Vakuumpumpen herstellen könnte. Die mittlere Dichte da draußen beträgt nur ein Proton pro Kubikmeter oder 5 x 10^-30 g/cm³.
Paradoxerweise ist das Weltall auch der Ort, wo wir die dichtesten Orte antreffen können. Aber wie erzeugt man diese hohen Dichten? Und gibt es eigentlich eine natürliche Grenze, eine maximale Dichte?  

Der Gravitationskollaps von Sternen
Sterne sind rotierende Gasbälle, deren Inneres kocht und so heiß ist, dass dabei über die Verschmelzung von Atomkernen elektromagnetische Strahlung entsteht. Sterne stehen dabei in einem Gleichgewicht aus Kräften, die den Stern größer machen wollen (Gasdruck, Rotation, Strahlungsdruck) und solche, die in verkleinern wollen (Gravitation). Bei der Sonne hält dieses Gleichgewicht schon ein paar Milliarden Jahre an. Das geht aber nicht ewig so weiter.
Die Fusionsreaktionen kommen nämlich irgendwann zum Erliegen: Entweder weil der Stern nicht mehr die notwendige Zündtemperatur zum Starten der nächsten Fusionskette erreicht oder weil der Stern einen Eisenkern ausgebildet hat und nun die Fusionskette aus kernphysikalischen Gründen aufhört. Weil nun die Gravitation die Oberhand gewinnt, wird der Sternkern zusammengedrückt und seine Dichte nimmt stark zu.  

Das Schicksal unserer Sonne
Unsere Sonne hat aktuell eine mittlere Gasdichte von nur 1,4 g/cm³. Das ist nur wenig mehr als die Dichte von irdischem, flüssigem Wasser. (Übrigens der Gasplanet Saturn hat eine so geringe Dichte, 0,7 g/cm³, dass er sogar in flüssigem Wasser schwimmen würde.) Diese mittlere Dichte der Sonne kann um einen Faktor von einer Million gesteigert werden. Das geschieht am Ende der Sternentwicklung, wenn sich der Sonnenkern in einen Weißen Zwergstern umwandelt.

[BILD: Entwicklung der Sonne in den nächsten Milliarden Jahren. Übrig bleiben wird ein Weißer Zwerg, der in einen farbenprächtigen Planetarischen Nebel eingebettet ist. Der Nebel wird sich aus den abgestoßenen, äußeren Gashüllen der Sonne bilden. Quelle: A. Müller]

Der resultierende Weiße Zwerg wird in etwa so groß sein wie die Erde, aber ungefähr eine Sonnenmasse haben. Seine mittlere Dichte beträgt dann etwa 2,4 x 10⁶  g/cm³. Ein spielwürfelgroßes Stück Materie vom Weißen Zwerg wiegt so viel wie ein großes Auto.  

Darf's ein bisschen mehr sein?
Das sind immer noch Peanuts. Die Kerne von massereicheren Sternen als die Sonne können ihr Inneres zu noch größeren Dichten zusammenquetschen. Die Dichten sind sogar so hoch, dass die Atomhüllen in die Atomkerne gepresst werden (inverser Betazerfall). Dabei wandelt sich die Materie zu einem großen Teil in Neutronen um. Das entstehende Sternüberbleibsel heißt daher Neutronenstern. Die Dichte eines Neutronensterns steigt von außen nach innen von 10⁴ nach 10¹⁵  g/cm³ an. Im Inneren erreicht er offenbar mehrfache Kernmateriedichte! Die Kernmateriedichte liegt bei 3 x 10¹⁴ g/cm³ und meint die Dichte von Atomkernen. Ein Liter von der Neutronensternmaterie aus dem tiefsten Innern des Sterns hat soviel Masse wie alle Weltmeere der Erde zusammen! Es wird gerätselt, ob dabei tief im Herzen eines Neutronensterns Materie in einer vollkommen neuen Form vorliegen könnte: dem Quark-Gluon-Plasma.  

Exotische Materie im frühe Universum  
Eine Nanosekunde nach dem Urknall gab es im Universum noch keine Planeten, Sterne oder Galaxien - ja, noch nicht einmal chemische Elemente, Protonen oder Neutronen. Die Materie war in Einzelteile zerlegt und zwar so sehr, dass die Bestandteile der Protonen und Neutronen, die Quarks, frei in einem Gas herumschwirrten. Dieser Materiezustand heißt Quark-Gluon-Plasma. Die Gluonen sind die Botenteilchen, die die starke Kraft übertragen. Sie können Quarks zu Zweierpaaren (Mesonen) oder Dreierpaaren (Baryonen) zusammenkleben. Dieser Vorgang heißt Hadronisierung und setzte später bei der weiteren Abkühlung des Universums ein.
Um den exotischen Materiezustand des Quark-Gluon-Plasmas zu erzeugen, muss man entweder Materie extrem dicht zusammenpressen, zu fünf- bis zehnfacher Kernmateriedichte. Oder man macht die Materie extrem heiß, auf eine Billion Grad, d.h. 100.000mal heißer als das Zentrum unserer Sonne.
Beides klingt unerreichbar verrückt. Dennoch ist Teilchenphysikern am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in den USA 2004 der Durchbruch gelungen, das Quark-Gluon-Plasma herzustellen. Dazu beschleunigten sie schwere Atomkerne von Gold und ließen sie in einem winzigen Raumpunkt zusammenstoßen. Dort bildete sich für Sekundenbruchteile ein "nuklearer Feuerball" mit wahnsinnig hohen Dichten bzw. Temperaturen. Die Bedingungen waren so extrem, dass die Materie in das Quark-Gluon-Plasma zerfiel.
Übrigens kann sowas auch am derzeit stärksten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, gemacht werden. Dort wurde Ende 2010 ein Betriebsmodus getestet, wo er nicht Protonen, sondern Bleiionen kollidieren lässt (CERN Pressemitteilung). Weil ein Bleiatomkern 207mal schwerer ist als ein Proton (=Wasserstoffatomkern) waren die erreichten Energien deutlich größer (287 TeV pro Beam). Im Experiment ALICE wird dann der neue, superdichte Materiezustand untersucht.

[BILD: Im LHC-Experiment ALICE wird der "Teilchenunfall" von Bleiionen genau unter die Lupe genommen. Die einzelnen Quarks fügen sich wieder zu Mesonen und Baryonen zusammen - "hadronisieren" - und sind als Büschel zu sehen. Quelle: CERN] 

Unendliche Dichte im Schwarzen Loch?
In der Astrophysik gibt es Objekte, wo die Gravitation den endgültigen Sieg über alle anderen Kräfte errungen hat: Schwarze Löcher. Nehmen wir an, ein Schwarzes Loch habe drei Sonnenmassen, dann beträgt seine Größe - angegeben durch seinen Ereignishorizont (oder Schwarzschildradius) - neun Kilometer. Würde man seine Masse gleichmäßig über dieses Kugelvolumen verteilen, so ergäbe sich eine mittlere Dichte von 2 x 10¹⁵ g/cm³, also etwa 7fache Kernmateriedichte.  Bei einem Schwarzen Loch ist es aber offenbar noch viel schlimmer. Denn Schwarze Löcher sind Masse ohne Materie! Studiert man die Raumzeit-Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die kosmische Schwarze Löcher gut beschreiben (nämlich Schwarzschild- und Kerr-Metrik), dann findet man eine Krümmungssingularität. Hier drin steckt die ganze Masse des Lochs, und hier werden Raumzeit-Krümmung und Dichte unendlich. Die Physik kommt hier an ihre Grenze der Beschreibbarkeit und Vorhersagekraft. Ob es diese Singularitäten tatsächlich in der Natur gibt, wurde bislang nicht gezeigt. Wir wissen nur, dass einige Objekte da draußen, sehr gut mit dem Modell der klassischen Schwarzen Löchern beschrieben werden können.  

Gibt es eine maximale Dichte?
Theoretische Physiker können eine Grenze ausrechnen, an denen weder eine Beschreibung mit der Relativitätstheorie, noch mit der Quantentheorie allein ausreichen. Das ist die sog. Planck-Skala. Die maximale Dichte, die aus der Planck-Skala abgeleitet werden kann, heißt Planck-Dichte und beträgt 10⁹³ g/cm³. Das sind nochmal 78 Zehnerpotenzen mehr als zehnfache Kernmateriedichte. Eine unvorstellbar große Zahl, aber immerhin kleiner als unendlich - wenn auch nahe dran. Diese Skala ist so weit weg von Gut und Böse, dass sie nicht experimentell zugänglich ist. Insofern ist auch die Planck-Skala spekulativ.  

Der Ausweg in die Quantengravitation
Anschaulich bedeutet die Planck-Dichte, dass hier eine Quantenbeschreibung der Gravitation notwendig ist. Auf derartige Quantengravitationstheorien gibt es schon ein paar Anwärter, u.a. Stringtheorie und Loop-Quantengravitation, aber es handelt sich dabei noch um spekulative Theorien. Es gibt sogar schon experimentelle Tests dieser Theorien, aber bislang stützen sie sie nicht.  
Spannend sind sie allemal. Nehmen wir an, wir pressten Materie mehr und mehr zusammen und erreichten die Planck-Dichte. Dann sagt die Loop-Quantengravitation voraus, dass von der quantisierten Raumzeit ein nach außen gerichteter "Quantendruck" ausgeht, der eine weitere Verdichtung von Materie verhindern würde. Damit könnte sogar die frühe, heftige Ausdehnungsphase des Universums erklärt werden, die Inflation genannt wird.  

[BILD: Die Dichte-Skala des Universums. Quelle: A. Müller]

Zusammenfassung
Die Dichte-Skala des Universums ist oben zusammengefasst. Interessant ist, dass wir angesichts der Zehnerpotenzen deutlich mehr nicht verstanden haben, als verstanden. Die Theorie besagt, dass es eine höchste Dichte geben muss und dann komplett neue Effekte zu erwarten sind. Diese Bereiche können Physiker bereits experimentell testen und es wird spannend sein hier die kommenden Entwicklungen zu verfolgen.

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28. Dezember 2011, 15:30

Besuchten Außerirdische unseren Mond? Vielleicht sogar vor vielen Millionen Jahren? Das ist sehr unwahrscheinlich, aber sollte es geschehen sein, so hätten wir eine Chance das herauszufinden.

Der Mond unserer Erde besitzt keine Atmosphäre. Daher gibt es dort keinen blauen Himmel, sondern nur die Schwärze des Weltalls. Es sei denn, man blickt vom Mond aus auf die Erde, so wie hier:

Bild: Erdaufgang auf dem Mond (Mondmission Apollo 11, NASA, 1969)

Es gibt auch kein Wetter: keine Wolken, kein Wind oder Stürme, erst recht kein Regen. Das vernarbte Antlitz des Mondes verrät, dass Einschläge von Meteoriten daher recht häufig auftreten. Sie können nicht von einer schützenden Atmosphäre verhindert werden. Diese Spuren verwittern nicht und überdauern viele Millionen Jahre. » weiter

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07. November 2011, 12:06

Ich hatte kürzlich die Gelegenheit einen aktuellen Science-Fiction-Film zu sehen, der in diesen Tagen in den Kinos läuft. Der Film heißt "Another Earth", und Regie führte Mike Cahill.  

Von der Geschichte möchte ich nicht zu viel verraten. Im Wesentlichen geht es um eine junge Frau, die eine große Schuld auf sich geladen hat. Ihr Leben nimmt damit eine dramatische Wende und sie versucht mit dieser Schuld fertig zu werden. Der Film ist kein techniklastiger Science-Fiction-Reißer, sondern vielmehr ein feinfühliges Drama. Besonders hervorzuheben ist die Leistung der beiden Hauptdarsteller Brit Marling und William Mapother.  

Den Titel verdankt der Film dem merkwürdigen Phänomen, dass am Himmel plötzlich eine zweite, identisch aussehende Erde auftaucht. Sehr spannend ist die Kontaktaufnahme zur 2. Erde, die einige Überraschungen parat hält. Wissenschaftlich sollte man nicht zu sehr hinterfragen, woher die zweite Erde kam. Aber es gäbe schon Erklärungen, die bereits in der einschlägigen Science Fiction wie im Film "Contact" oder der Serie "Star Trek" herhalten musste.  

"Another Earth" ist ein wirklich sehenswertes Drama mit einer berührenden Geschichte, die sehr zum Nachdenken anregt. Besonders gefallen hat mir der Schluss. 

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04. Oktober 2011, 12:22

Nun steht es also fest: Der diesjährige Nobelpreis für Physik geht an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam G. Riess! Die US-amerikanischen Forscher haben entdeckt, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Sie sind Experten für sog. Supernovae Typ Ia, einem speziellen Typ von Sternexplosionen, die sich gut eignen, um im Kosmos recht genau große Distanzen zu messen. 1998 wurde mit Daten vieler solcher Sternexplosionen nachgewiesen, dass das Weltall nicht nur expandiert, sondern dies sogar beschleunigt voranschreitet. Damit war klar, dass man im Kosmos eine seltsame Energieform benötigt, die schon Albert Einstein 1917 als kosmologische Konstante ("Lambda") eingeführt hatte. Mittlerweile spricht man von der Dunklen Energie. Diese Entdeckung gehört zu den größten Durchbrüchen der Astronomie (wie ich schon im Sommer 2009 darstellte) und es ist in der Tat des größten Preises der Physik würdig.

Und weil es im Original einfach so schön klingt hier die Laudatio des Nobel-Komitees: "for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae" 

Weitere Blog posts zum Thema:

 

• "Der Urknall - 5 Gründe daran zu glauben"
• "Supernovae Ia - Der Explosionsursache auf der Spur"
• "Dunkle Energie - bloß Einbildung?"
• "Aktive Galaxien als neue Distanzmesser für größte Entfernungen"

 

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23. Juli 2011, 15:17

Seit gestern tagen die CERN-Forscher in Grenoble bei der Europhysics Conference on High Energy Physics (EPS Meeting), um die aktuellen Ergebnisse am  Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) zusammenzutragen. In zwei LHC-Experimenten, ATLAS und CMS, fand man nun ungewöhnliche Ereignisse im Massenbereich von 130-150 Gigaelektronenvolt. Das ist gerade ein Bereich, in dem die Masse des Higgs-Teilchens vermutet wird. Das Higgs-Teilchen wäre dann so schwer wie bis zu 150 Protonen, den elektrisch positiv geladenen Teilchen im Atomkern.  

Was passiert genau?

Am LHC werden Protonen zu Kollision gebracht (siehe mein Übersichtsbericht zum LHC). Dabei ist eine besondere Teilchenreaktion, dass sich zwei Gluonen sehr nahe kommen könnten, die, vermittelt über virtuelle Paare aus Quarks und Antiquarks ("loops"), kurzzeitig das Higgs-Teilchen erzeugen. Schließlich zerfällt es in zwei Gammaphotonen, also hochenergetische, elektromagnetische Strahlung. Von 500 Proton-Proton-Kollisionen würde aber nur eine zu genau dieser Zerfallsreaktion führen. Deshalb muss man viele Proton-Proton-Kollisionen im LHC produzieren, um diesen Prozess überhaupt beobachten zu können.  

Nun haben zwei Großexperimente am LHC - sowohl ATLAS, als auch CMS - im gleichen Massenbereich etwas gefunden. Und genau dieser Massenbereich ist nach wie vor noch interessant, dass hier das Higgs-Boson gefunden werden könnte.  

Reaktionen von Experten und der Presse

Die Messungen sind außerordentlich kompliziert. Deshalb sind die CERN-Forscher auch so zaghaft. Während sie die Entdeckung noch zurückhaltend beurteilen, sehen Journalisten schon fast eine Entdeckung. Doch nach Einschätzung der CERN-Physiker ist es noch zu früh, um von einer Entdeckung zu sprechen. Wir müssen also den Ball noch flach halten. Aber im Herbst/Winter werden die Daten gut genug sein, um entweder die Entdeckung des Higgs-Teilchens im niedrigen Massenbereich 130-150 Gigaelektronenvolt bestätigen zu können oder es in diesem Bereich ausschließen zu können. Im letzteren Fall wäre also das Higgs-Teilchen noch schwerer - oder es existiert nicht.  

Am nächsten Montag, 25. Juli 2011, 13:30 Uhr findet eine Pressekonferenz in Grenoble statt. 

Links:

[1] nature Artikel von gestern 

[2] Bericht im Quantumdiaries-Blog 

[3] CERN-Mitteilung zum EPS Meeting   

Update 25.07.11, 14:30 Uhr:

Nach der EPS-Pressekonferenz in Grenoble: CERN-Generaldirektor Prof. Rolf-Dieter Heuer rechnet erst für Ende 2012 damit, dass wir mit mehr Sicherheit etwas über die Existenz oder Nicht-Existenz des Higgs-Teilchens wissen. Es müssen einfach noch mehr Messdaten gesammelt werden, um statistisch aussagekräftig zu sein. Wir müssen also noch Geduld haben. Aber weil diese Erkenntnisse nach und nach kommen werden, rechnet Heuer mit ersten Gerüchten schon deutlich vor Ende 2012.

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17. Juli 2011, 20:28

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04. März 2011, 17:57

Ich möchte die gesellschaftliche Aufmerksamkeit für das Thema nutzen, und einen weiteren Punkt ansprechen.
 
Die Notwendigkeit wissenschaftlichen Publizierens
Forschen allein ist nur ein Teil der Wissenschaft. Damit die Ergebnisse von Forschungsarbeiten bekannt werden, müssen sie auch veröffentlicht werden. Andere Wissenschaftler lesen dann diese Arbeiten und nehmen Bezug darauf, d.h. sie zitieren ihrerseits die Veröffentlichung - vorausgesetzt sie halten die gute, wissenschaftliche Praxis ein. Wissenschaftler, die wichtige Entdeckungen gemacht haben, werden häufiger zitiert und werden so bekannter. Darauf resultieren Sichtbarkeit, Renommee und Erfolg eines Wissenschaftlers.
So baut die Wissenschaft Stück für Stück, Publikation für Publikation ein wissenschaftliches Weltbild auf. Manchmal stellen die Wissenschaftler dabei fest, dass ein Forschungsresultat nicht korrekt ist - sie widerlegen eine Arbeit und reißen an diesen Stellen das wissenschaftliche "Gebäude" ab und ersetzen es durch einen "Neubau", eine neue Hypothese oder sogar eine neue Theorie. Wissenschaft ist somit von Natur aus vorläufig und wird ständig angezweifelt, bestätigt oder widerlegt. Irgendwann stellt man fest, dass sich eine Hypothese oder Theorie vielfach bewährt hat. Dann wird sie zum festen Bestandteil des wissenschaftlichen Weltbildes und zur gängigen Lehrmeinung (schöne Lektüre an dieser Stelle ist Poppers "Logik der Forschung"). 
 
Begutachtung steht vor der Veröffentlichung
Die Veröffentlichung geschieht in der Physik in Fachzeitschriften wie z.B. "nature", "Science" oder den "Physical Review Letters". Die Zeitschriften verlangen für den Abdruck bzw. die Veröffentlichung im Web Geld vom Autor, das sein Institut zahlt. 
Bis es aber zum Abdruck kommt, muss die Forschungsarbeit begutachtet werden. Ist es ein neues Resultat oder eine neue Methode? Wurde alles nach wissenschaftlichen Kriterien richtig gemacht? Genügen Inhalt, Form und Umfang den Vorgaben des Fachjournals? Die wissenschaftliche Richtigkeit und Plausibilität können nur Experten beurteilen. Deshalb zieht der Chefredakteur des jeweiligen Journals andere Wissenschaftler aus der ganzen Welt zu Rate. Dieses Vorgehen nennt man den peer review process. Die Gutachter heißen peers oder referees. Die Begutachtung kann sich ganz nach Thema und Umfang der Arbeit über mehrere Monate und Jahre hinziehen.
Damit man als Wissenschaftler nicht so lange warten muss, bis das Forschungsergebnis endlich veröffentlicht wurde, kann man den Claim schon vorher abstecken und sie vorab veröffentlichen. Dazu dienen sog. Preprint-Server wie arXiv.org. Das Manuskript kann hier als PDF gepostet werden und kurze Zeit später steht es der wissenschaftlichen Community zur Verfügung - auch wenn es noch gar nicht begutachtet wurde. Es entspricht (zumindest in der Astronomie) der guten Praxis mit der Veröffentlichung auf dem Preprint-Server zu warten, bis das Manuskript begutachtet und für den Abdruck als gut befunden wurde. Aber es gibt auch manchmal Ausnahmen.
 
Noch mehr Arbeit: Konferenzbeiträge 
Neben den Veröffentlichungen von Forschungsarbeiten in Zeitschriften gibt es noch Beiträge zu Konferenzbänden - sog. proceedings. Denn zum Wissenschaftsmarketing gehört auch, dass der Wissenschaftler seine Ergebnisse auf Tagungen, Workshops und Konferenzen in einem Vortrag oder Poster vorstellt. Im Prinzip ist es nur eine andere Form, wie die Ergebnisse präsentiert werden. Zu vielen Konferenzen erscheinen Konferenzbände, bei denen erwartet wird, dass der Wissenschaftler seine Präsentation als Manuskript vorbereitet und an die Herausgeber des Konferenzbandes schickt. Typischerweise erscheint das, was anderswo bereits in einem Fachjournal publiziert wurde, nochmal als mindestens ein Proceeding. Es ist eine irrsinnige Redundanz. 
 
Reviews, Bücher, Populärwissenschaft
Als dritte Form neben den papers in Fachjournalen und den proceedings in Konferenzbänden gibt es noch die reviews. Damit sind Zusammenfassungen zu einem Forschungsthema gemeint, die umfassender eine langfristige Entwicklung in einem Forschungsfeld vorstellen. Sie dienen dazu, um sich schnell in ein Thema einzuarbeiten und auf den aktuellen Stand der Forschung zu kommen. 
Schließlich schreiben die Wissenschaftler auch Bücher, sowohl populärwissenschaftliche Bücher (popular books), als auch Lehrbücher (textbooks), die z.B. auf einem erfolgreichen Vorlesungsskript beruhen.
Außerdem schreiben einige auch populärwissenschaftliche Artikel, z.B. in "Sterne und Weltraum", um ihre Forschungsthemen einer breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen.
 
Die Publikationsliste: Aussage über die Qualität eines Wissenschaftlers
Wenn heutzutage ein Wissenschaftler eingestellt wird, dann muss er seine Publikationsliste vorweisen. Dieses Portfolio stellt alle Publikationen zusammen, typischerweise chronologisch geordnet, inklusive Angabe von Titel, ggf. Koautoren sowie Name, Ausgabe und Seite in der jeweiligen Zeitschrift. In der Astronomie sieht das z.B. so aus: Müller & Wold: "On the Signatures of Gravitational Redshift: The Onset of Relativistic Emission Lines", A&A 457, 485, 2006. Heutzutage kann man in Online-Archiven (z.B. ADS von der NASA) nach der Publikation (paper) suchen, sie herunterladen und sogar analysieren, in welchen anderen Arbeiten das Paper zitiert wurde. Eine wichtige und wegweisende Publikation wird erwartungsgemäß häufiger zitiert. Daraus kann man eine Wissenschaft für sich machen und diverses Qualitätsmanagement betreiben, indem man z.B. die am meisten zitierte Forschungsarbeit eines Wissenschaftlers herausfindet oder seinen Hirsch-Index bestimmt. Nach wie vor ist schlichtweg die Gesamtzahl aller Publikationen eines Wissenschaftlers eine wichtige Kenngröße, um etwas über die Qualität eines Wissenschaftlers aussagen zu wollen; getreu dem Motto: Je mehr er veröffentlicht, umso aktiver und sichtbarer ist er.  Ob sich daraus wissenschaftliche Qualität ableitet darf bestritten werden.
 
Kritik an der Umsetzung des peer review
Nach diesen längeren Ausführungen zur gängigen Praxis wissenschaftlichen Publizierens möchte ich nun zu den eigentlichen Punkten des Blogbeitrags kommen.  Die erste Kritik richtet sich auf die tatsächliche Umsetzung der Begutachtung - die Mängel sind auch in Guttenbergs Plagiat-Affäre angeklungen. Kaum ein Gutachter nimmt sich noch richtig Zeit, um die Manuskripte - sei es ein Paper, sei es eine Doktorarbeit - eingehend zu prüfen. Das kann daran liegen, weil der Gutachter fachlich nicht geeignet ist; viel häufiger ist es schlichtweg ein Zeitproblem. Die Begutachtung ist eine wichtige und ehrenvolle, aber eigentlich sehr undankbare Aufgabe. Denn in der Regel bleibt der Gutachter anonym und wird niemals mit der begutachteten Arbeit in Verbindung gebracht. Das ist im Prinzip gut so, um keine Abhängigkeiten zu schaffen oder Interessenskonflikte zu schüren. Unterm Strich macht sich aber jemand viel Arbeit und bekommt dafür nichts: weder Ruhm und nicht einmal ein Honorar. Der Begutachtungsjob wird also gar nicht mal so selten stiefmütterlich erledigt und nicht 100%ig sorgfältig - klar, die Begutachter sind hochbeschäftigte Wissenschaftler und müssen selbst vorankommen. Wie er die Frage beantwortet, ob er ein Manuskript begutachtet oder lieber selbst ein paper schreibt, dürfte klar sein. 
Dass der peer review nicht immer funktioniert, erkennt man klar an begutachteten Arbeiten, die sich später als Mangelware entpuppen, die in harmlosen Fällen Typos und Rechenfehler enthalten und in schwerwiegenden Fällen Plagiate à la Guttenberg oder gar gefälschte Ergebnisse aufweisen. Dann müssen Errata erscheinen, die hinterher zum Paper nachgedruckt werden müssen, weil eklatante Fehler aufgeflogen sind. 
 
Kritik an der paper-Flut
Meine zweite Kritik richtet sich auf die täglich erscheindende paper-Flut. Ein Beispiel: Alleine zum Spezialthema "Schwarzes Loch" (black hole) erschienen auf dem Preprint-Server arXiv im Jahr 2010 mehr als 1000 preprints! Das sind also ungefähr 100 papers pro Monat oder drei pro Tag. Möchte man als Wissenschaftler mit Expertise in "Schwarzen Löchern" am Ball bleiben, so müsste man alle diese Veröffentlichungen studieren - illusorisch!
Schaut man genauer hin, woher diese Flut kommt, so findet man unter den Veröffentlichungen eine ganze Menge proceedings, also in der Regel Konferenzbeiträge, wo ein Autor das anderswo publizierte Thema wieder und wieder durchkaut. Auch die proceedings werden in der Regel begutachtet. Unterm Strich ergibt sich folgendes Problem: Referee und Autor verlieren beide viel Zeit, und es bringt im Prinzip keinem etwas, erst recht keinen wissenschaftlichen Fortschritt - eine "Lose-Lose-Situation"!
 
Was will der eigentlich?
Daher mein Vorschlag: Schafft die proceedings ab! Viele davon verrotten als dicker, ungelesener Konferenzband-Schinken in der hintersten Ecke der Bibliothek. Also bitte mehr Ehrlichkeit in der Wissenschaft und nur wirklich Neues publizieren - unnötige Publikationen vermeiden! Aber wer macht das in freiwilliger Ehrlichkeit, wenn der nächste Job an der Zahl der Gesamtpublikationen gemessen wird? Also sollten sich im Wissenschaftsbetrieb auch die Einstellungskriterien ändern.
Ich wünsche mir persönlich - vielleicht etwas naiv - eine wissenschaftliche Welt, in der nur relevante Arbeiten mit echten Durchbrüchen publiziert werden, ansonsten bitte nur die Referenz als Zitat angeben. Unsere Welt wäre eine effizientere und ehrlichere. Die gewonnene Zeit könnte man als Wissenschaftler in einen sorgfältigen peer review stecken - und die Bäume würden es uns auch danken.
 
Ich kann natürlich nur für einen bestimmten Teil der Wissenschaft sprechen, nämlich für die Physik und Astronomie. Daher meine Frage an die Akademiker: Wie sieht das in anderen wissenschaftlichen Communities aus, z.B. in den Geisteswissenschaften? Ähnlich schlimm? Ihr Kommentar ist willkommen!
 
PS: Übrigens auch lesenswert ist das Editorial im aktuellen Physik-Journal 3/2011 der DPG zum Thema "Open Access".

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01. März 2011, 23:05

Haben Sie 2020 schon etwas vor? Nein? Die ESA schon.

Die europäische Weltraumbehörde ESA schießt Forschungssatelliten ins All und hatte vor kurzem die Wissenschaftler gefragt, welches Projekt der Mittelklasse (sog. medium-class mission) auf ihrer Wunschliste steht. So haben sich unterschiedliche Communities und Forschungszweige Gedanken gemacht und in mühevoller Detailarbeit ihre Wunsch-Mission ausgearbeitet. Ganz am Anfang steht eine wissenschaftliche Frage und am Ende steht ein komplexes Gerät, das im Weltraum Messdaten sammelt, um die Ausgangsfrage zu lösen. Am 25.02.2011 hat die ESA vier Kandidaten für eine sog. M-Klasse-Mission bekanntgegeben.  Die Starttermine sind zwischen 2020 und 2022 und sind Teil der langfristigen Pläne der ESA, der sog. Cosmic Vision 2015-2025.

Der Aufruf der ESA war bereits im Sommer 2010. Insgesamt gingen 47 vorgeschlagene Missionen ein, die von einem Expertengremium begutachtet wurden. Massgeblich bei der Auswahl ist, ob die jeweilige Mission einen wissenschaftlichen Durchbruch verspricht.
Die Fantastischen Vier hören auf die klingenden Namen EChO, LOFT, MarcoPolo-R und STE-QUEST. Dazu in aller Kürze:

EChO steht für Exoplanet Characterisation Observatory. Ziel ist die Erforschung der Atmosphären von Exoplaneten, also Planeten außerhalb des Sonnensystems. Davon sind mittlerweile mehr als 400 bekannt. Die Forscher möchten herausfinden, ob diese Atmosphären chemisch so zusammengesetzt sind, dass sie extrasolares Leben ermöglichen. EChO sucht damit im Prinzip nach Außerirdischen.
An Bord von EChO befindet sich dazu ein hochauflösendes Multi-Wellenlängen-Spektrometer zur Bestimmung der Atmosphärenchemie, Temperatur und ihrem Rückstrahlvermögen (Albedo, z.B. extrem hoch bei den Venuswolken).

LOFT bedeutet Large Observatory For X-ray Timing. Forschungsziel ist die Untersuchung von Materie in der unmittelbaren Nähe der Ereignishorizonte  von Schwarzen Löchern. Dieses an das Loch verfütterte Material ist so heiß, dass es im Röntgenbereich strahlt - X-rays sind Röntgenstrahlen. Beim Timing möchte man zeitlich hochaufgelöste Röntgen-Signale messen, denn die zeitlichen Variationen der Röntgenstrahlen können sehr kurz sein, z.B. hervorgerufen durch schnelle Umläufe des Röntgenstrahlers um das Loch oder durch schnelles Aufblitzen (flares). Untersucht werden sollen nicht nur Schwarze Löcher, sondern auch Neutronensterne, bei denen ebenfalls Röntgenstrahlung frei wird. 
Um das zu leisten, soll LOFT zwei Instrumente an Bord haben: einen Halbleiterdetektor großer Fläche und einen Monitor mit großem Gesichtsfeld.

MarcoPolo-R:  Nur gucken ist langweilig? Okay. MarcoPolo-R ist eine "Komm-wir-fliegen-da-hin-und-nehmen-etwas-mit-Mission". Und zwar soll hier auf einem erdnahen Asteroiden (near-Earth asteroid, NEA) gelandet werden, um von dort eine Materialprobe zu entnehmen und sie in irdische Labore zwecks Untersuchung zu bringen (vergleiche STARDUST). Ziel ist es mithilfe der Proben den Ursprung des Sonnensystems und des Lebens (Panspermie-Hypothese) zu erforschen. MarcoPolo als einer der berühmtesten Entdecker war Namenspate. Aber wofür steht das "R"? Keine Ahnung - "R"ichtig schwierige Mission?

STE-QUEST ist ein handliches Akronym für dieses Wortungetüm: Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test. Diese Mission soll hochpräzise Messungen von Gravitationseffekten auf Zeit und Materie bewerkstelligen. Das Äquivalenzprinzip ist ein fundamentales Gesetz der Relativitätstheorie. Es besagt, dass schwere und träge Masse nicht unterscheidbar sind. Was heißt das? Stellen wir uns vor, wir sitzen in einem Kasten ohne Fenster. Beobachten wir in dem Kasten, dass alle Gegenstände nach unten fallen, so können wir nicht sagen, ob das daran liegt, weil der Kasten auf der Erde steht ("schwerer Kasten") oder ob das daran liegt, weil der Kasten gerade mit einer Rakete von der Erde weg beschleunigt wird ("träger Kasten"). Nach Einsteins Äquivalenzprinzip der Relativitätstheorie beschreiben beide Fälle diesselbe Physik.
Ob das wirklich exakt gilt, soll STE-QUEST testen.Dazu wird STE-QUEST im Prinzip Uhren vergleichen, und zwar extrem genaue Atomuhren, die mit STE-QUEST mitfliegen mit denjenigen Atomuhren auf der Erde. Aufgrund der allgemein relativistischen Zeitdehnung müssen diese Uhren unterschiedlich schnell gehen.STE-QUEST soll auch die Universalität des freien Falls testen. Experimente auf der Erde zeigen ja, dass eine Feder in einem evakuierten Gefäß (also ohne Luftwiderstand) genauso schnell zu Boden fällt, wie eine Metallkugel in einem evakuierten Gefäß. Gilt das wirklich immer? Nach Einstein schon. Misst man Abweichungen, dann signalisiert das neue Physik jenseits von Einstein.

ESAs Mittelklassen M1, M2, M3
EChO, LOFT, MarcoPolo-R und STE-QUEST sind die Favoriten für die dritte M-Klasse-Mission, kurz M3. Derzeit gibt es drei Missionen - Euclid (Dunkle Energie), PLATO (nahe Exoplaneten) und Solar Orbiter (Sonne) - von denen zwei als M1 und M2 zwischen 2017 und 2018 starten sollen. Die Entscheidung über M1 und M2 fällt Ende 2011. 

Quelle: Press release ESA Science Programme 25.02.11
Mehr zu LOFT als arXiv paper

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