Top Ten der Physik für 2013 gekürt

Der Nachweis kosmischer Neutrinos machte das Rennen: Das Fachmagazin Physics World hat diese Entdeckung als den physikalischen Durchbruch des Jahres 2013 gewählt. Ebenfalls unter den Top Ten ist der erste Computer aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Moleküle aus Licht und der Nachweis birnenförmiger Atomkerne. Auch die bisher genaueste Karte des kosmischen Mitkowellen-Hintergrunds ist dabei.

Mit dem herannahenden Jahresende beginnt auch die Zeit der Bilanzen und Rückblicke – selbst in der Welt der Wissenschaft. Das Fachmagazin Physics World hat jetzt die aus seiner Sicht bedeutendsten Durchbrüche im Bereich der Physik des Jahres 20913 gekürt. Ausgewählt wurden die Top Ten von einem Gremium aus sechs Redakteuren und Herausgebern des Fachjournals.

Die Kriterien waren dabei folgende: Die Entdeckung oder der Durchbruch mussten eine fundamentale Bedeutung für die physikalische Forschung haben, zu einem signifikanten Fortschritt im Wissen führen, eine starke Verbindung zwischen Theorie und Experiment aufweisen und zudem noch von generellem Interesse für alle Physiker sein. Neben einem Spitzenreiter -dem Durchbruch des Jahres – kürte das Gremium neun weitere Entdeckungen und Erkenntnisse des letzten Jahres.

Neutrinos aus dem fernen All

Der Durchbruch des Jahres ist gleichzeitig auch die jüngste Entdeckung unter den Top Ten. Denn erst Mitte November 2013 veröffentlichte die IceCube-Kollaboration in „Science“ die Nachricht, dass ihr Neutrino-Observatorium in der Antarktis erstmals kosmische Neutrinos nachgewiesen hatten. Der Detektor besteht aus insgesamt 5.160 basketballgroßen optischen Modulen, die über einen Kubikkilometer Eis verteilt sind. Sie sind darauf geeicht, die winzigen Lichtblitze zu registrieren, die entstehen, wenn ein Neutrino mit einem der Atombausteine des Eises kollidiert.

Und unter diesen Lichtblitzen waren 28 Ereignisse, die nicht aus der Erdatmosphäre oder von der Sonne kommen konnten, wie die Forscher damals berichteten. Denn die Signale waren zu energiereich. Es musste sich daher um kosmische Neutrinos handeln – Elementarteilchen, die jenseits des Sonnensystems bei extrem energiereichen Ereignissen entstehen wie Supernovae, Gammastrahlenausbrüchen oder in den Jets von Schwarzen Löchern. Der erste Nachweis dieser Teilchen könnte eine neue Ära der Astronomie eröffnen – die Neutrino-Astronomie, so die Meinung der Physiker.

Abbildung eines birnenförmig deformierten Atomkerns von Radium-224. © Liam Gaffney, Peter Butler / University of Liverpool

Birnenförmige Atomkerne und Moleküle aus Licht

Die restlichen neun Durchbrüche der Top Ten der Physik 2013 haben keine Rangfolge, die Reihenfolge ihrer Nennung ist daher rein zufällig. Einer von ihnen ist die am CERN bei Genf gemachte Entdeckung, dass einige Atomkerne nicht rund sind, sondern eine eher birnenförmige Gestalt annehmen können. Die Forscher erzeugten dafür in einem Teilchenbeschleuniger kurzlebige Radium-Isotope, deren Kerne bei Anregung birnenförmig wurden. Dieser Nachweis trägt dazu bei, die im Atomkern wirkende starke Kernkraft besser zu verstehen.

Im September dieses Jahres gelang US-Forschern das scheinbar Unmögliche: Sie brachten Photonen dazu, eine Art Molekül zu bilden – ein Zustand, in dem beide eng miteinander verbunden sind und wechselwirken. Erreicht wurde dies, indem sie Laserphotonen einzeln hintereinander in eine Wolke aus extrem heruntergekühlten Rubidiumatomen schossen. In der Wolke beeinflussten sich die Photonen gegenseitig – ein für Lichtteilchen völlig untypischer Effekt. Sie bildeten damit eine Art Moleküle aus Licht.

Ebenfalls ultrakalt geht es im nächsten Durchbruch zu: Forscher der Universität Innsbruck gelang es, das erste Bose-Einstein-Kondensat allein durch Kühlung der Atome mit Lasern zu erzeugen. Das macht diesen Sonderzustand der Materie weitaus leichter erreichbar und eröffnet damit neue Möglichkeiten der praktischen Anwendung. Gewählt unter die Top Ten wurde auch dies: Physikern unter anderem am Max-Born-Institut in Deutschland gelang es, mit einem neuartigen Quantenmikroskop erstmals Atomorbitale direkt abzubilden.

Der kosmische Mikrowellen-Hintergrund

Um den kosmischen Mikrowellen-Hintergrund geht es bei zwei weiteren Durchbrüchen in den Top Ten: Gekürt wurden Forscher der Europäischen Raumfahrtagentur ESA für die bisher genaueste Messung dieser Hintergrundstrahlung mit Hilfe des Weltraumteleskops Planck. Sie spiegelt die Materieverteilung im Universum kurz nach dem Urknall wider und liefert daher wichtige Einblicke in die Prozesse dieser entscheidenden Ära.

Eine spezielle Verzerrung des Lichts in dieser Mikrowellenstrahlung, die sogenannte B-Modus Polarisation, detektierten Forscher am South Pole Telescope. Diese Verzerrung war bisher nur theoretisch vorhergesagt worden, ihr Nachweis gilt als weiterer Beleg für die Inflation des Universums.

Ausschnit aus einer elektronenmikroskopischen Aufnahme des Nanoröhrchen-Rechners. © Butch Colyear

Rechnen mt Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Unter die Top Ten schaffte es auch der erste Computer aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, entwickelt von Forschern der Stanford University. Er besteht aus 178 Transistoren aus Nanotubes und kann rechnen, Ziffern sortieren und einfache Befehlssätze ausführen. Noch war dieser erste Nanotube-Rechner zwar weniger leistungsstark als konventionelle Computer, er bewies aber, dass sich die winzigen Röhrchen grundsätzlich als Basis für Elektronik dieser Art eignen.

Last but noch least schaffte es auch ein Schmetterling unter die Top Ten der Physik 2013: Zwei Forschergruppen war es gelungen, erstmals einen schon vor 40 Jahren vorhergesagten Effekt bei Elektronen eines Festkörpers unter Magneteinfluss nachzuweisen. Die Energieniveaus dieser Elektronen bilden unter bestimmten Umständen ein schmetterlingsförmiges Muster.

(Physics World, 17.12.2013 – NPO)