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Forschungsthemen

Forschung und Lehre im KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik werden durch das Land Baden-Württemberg, die Helmholtz-Gemeinschaft, das BMBF, die DFG und die Europäische Union gefördert. KCETA ist in folgenden Forschungsfeldern aktiv:

 

Kosmische Strahlung

Auger

Das Pierre-Auger-Observatorium, 3000 Quadratkilometer groß und in der argentinischen Pampa gelegen, besteht aus mehr als 1600 autonomen Tanks: In hochreinem Wasser produzieren energetische Teilchen Lichtblitze. Zusätzlich beobachten vier Stationen mit 27 Teleskopen am Rand des Detektorfeldes Lichtspuren, die von den kosmischen Teilchenschauern in der Atmosphäre erzeugt werden. Untergrund-Myondetektoren und ein Feld von Radioantennenstationen vervollständigen das Experiment.

Mit dem KASCADE-Grande Experiment am Campus Nord des KIT wurde kosmische Strahlung niedriger Energie gemessen. Gegenwärtig werden noch die gewonnenen Daten analysiert und für den öffentlichen Gebrauch via einem Web-Portal („KCDC“) vorbereitet. Weitere Aktivitäten auf diesem Forschungsgebiet betreffen die Messung von kosmischer Strahlung aus dem Weltraum (JEM-EUSO) und in der sibirischen Taiga (Tunka-Rex), sowie das weltweit verbreitete Luftschauer-Simulationsprogramm CORSIKA.

 

Dunkle Materie

Dark Matter

Wir suchen nach dunkler Materie mit Hilfe der Streuung von WIMPs (weakly interacting massive particles) in Germaniumkristallen. Im EDELWEISS-Experiment werden bis zu 40 Ge Detektoren von je 800g auf extrem niedrige Temperaturen (20 Millikelvin) heruntergekühlt. Bei einer Kollision eines WIMPs mit einem Germaiumkern führt die Rückstoßenergie des Kerns zu einem Temperaturanstieg des Kristalls von einigen Mikrokelvin und gleichzeitig zu einem Ladungssignal. Aufgrund des charakteristischen Verhältnisses von Wärme und Ionisation können Elektron-Rückstöße, wie sie durch Radioaktivität verursacht werden, um mehr als fünf Größenordnungen reduziert werden.

EDELWEISS ist ein europäisches Projekt, das im LSM Untergrundlabor betrieben wird. Mit seiner Detektortechnologie ist es eines der führenden Experimente der internationalen Suche nach dunkler Materie. Mit EURECA wird diese Technologie innerhalb einer weltweiten Kooperation mit der US-Kanadischen SuperCDMS-Kollaboration eingesetzt, um Gesamtdetektormassen bis zu einer Tonne zu realisieren.

 

Indirekte Suche nach Dunkler Materie

AMS-02 detector

Die Materie im Universum besteht zu mehr als 80% aus Dunkler Materie. Wenn man annimmt, dass die Dunkle-Materie-Teilchen thermische Relikte des Urknalls sind, wissen wir lediglich, dass sie WIMPs (Schwach interagierende Masseteilchen) sein müssen. Solche Teilchen existieren nur in Erweitertungen des Standardmodells der Teilchenphysik, z.B. der Supersymmetrie. Man nimmt an, dass solche WIMPs zu gleichen Teilen in Materie und Antimaterie annihilieren. Solche Annihilationen sind ähnlich der bekannten Elektron-Positron-Annihilation, wie sie auch im Detail in Beschleunigern untersucht werden. Falls die WIMP-Annihilationen also existieren, sind deren Signaturen klar definiert.

Um Antimaterieerzeugung durch WIMP-Annihilation zu finden, braucht man ein Magnetspektrometer mit redundanter Teilchenidentifikation im Weltraum, da Antimaterieteilchen in der Erdatmosphäre vernichtet würden, bevor sie einen Detektor am Boden erreichen.

Ein solcher komplexer Teilchendetektor ist der AMS-02-Detektor auf der Raumstation ISS. Er identifiziert kosmische Strahlung mit Energien bis zum TeV-Bereich. Der Detektor wurde von einer internationalen Kollaboration von etwa 60 Instituten aus 16 Ländern unter der Leitung des Nobelpreisträgers Samuel Ting gebaut. In Deutschland tragen vor allem die RWTH Aachen und das KIT mit dem Übergangsstrahlungsdetektor bei. Erste Ergebnisse von AMS-02 wurden 2013 veröffentlicht.

 

Quantenfeldtheorie

Die fundamentalen Bausteine der Materie, die Elementarteilchen, werden durch das sogenannte Standardmodell beschrieben: Es gibt Auskunft über ihre Eigenschaften und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte.

Die Forschungsgruppen am KIT, die in der theoretischen Teilchenphysik arbeiten, führen komplexe pertubative Berechnungen und nicht-pertubative Betrachtungen im Standardmodell durch. Außerdem beschäftigen sie sich mit Theorien, die Naturphänomene erklären können, die nicht im Standardmodell enthalten sind. Damit soll beispielsweise die Quantennatur der Theorie überprüft und fundamentale Naturkonstanten bestimmt werden.

 

Experimentelle Kolliderphysik

Das KIT ist an den weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigern tätig: dem Hochluminositäts-Collider Super KEKb am KEK in Tsukuba, Japan, an dem Tevatron Collider am Fermilab (USA) und dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, Schweiz. Im LHC, der 2009 seinen Betrieb aufgenommen hat, werden Bedingungen für Reaktionen erzeugt, die zu Zeiten von etwa 10-12 Sekunden nach dem Urknall stattgefunden hatten. Der CMS-Detektor ist einer von vier großen Detektoren, die am LHC installiert wurden, um diese Reaktionen zu studieren.

Arbeitsgruppen des KCETA Mitgliedinstitutes IEKP haben seit 1995 am Bau des Detektors und der Datenanalyse teilgenommen, die 2012 mit der Entdeckung des Higgs-Bosons einen vorläufigen Höhepunkt erzielt hatte. Während der noch bis 2015 andauernden Umbauperiode werden der LHC und seine Detektoren auf eine neue Datennahme bei fast doppelter Energie vorbereitet. Das vorrangige Ziel ist es, die Eigenschaften des Higgs-Bosons genau zu vermessen und nach neuen Phänomenen jenseits vom Standardmodell zu suchen wie z. B. nach Teilchen Dunkler Materie, die u. U. am LHC produziert werden.

 

Theoretische Kolliderphysik

Informationen über die Kräfte zwischen Elementarteilchen werden durch Experimente gewonnen, bei denen Teilchen mit sehr hohen Energien gestreut werden. Die höchsten Energien und damit die kleinsten Abstände werden an den modernen Kollidern wie dem LHC in Genf erreicht. Die theoretische Kolliderphysik macht Vorhersagen für diese Experimente und hilft bei der Interpretation der Daten.

 

Flavourphysik

Belle 2

Materie existiert in unterschiedlichen Flavours (“Geschmacksrichtungen”) und bietet ein reichhaltiges Spektrum von zu untersuchenden Phänomenen. Wenn dies mit höchster Präzision durchgeführt wird, kann man Hinweise auf die Physik jenseits des Bekannten und für Masseskalen jenseits jeglicher direkter Erreichbarkeit finden. Besonders das nuancierte Brechen von Symmetrien und Prozesse mit Quantenschleifen sind vielversprechend. Dies jedoch nur, wenn theoretischer Verstand und experimentelle Finesse optimal zusammenarbeiten, um die zersplitterten und verstreuten Hinweise zu einem vollständigen Mosaik des zu Grunde liegenden Bildes zusammenzufügen.

Das Belle II Experiment wird Daten mit einer integrierten Luminosität nehmen, die 1000 mal höher ist als bei seinem nächster Mitbewerber LHCb.

 

Neutrinophysik

Neutrinos spielen eine Schlüsselrolle in unserem Verständnis des Universums zum Beispiel bei großräumigen Strukturbildungen, weil enorme Mengen an Neutrinos beim Urknall produziert wurden und auch heute noch existent sind. Ihre Untersuchung berührt und vereint fundamentale Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie.

Um die Rolle dieser schwach wechselwirkenden Teilchen zu verstehen, muss man ihre bislang zu ungenau erfassten Massen und deren Hierarchie messen. Das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment KATRIN wird das weltweit erste Experiment sein, das die Masse von Neutrinos mit einer ausreichenden Empfindlichkeit direkt und modellunabhängig misst, um ihre Rolle als kosmische Architekten festzulegen. Aber auch für die Teilchenphysik bieten die von KATRIN untersuchten Neutrinoeigenschaften wie beispielsweise ihre Masse einzigartige Ansatzpunkte zu (neuartigen) Erweiterungen des Standardmodells.

 

Computergestützte Physik

Die Forschungen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik sind nicht durchführbar ohne die Verwendung von Hochleistungscomputern und verteilten hoch-durchsatz Computer-Infrastrukturen wie dem Worldwide LHC Computing Grid (WLCG).

GridKa am SCC, eines der 11 Tier-1 Zentren des WLCG, ist ein bedeutender Knotenpunkt für Berechnungen und Datenverteilung von allen vier LHC-Experimenten sowie anderen HEP Experimenten und Auger. Zusätzlich zu riesigen Speicherkapazitäten und Rechenleistung stellt GridKa hochverfügbare Grid-Dienste bereit, die von verschiedenen Experiment-Kollaborationen verwendet werden.

Um die Verwendung von Computer-Ressourcen zu optimieren, entwickelt das KIT effektive Algorithmen und optimiert Software, um physikalische Problemstellungen der Teilchen- und Astroteilchenphysik zu lösen.

 

 

Technologieentwicklung

Technology delvelopment

Schon zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des größten Teilchenbeschleunigers der Welt, des LHC am CERN in Genf, arbeiten Wissenschaftler des KCETA an der Entwicklung von neuen Detektoren für die nächste Beschleunigergeneration. Dabei geht es darum, die Detektoren resistenter gegen Strahlenschäden zu machen und durch Wahl neuer Kühltechniken die Raumwinkelakzeptanz zu vergrößern.

Für das KATRIN-Experiment werden bisher beispiellose Hochvakuumsysteme und große supraleitende Magnetsysteme entworfen und in Betrieb genommen. Der Standort des KATRIN Experiment ist das KIT, was uns die Möglichkeit gibt, die einzigartige Kompetenz des nahen Tritiumlabors Karlsruhe (TLK) zur Verfügung zu haben, das das einzige wissenschaftliche Labor ist, das mit einem geschlossenen Tritiumkreislauf ausgestattet ist und die Zulassung hat, mit der erforderliche Menge Tritium zu arbeiten.

Mit dem Nachweis von Radiosignalen aus Luftschauern werden dem Studium der kosmischen Strahlung viel versprechende Wege eröffnet. In prototypischen Experimenten wird die Methode optimiert.

 

Beschleunigerforschung an ANKA

ANKA

Auf dem Gelände des Karlsruher Institut für Technologie, befindet sich die Synchrotronstrahlungsanlage ANKA in einer ca. 5000 m² Halle. Dort werden Elektronen in einem Speicherring auf nahezu Lichtgeschwindigkeit (2.5 GeV) beschleunigt. Um die produzierte Strahlung nutzen zu können, sind am Speicherring Strahlrohre (Beamlines) angebaut, die in optische Hütten führen, wo der für das entsprechende Experiment benötigte spektrale Wellenlängenbereich und Strahlenquerschnitt aus dem Synchrotronlicht heraus selektiert wird. In den Messstationen sind moderne Analysegeräte für den harten und weichen Röntgenbereich sowie den UV, sichtbaren und Infrarotbereich vorhanden.

Die Beschleuniger-Gruppe an ANKA ist für den Betrieb und die Weiterentwicklung des Beschleunigers verantwortlich. Dies umfasst den Speicherring, sowie den Booster. Die Beschleunigerforschung an ANKA umfasst verschiedenste Bereiche innerhalb „single and multi-particle beam dynamics and optics“. Sie beinhaltet die Gestaltung  und die Entwicklung neuer optischer Gitter für Speicherringe, als auch die Arbeit an neuen Betriebsarten wie dem „dedicated low alpha mode for the production of short bunches.

Desweiteren arbeitet ANKA an der Entwicklung einer Testanlage (FLUTE) für Linearbeschleuniger.

 

Projekte in der Vorbereitung

Die wissenschaftlichen Themen werden ständig weiter entwickelt. Taktgeber in diesem dynamischen Prozess sind die wissenschaftliche Neugier, sowie die Programmzyklen der in KCETA angesiedelten Förderprogramme. Derzeit werden die Multi-Messenger-Astroteilchenphysik mit kosmischer Strahlung, die intensivierte und erweiterte Suche nach Dunkler Materie in direkten Stoßexperimenten und an Beschleunigern, der Aufbau der Astroteilchentheorie, die enge Verknüpfung theoretischer und experimenteller Studien bei der Auswertung der LHC-Daten und der Einsatz des Grid Computing als mögliche neue Aktivitäten diskutiert.

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