Elementarteilchen- und Kernphysik

Schlagwort Katalog

Elementarteilchen-Physik
	Grundlagenforschung: Astro-Teilchen Physik, Dunkle Materie, Fundamentale Symmetrien, Vereinheitlichung der Wechselwirkungen, Neutrinos, Teilchenphysik mit Neutronen, Physik mit Hochenergie Kollidern, Supersymmetrie, Das Standardmodell, Ultrakalte Neutronen, Schwacher Zerfall von Mesonen
Kern- und Hadronenphysik
	Grundlagenforschung: Effektive Feldtheorien, Mesonen und Kerne, Materie unter extremen Bedingungen, Nukleare Astrophysik, Kerne am Rand der Stabilität, Quarks und Gluonen, Reaktionen mit seltenen Isotopen, Starke Wechselwirkung, Struktur der Hadronen und Kerne
	Angewandte Forschung: Anwendung kernphysikalischer Methoden in: Medizin, Biologie, Umweltforschung, Nahrungsmitteltechnik, Archäologie Entwicklung von Instrumenten Positron-Emission-Tomography (PET)
	Anwendung von Neutronen: Aktivierungsanalyse, Dotierung von Silizium, Radiographie undTomographie, Tumortherapie, Produktion von Radioisotopen

 

Forschung in der Teilchen - und Kernphysik

Die Teilchen- und Kernphysik befaßt sich mit den kleinsten Bausteinen der Materie und mit den Wechselwirkungen und Symmetrien, die bei der Entstehung unseres Universums eine wesentliche Rolle gespielt haben.

Elementarteilchen, das Standardmodell und Physik jenseits des Standardmodells

Die Frage, welches die fundamentalen Bausteine sind, aus denen unsere Welt aufgebaut ist, hat schon unsere Vorfahren beschäftigt. Moderne Experimentierkunst hat es erlaubt, immer tiefer in die Materie hinein zu sehen und immer kleinere Bausteine zu identifizieren.

Wir wissen heute, dass alle Materie in unserer Welt aus Objekten aufgebaut ist, die so klein sind, dass wir sie uns als punktförmig vorstellen. Wir nennen sie Quarks und Leptonen. Für ihre Ausdehnung gibt es bisher nur eine experimentell ermittelte obere Grenze von 10E-18 m. Insgesamt kennen wir sechs Quarks, sechs Anti-Quarks sowie sechs Leptonen und sechs Anti-Leptonen. Diese fundamentalen Bausteine sind in drei Familien angeordnet, und wir haben überzeugende Argumente dafür, dass dieser Satz von Familien vollständig ist. Die Kräfte zwischen diesen elementaren Teilchen werden auf vier fundamentale Wechselwirkungen zurückgeführt: die Gravitation, die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung. Wir stellen uns dabei vor, dass die Kräfte durch den Austausch von Teilchen, sogenannte Austausch-Bosonen, vermittelt werden. Dies sind die Gravitonen, die Photonen, die W- und Z- Bosonen und die Gluonen.

Wir nehmen an, dass die Zahl der Teilchen und der entsprechenden Anti-Teilchen, die als Folge des Urknalls erzeugt worden sind, gleich groß war, und dass die meisten Teilchen/Anti-Teilchen Paare sich selbst vernichtet haben. Eine sehr kleine Asymmetrie, oder eine spontane Symmetriebrechung muss es jedoch gegeben haben. Daraus resultierte ein kleiner Überschuss von Materie im Universum, in dem wir heute leben.

Moderne theoretische und experimentelle Arbeiten in der Teilchenphysik haben es ermöglicht, die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung in einem einheitlichen Schema zu vereinen, dem Standardmodell. Es beschreibt eine große Zahl experimentell ermittelter Eigenschaften der Elementarteilchen und einfacher zusammengesetzter Systeme dieser Elementarteilchen. Einige Fragen bleiben jedoch ungeklärt. Insbesondere ist nicht klar, wie die Masse der Teilchen entsteht. Die favorisierte Lösung ist der "Higgs-Mechanismus". Aus diesem Grunde werden große experimentelle Anstrengungen unternommen, das bisher nicht bekannte Higgs - Boson zu identifizieren und seine Masse zu ermitteln.

Das Standardmodell hat noch mehr Parameter, deren Größe im Rahmen des Modells nicht vorhergesagt werden kann, und die daher empirisch eingeführt werden müssen. Dies zeigt, zusammen mit einer Reihe theoretischer Argumente, dass das Standardmodell erweitert werden muss. Man sucht daher nach physikalischen Phänomenen, die über den Rahmen des Standardmodells hinausgehen. Experimentelle Evidenz für diese Physik jenseits des Standardmodells ist der Nachweis von Neutrino-Oszillationen. Daraus folgt, dass Neutrinos eine von null verschiedene Masse haben, während sie im Rahmen des Standardmodells als masselose Leptonen behandelt werden. Die Astro-Teilchenphysik liefert einen weiteren Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells: Aus dem Nachweis, dass kalte dunkle Materie im Universum existiert, woraus die Existenz neuer Teilchen folgt, die im Standardmodell nicht enthalten sind. Auf Grund dieser experimentellen Befunde suchen Experimentatoren und Theoretiker mit höchster Priorität nach Hinweisen für Physik jenseits des Standardmodells.

Künftige Experimente am Fermi - Laboratorium in den Vereinigten Staaten und am im Bau befindlichen "Large Hadron Collider" (LHC) des CERN werden es ermöglichen, das Higgs-Boson nachzuweisen und die Physik jenseits des Standardmodells im größeren Rahmen zu studieren.

Hadronen und Kerne

Die starke Wechselwirkung, auch als Quanten-Chromodynamik (QCD) bekannt, wird durch den Austausch von Gluonen vermittelt. Sie ist für die innere Struktur der Hadronen verantwortlich, die aus einem Quark und Anti-Quark (Mesonen) oder aus drei Quarks (Baryonen) aufgebaut sind. Die QCD ist verantwortlich für die Lokalisierung ("confinement") der Quarks in diesen zusammengesetzten Teilchen und für die offensichtliche Nicht-Existenz freier Quarks in der Natur. Während es möglich ist, einfache störungstheoretische Berechnungen im Rahmen der QCD bei höheren Energien durchzuführen, ist die QCD nicht-perturbativ bei niedrigen Energien, dem Bereich, der für die Eigenschaften der Hadronen relevant ist. Aus diesem Grunde werden intensive experimentelle und theoretische Studien dieses nicht-perturbativen Regimes und der detaillierten Eigenschaften der Hadronen durchgeführt, mit dem Ziel, die Natur der hadronischen Wechselwirkung besser zu verstehen.

Bevor sich das Universum so weit abgekühlt hatte, dass sich die Hadronen bilden konnten, muss eine spezielle Phase der Materie existiert haben, in der Quarks und Gluonen nicht auf Mesonen und Baryonen lokalisiert ("confined") sind, das sogenannte Quark-Gluon Plasma (QGP). Große experimentelle und theoretische Anstrengungen sind unternommen worden, um diese Phase der Materie zu finden und um den Phasenübergang von der QGP zur hadronischen Materie zu studieren. Experimente am SPS Beschleuniger des CERN ergaben erste Hinweise für die Existenz des Quark-Gluon-Plasmas. Untersuchungen der hadronischen Materie bei hohen Temperaturen und Dichten werden es erlauben, die Eigenschaften der hadronischen Wechselwirkung und den Einfluss dieser Wechselwirkung auf das umgebende Medium zu studieren. Die Eigenschaften des QGP werden am RHIC-Schwerionen-Beschleuniger-Komplex in Brookhaven, USA, studiert. Weitere Experimente werden am "Large Hadron Collider" LHC des CERN vorbereitet. Hadronische Materie bei hohen Temperaturen und Dichten wird auch bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI in Darmstadt untersucht.

Neutronen und Protonen, im folgenden als Nukleonen bezeichnet, sind die leichtesten Baryonen. Sie sind die Bausteine der Atomkerne. Die Wechselwirkung zwischen Nukleonen, die in Kernen gebunden sind, unterscheidet sich von der Wechselwirkung zwischen freien Nukleonen. Dies ist eine Konsequenz der Substruktur der Nukleonen. Aus diesem Grunde kann man die Eigenschaften der Kerne nur mit Hilfe "effektiver Wechselwirkungen" beschreiben. Es ist ein wesentliches Ziel der Niederenergie-Kernphysik, diese effektive Beschreibung der Kerne auf der Grundlage einer fundamentalen Theorie zu verstehen, in der die Lücke zwischen der QCD und dieser effektiven Nukleon-Nukleon Wechselwirkung geschlossen wird. Die heute aktuellen experimentellen und theoretischen Arbeiten in der modernen Kernphysik haben zum Ziel, alle Komponenten der effektiven Wechselwirkungen zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, studiert man Atomkerne unter extremen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Drehimpuls und Proton-zu-Neutronen-Verhältnis (Isospin-Abhängigkeit)
Neben der starken Wechselwirkung ist die schwache Wechselwirkung wichtig, um die Eigenschaften der Kerne zu verstehen. Die schwache Wechselwirkung beschreibt den Beta-Zerfall radioaktiver Atomkerne, zum Beispiel den Zerfall des freien Neutrons. Sie bestimmt, zusammen mit den Kernreaktionen, den zeitlichen Ablauf der Brennprozesse in den Sternen, wie z. B. in unserer Sonne, und sie ist wesentlich bei der Synthese der Elemente, aus denen unsere Welt besteht. Viele der Kernreaktionen und Kerneigenschaften, die für astrophysikalische Prozesse wesentlich sind, kann man heute im Laboratorium unter Nutzung stabiler oder radioaktiver Ionenstrahlen untersuchen.

Neuartige Beschleunigeranlagen, die Strahlen kurzlebiger radioaktiver Ionen bereitstellen, erlauben es, die Isospin-Abhängigkeit der Wechselwirkungen und die astrophysikalischen Prozesse zu studieren. Derartige Einrichtungen sind zum Teil schon in Betrieb, wie das REX-ISOLDE des CERN und der Fragment-Separator bei der GSI in Darmstadt. Zukünftige Anlagen wie das GSI Upgrade und das Projekt MAFF in München werden den Themenkreis solcher Studien wesentlich erweitern.

Aktivitäten im Physik-Departement der TUM

Moderne Forschungsarbeiten in der Teilchen- und Kernphysik sind eng miteinander verknüpft. Die in jüngster Zeit erzielten Ergebnisse über die Eigenschaften von Neutrinos sind nur ein Beispiel. Aktivitäten an den aktuellen Fragen dieses Feldes erfordern Experimente an den großen Forschungszentren, im Rahmen internationaler Kollaborationen, sowie die Zusammenarbeit zwischen theoretischen und experimentellen Gruppen.

Im Physik-Department sind mehrere Gruppen von Wissenschaftlern an führender Stelle in theoretischen und experimentellen Forschungsprojekten der Teilchen- und Kernphysik tätig. Die Experimentatoren nutzen die Einrichtungen in Garching, wie den Forschungsreaktor FRM-II oder den Tandem-Beschleuniger, sowie internationale Forschungszentren, wie das CERN in Genf, das Gran Sasso Untergrundlabor in Italien, den Forschungsreaktor am ILL in Grenoble und die Schwerionen-Beschleuniger bei der GSI Darmstadt. Die theoretischen Gruppen arbeiten zusammen mit den Theoriegruppen am CERN, Fermilab, ICTP Trieste, ECT Trento und weltweit mit verschiedenen Gruppen an Universitäten. Alle diese Aktivitäten werden durch das neu gegründete Mayer-Leibnitz-Laboratorium koordiniert und zum Teil finanziert. Weitere Unterstützung erfahren diese Arbeiten durch den Sonderforschungsbereich über Astro-Teilchen-Physik und durch verschiedene Zuschüsse aus staatlichen, Bundes- und europäischen Agenturen. Der Campus "Forschungsgelände Garching" bietet zudem genügend Gelegenheiten enger Zusammenarbeit mit Kollegen aus der LMU, vier Max-Planck-Instituten (Plasmaphysik, Astrophysik, extraterrestrische Physik, Quantenoptik) oder mit Kollegen aus anderen Fakultäten der TUM.

An dieser Stelle geben wir einen kompakten Überblick über die theoretischen Gruppen (die Professoren Buras, Feldmann, Ibarra, Brambilla, Jäger und Weise), die experimentellen Gruppen (die Professoren von Feilitzsch, Krücken, Fabbietti, Bishop, Abele, Fierlinger, Lachenmaier, Oberauer, Paul, Schreckenbach, Zimmer) und über ihre Aktivitäten in der Kern- und Teilchenphysik. Ausführlichere Beschreibungen dieser Forschungsaktivitäten sind in den folgenden Abschnitten dieses Dokuments zu finden.

• Die Gruppe von Prof. Buras (T 31) studiert schwache Zerfälle von Mesonen mit dem Ziel, das Standardmodell und seine möglichen Erweiterungen zu testen, wie z. B. Supersymmetrie, bei sehr kurzen Abstandsskalen, und sie untersucht die Verletzung der Symmetrie von Materie und Anti- Materie.

• Die Gruppe von Prof. Ibarra (T 30d) untersucht elektro-schwache Wechselwirkungen im Rahmen des Standardmodells und seine Erweiterungen mit Schwerpunkten auf den Gebieten Neutrino-Physik, dem Higgs-Mechanismus, der Vereinigung aller Theorien, Astro-Teilchenphysik und Kosmologie.

• Die Gruppe von Prof. Ratz (T 30e) befasst sich mit Physik jenseits des Standardmodells. Die Schwerpunkte beinhalten vereinheitlichte Theorien, insbesondere String-Kompaktifizierungen, supersymmetrische Theorien, Neutrino-Physik, Astro-Teilchenphysik und Kosmologie.

• Die Gruppe von Prof. Brambilla (T30f) untersucht QCD, starke Wechselwirkung, effektive Feldtheorien und Renormalisierungtechniken zur Anwendung in Teilchen- und Kernphysik.

• Die Gruppe von Prof. Jäger
  

• Die Gruppe von Prof. Weise (T 39) untersucht komplexe Systeme von Quarks und Gluonen (Hadronen, Kerne, hadronische Materie unter extremen Bedingungen hinsichtlich der Temperaturen und der Dichte) auf der Basis der Quanten Chromodynamik, der Theorie der starken Wechselwirkung.
  

• Die Gruppe von Prof. von Feilitzsch (E 15) untersucht die fundamentalen Eigenschaften von Neutrinos mittels des Gallium Neutrino Observatoriums und des BOREXINO Experiments und entwickelt den Tieftemperatur- Detektor CRESST für die Suche nach dunkler Materie im Universum.

• Die Gruppe von Prof. Lachenmaier

• Die Gruppe von Prof. Krücken (E 12) studiert die Eigenschaften exotischer Atomkerne unter Nutzung von REX-ISOLDE am CERN, AGATA, und MAFF am FRM-II, sowie die Eigenschaften von Hadronen in dichter Kernmaterie mittels HADES bei der GSI, und wendet kernphysikalische Methoden in anderen Gebieten der Naturwissenschaften an.

• Die Gruppe von Prof. Fabbietti

• Die Gruppe von Prof. Bishop

• Die Gruppe von Prof. Oberauer (E 15) studiert die Neutrino-Spektroskopie und Neutrino-Oszillationen unter Nutzung des Borexino Detektors im Gran Sasso und beteiligt sich an dem CAMEO Projekt; dieses Projekt betrifft Untersuchungen des doppelten Beta-Zerfalls.

• Die Gruppe von Prof. Paul (E 18) studiert die innere Struktur der Nukleonen und von Mesonen mit Hilfe des COMPASS Experiments am CERN und ist am Bau der ultrakalten Neutronenquelle am FRM II beteiligt, um das elektrische Dipolmoment des Neutrons zu messen

• Die Gruppe von Prof. Abele

• Die Gruppe von Prof. Kienberger

• Die Gruppe von Prof. Schreckenbach (E 21) sucht nach möglichen Verletzungen der Zeit Umkehr Symmetrie beim Zerfall des freien Neutrons mit Hilfe des TRINE Experiments am ILL Grenoble.

• Die Gruppe von Prof. Zimmer (E 18) nutzt die ultrakalten Neutronen und den intensiven Strahl kalter Neutronen am FRM-II, um die elektro-schwache Wechselwirkung im beta-Zerfall des Neutrons zu studieren und um das Standardmodell zu testen.