Aus dem Themenbereich Forschung

Hochenergiephysik

Vier fundamentale Kräfte halten die kleinsten uns heute bekannten Teilchen "auf Trab". Wie sie das tun und welche Wechselwirkungen zwischen den elementaren Bausteinen bestehen, das wird von der Teilchenphysik erforscht. Dazu nutzen die Forscher vielfach Beschleunigeranlagen, an denen Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigt werden, weshalb dieser Bereich der Grundlagenforschung auch gerne als Hochenergiephysik bezeichnet wird. An diesen Teilchenbeschleunigern werden von den Hochenergiephysikerinnen und -physikern sehr empfindliche Nachweisgeräte aufgebaut. Diese als "Detektoren" bezeichneten Messgeräte mit vielen Millionen einzelner Sensoren haben oftmals riesige Ausdehnungen...

Die Teilchenphysik erforscht die kleinsten Dinge unserer Welt: Sie sucht nach der innersten Struktur von Materie, Raum und Zeit sowie nach den Gesetzen, die den fundamentalen Kräften des Universums zu Grunde liegen. Nach allem, was wir heute wissen, sind Leptonen und Quarks die kleinsten Bausteine unserer Welt. Zwischen ihnen herrschen vier fundamentale Kräfte: Neben der bekannten Schwerkraft und dem Elektromagnetismus sind das die schwache Kraft, die Atomkerne radioaktiv zerfallen lässt, und die starke Kraft, durch welche die Quarks in den Nukleonen und diese in den Atomkernen zusammen gehalten werden.
Diese Erkenntnisse konnten nur gewonnen werden, weil im letzten Jahrhundert immer stärkere Mikroskope in Form großer Teilchenbeschleuniger für die Hochenergiephysik gebaut werden konnten. Die dadurch erzeugten sehr hohen Energien der Elementarteilchen waren nötig, um in die kleinsten Dimensionen unserer Welt überhaupt vordringen zu können. Jede dieser Anlagen stellt Ingenieure und Physiker vor enorme Herausforderungen. Ihr Bau war und ist deshalb immer mit vielen technologischen Innovationen verbunden.

Trotz der großen Erkenntnisgewinne der letzten Jahrzehnte sind eine Reihe grundlegender Fragen immer noch offen:Wie erhalten die elementaren Teilchen ihre Masse, d. h. wie kommt die Masse in unsere Welt?

• Was ist der Ursprung der Masse der elementaren Bausteine der Materie?
• Weshalb gibt es genau drei Familien von Teilchen und weshalb ist die Ladung des Protons genau gleich der Ladung des Elektrons?
• Gibt es eine Universalwechselwirkung, aus der die vier bekannten fundamentalen Kräfte entspringen?
• Gibt es bisher unbekannte Formen von Materie, eine neue Welt supersymmetrischer Teilchen zum Beispiel? Sind sie die Erklärung für die Dunkle Materie im Universum?
• Welcher Natur ist die Dunkle Energie, die das Universum beschleunigt expandieren lässt?
• Gibt es verborgene Dimensionen zusätzlich zu den bekannten drei räumlichen Dimensionen?

Projekte

Im Oktober 2008 wurde der Large Hadron Collider (LHC) auf dem Gelände der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf eingeweiht. In dem fast 30 km langen Ringbeschleuniger werden Protonen auf  bisher unerreichte Energien beschleunigt. Der LHC ist eine der größten Anlagen der Grundlagenforschung, die je gebaut wurde. Mit seinen vier Experimenten ALICE, ATLAS, CMS und LHCb  hat der LHC ein herausragendes Potential, in den nächsten Jahren grundlegend neue Erkenntnisse zu gewinnen und aufregenden Entdeckungen über die innerste Struktur der Materie und deren fundamentalen Kräfte zu machen. Tausende Teilchenphysikerinnen und -physiker aus aller Welt forschen an den Experimenten am LHC. Aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten beschäftigen sich auch mit einer Leistungssteigerung des LHC-Beschleunigers und seiner Detektoren, um das Physikpotential des LHC voll ausnutzen zu können. Weltweit finden bereits strategische Planungen  und Vorarbeiten für die nächste Generation von Teilchenbeschleunigern statt.

Die Teilchenphysik nutzt komplementäre Methoden bei der Suche nach neuen Erkenntnissen. Zum Beispiel wird mit Präzisionsexperimenten bei niedrigeren Energien nach Abweichungen von den Erwartungen des Standardmodells  gesucht (Flavor-Physik, Neutrino-Physik).

Geförderte Großgeräte

DESY (HERA), Hamburg

• Tier 2-Zentrum für LHC-Experimente
• National Analysis Facility
• HERA mit den Experimenten H1, ZEUS und HERA-B (Datennahmen 2007 abgeschlossen)

Karlsruhe Institut für Technologie (KIT)

• GridKA: Grid Computing Center Karlsruhe

CERN, Genf

• ATLAS: A Toroidal LHC ApparatuS
• CMS: Compact Muon Solenoid
• LHCb: Large Hadron Collider beauty experiment
• NA62: Untersuchung extrem seltener Kaon-Zerfälle am SPS-Beschleuniger
   

LNGS , Gran Sasso

• OPERA : Experiment zu Neutrino-Oszillationen

KEK, Tsukuba

• Belle II : Vorbereitung eines Hochintensitätsexperiments der B-Physik