Das Institut und seine Forschungsgebiete X Y Seesaw Standardmodell Supersymmetrie ~ ~ H1 H2 H N3 N2 N1 νst γ ~ Z t ~ u c~ ~t s b ~ d ~s ~ b μ τ ~ e ~μ ~τ ~ν e ~ν μ ~ν τ Z u c d e νμ ντ νe ~γ ~ W W g Dunkle Materie © MPI für Kernphysik, 2014 ~g Das Institut und seine Forschungsgebiete Astroteilchenphysik Das Universum bei höchsten Energien Der Ursprung der Materie Quantendynamik Gefangene kalte Ionen Schnellste Bewegungen beobachten Die Extreme erkunden Impressum Herausgeber: Max-Planck-Institut für Kernphysik, Öffentlichkeitsarbeit, Heidelberg 2015 Redaktion: Bernold Feuerstein, Gertrud Hönes Überblick Die wissenschaftlichen Abteilungen Das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) ist eines von 83 Instituten und Forschungseinrichtungen der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V., die der Grundlagenforschung verpflichtet ist. Das MPIK wurde 1958 von Wolfgang Gentner gegründet. Es ging aus dem von Walther Bothe von 1934 bis 1957 geleiteten Institut für Physik im MPI für medizinische Forschung hervor. Ursprüngliche wissenschaftliche Ziele waren kernphysikalische Grundlagenforschung und Anwendung kernphysikalischer Methoden auf Fragen der Physik und der Chemie des Kosmos. Seit 1966 wird das MPIK von einem Direktorenkollegium geführt. Klaus Blaum – Gespeicherte und gekühlte Ionen Die Abteilung beschäftigt sich mit Präzisionsexperimenten an gespeicherten und gekühlten Ionen zur Bestimmung ihrer Eigenschaften im Grundzustand sowie mit der Erforschung fundamentaler Prozesse in Molekülionen. Dafür werden kurzlebige Radionuklide, Antiprotonen, hochgeladene Ionen oder einfache Molekülionen in Penningfallen oder Speicherringen nahezu unter Weltraumbedingungen gefangen. Heute konzentrieren sich die Aktivitäten auf die interdisziplinären Gebiete Astroteilchenphysik (Synergien von Teilchenphysik und Astrophysik) und Quantendynamik (Vielteilchendynamik von Atomen und Molekülen). T. Pfeifer 2 M. Lindner Wissenschaftler des MPIK arbeiten mit anderen Forschungsgruppen in der ganzen Welt zusammen. Sie wirken in zahlreichen internationalen Kollaborationen teilweise federführend mit. Besonders intensive Beziehungen bestehen zu einigen Großforschungseinrichtungen wie GSI mit EMMI (Darmstadt), DESY (Hamburg), BESSY (Berlin), CERN (Genf), INFN-LNGS (Assergi L‘Aquila) und LCLS (Stanford). In der Region kooperiert das Institut eng mit der Universität Heidelberg, an der die Direktoren und weitere Mitarbeiter des Instituts lehren. Zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses wurden zusammen mit weiteren Instituten drei International Max Planck Research Schools (IMPRS) gegründet. Die zentralen Infrastrukturgruppen am MPIK sind tragende Säulen einer erfolgreichen wissenschaftlichen W. Hofmann J. Hinton K. Blaum C. H. Keitel Arbeit: Feinmechanik- und Elektronik-Werkstätten jeweils mit angeschlossenen Lehrwerkstätten, Konstruktionsbüro, IT-Netzwerk, Strahlenschutz, Sicherheit und Umwelt, Bibliothek, Öffentlichkeitsarbeit und Medientechnik, Verwaltung und Haustechnik. Außer den wissenschaftlichen Abteilungen gibt es am Institut einige – meist durch Drittmittel finanzierte – selbstständige Forschergruppen, die überwiegend von jungen Physikern geleitet werden. Wissenschaftlich sind sie jeweils mit einer Abteilung verbunden und verbreitern deren Themenfeld. Jim Hinton – Nichtthermische Astrophysik Die Abteilung befasst sich mit dem Ursprung und den Auswirkungen ultrarelativistischer kosmischer Teilchen – der kosmischen Strahlung. Der experimentelle Fokus liegt auf dem Cherenkov Telescope Array Projekt und der Entwicklung von Hochleistungskameras für Tscherenkow-Teleskope. Die Daten werden mit denen anderer Wellenlängen kombiniert, um die Beschleunigung kosmischer Teilchen und ihre Rückwirkung zu verstehen. Werner Hofmann – Teilchenphysik und Hochenergieastrophysik Die Hochenergieastrophysik der Abteilung untersucht mit atmosphärischen Tscherenkow-Teleskopen die Quellen und Beschleunigungsprozesse hochenergetischer Teilchen im Universum. Assoziierte Forschergruppen befassen sich mit der zugehörigen Theorie und Phänomenologie sowie Infrarotastrophysik. Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit Bildung und Zerfällen schwerer Quarks und mit dem neutrinolosen Doppelbetazerfall. Christoph H. Keitel – Theoretische Quantendynamik und Quantenelektrodynamik Die Abteilung zielt auf ein detailliertes Verständnis des quantenmechanischen Zusammenspiels aller Bestandteile atomarer, ionischer oder nuklearer Systeme mit Laserund Röntgenfeldern, wobei relativistische und QED-Effekte berücksichtigt werden. Dazu kommen theoretische Vorschläge zur Optimierung diverser Anwendungen wie hochpräziser Tests, Kern-Quantenkontrolle, Teilchenbeschleunigung oder Erzeugung neuer Teilchen. Manfred Lindner – Teilchen- und Astroteilchenphysik Die Abteilung befasst sich experimentell und theoretisch mit aktuellen Fragestellungen der Teilchen- und Astroteilchenphysik. Die experimentellen Aktivitäten konzentrieren sich auf Projekte der Neutrinophysik und der Suche nach Dunkler Materie. Die breiter angelegten theoretischen Aktivitäten reichen von der Interpretation von Ergebnissen experimenteller Projekte bis zu formalen Fragen, die sich im größeren Kontext ergeben. Thomas Pfeifer – Quantendynamik und -kontrolle Der wissenschaftliche Fokus der Abteilung liegt auf den Grundlagen der Quantendynamik kleiner Systeme (Atome, Moleküle, Ionen, Kerne) und deren Wechselwirkung und Steuerung mit starken Feldern. Präzise, zum Teil auf kürzesten Zeitskalen aufgelöste, spektroskopische („hören“) und abbildende („sehen“) experimentelle Methoden dienen als Werkzeuge, um Antworten auf fundamentale Fragen zu finden. 3 Astroteilchenphysik Gammastrahlenquellen entlang der Milchstraße, entdeckt von den H.E.S.S.-Tscherenkow-Teleskopen in Namibia. Was sind die kosmischen Quellen hochenergetischer Gammastrahlung? Welche Wirkung haben ultrarelativistische Teilchen auf astrophysikalische Systeme? Warum gibt es im Universum praktisch keine Antimaterie? Kosmische Beschleuniger – Astronomie bei höchsten Energien Das Universum bei höchsten Energien Auf dem Gebiet der Hochenergieastrophysik arbeiten am MPIK Experimentatoren mit Erfahrung in der Teilchenphysik eng mit mehr theoretisch orientierten Astrophysikern zusammen. Mit dem High Energy Stereoscopic System H.E.S.S. beobachten sie höchst energetische (VHE) Gammastrahlen aus dem Kosmos, um damit nichtthermische Phänomene im Universum zu studieren, und erforschen die Beschleunigungsmechanismen in den kosmischen Quellen hochenergetischer Teilchen. Anders als die elektromagnetische Strahlung in den meisten anderen Wellenlängenbereichen können Teilchen mit Energien im VHE-Bereich nicht thermisch erzeugt werden; nur im Urknall waren die Temperaturen kurzzeitig hoch genug. Stattdessen müssen kollektive nichtthermische Mechanismen für die Beschleunigung verantwortlich sein: Geladene Teilchen gewinnen zunehmend Energie, indem sie immer wieder in die Schockfront gigantischer Schockwellen von Supernovaexplosionen oder in die Plasmajets aus der unmittelbaren Umgebung Schwarzer Löcher in den Zentren aktiver Galaxien zurück diffundieren. Am Institut wird daran gearbeitet, die Vorgänge in den unterschiedlichen Typen von kosmischen Beschleunigern zu modellieren und theoretisch zu beschreiben. Die auf der Erde beobachteten VHE-Gammastrahlen entstehen, wenn die beschleunigten geladenen Teilchen mit dem umgebenden Medium reagieren – entweder interstellares Gas oder Strahlungsfelder. Im Gegensatz zu den geladenen Teilchen breiten sich die Gammastrahlen geradlinig von der Quelle zum Beobachter aus und ermöglichen so, die Quellen abzubilden und die Vorgänge in der Beschleunigungsregion zu untersuchen. Seit der Inbetriebnahme des ersten Teleskops 2002 hat H.E.S.S. mehr als 60 VHEGammaquellen entlang der Milchstraße wie Supernovaüberreste oder Pulsarwindnebel entdeckt, die meist auch bei anderen Wellenlängen sichtbar sind. Besonders interessant ist das Zentrum der Milchstraße mit dem supermassiven Schwarzen Loch, dessen Position mit einer starken Gammastrahlenquelle übereinstimmt. Außerhalb der Milchstraße erscheinen Galaxien mit aktiven Kernen und Starburstgalaxien als schwache Objekte. Kürz- 10 0 -10 -50 0 10 5 0 -5 -10 -60 -40 -20 0 20 10 5 0 -5 -10 -100 -50 0 Flugbahn eines geladenen Teil chens an einer relativistischen Schockfront. 5 Das Universum bei höchsten Energien Astroteilchenphysik lich konnte H.E.S.S. in der Großen Magellanschen Wolke extrem leuchtstarke Quellen identifizieren. Um die Objekte zu verstehen, müssen alle Wellenlängenbereiche betrachtet werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Infrarotlicht, in dem sich die an der Erzeugung von Gammastrahlen beteiligte interstellare Materie zeigt. Tscherenkow-Teleskope Beobachtung von Gammastrahlen. VHE-Gammastrahlen aus dem Weltraum – eine Billion mal energiereicher als sichtbares Licht – erreichen die Erdoberfläche nicht. Trotzdem können sie am Boden registriert werden, mit der Atmosphäre als Detektor. Beim Eintritt in die Atmosphäre stoßen die Gammaquanten mit Atomkernen zusammen, wobei Kaskaden geladener Sekundärteilchen, sogenannte Teilchenschauer entstehen. Diese emittieren extrem kurze bläuliche Lichtblitze (Tscherenkow-Licht), die am Boden eine Fläche von ca. 250 m Durchmesser beleuchten und in dunklen, mondlosen Nächten mit großen Spiegelteleskopen und schnellen Lichtsensoren beobachtbar sind. Stereoskopische gleichzeitige Beobachtung mit mehreren Teleskopen ermöglicht es, die genaue Richtung zu ermitteln, aus der die Gammaquanten kommen. Das High Energy Stereoscopic System H.E.S.S. besteht aus fünf Teleskopen, von denen vier baugleich sind. Diese haben je 107 m2 Spiegelfläche und bilden die Ecken eines Quadrats mit 120 m Kantenlänge. Die Kamera – eine Matrix aus 960 Lichtsensoren – im Fokus jedes Spiegels hat ein großes Blickfeld. Damit ist H.E.S.S. besonders für Himmelsdurchmusterungen geeignet. H.E.S.S. konnte als erstes Instrument aufgelöste Bilder astrophysikalischer Gammaquellen aufnehmen. In der Mitte des Quadrats steht seit 2012 ein fünftes, riesiges Teleskop mit 614 m2 Spiegelfläche und einer 2048-Pixel-Kamera. Es erhöht die Empfindlichkeit des Systems stark und dehnt den beobachtbaren Energiebereich zu niedrigeren Energien aus. Als nächstes, wesentlich leistungsstärkeres Observatorium ist CTA, Cherenkov Telescope Array, mit rund 100 Teleskopen in drei verschiedenen Größen an zwei Standorten im Norden bzw. Süden in Vorbereitung. CTA wird eine bessere Auflösung, höhere Empfindlichkeit, einen größeren Energiebereich und eine mehrere Quadratkilometer große Sammelfläche bei den höchsten Energien haben. Am MPIK werden neuartige Kameras für die verschiedenen Teleskoptypen entwickelt. © C. Föhr Das H.E.S.S.-Tscherenkow-Teleskopsystem in Namibia. 6 Materie und Antimaterie – Suche nach dem entscheidenden Unterschied Es gibt keine Hinweise darauf, dass irgendwo im sichtbaren Universum nennenswerte Mengen von Antimaterie existieren. Weil im Urknall gleich viele Teilchen und Antiteilchen entstanden sein müssen, muss es einen grundlegenden Unterschied zwischen ihnen geben. Sonst hätten sie sich komplett vernichtet, und das Universum bestünde aus reiner Strahlung. Das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN sucht in hadronischen Reaktionen nach solchen Unterschieden. Bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen – neben vielen anderen Teilchen – sogenannte B-Mesonen, schwere Teilchen, die aus je einem leichten Quark und schweren Antiquark bestehen; bei ihren Antiteilchen ist es umgekehrt. Messungen ihrer Darstellung eines Teilchenschauers im LHCb-Detektor, der von Zerfälle, die zu gleichen Anteilen von Materie und Antimaeiner Proton-Blei-Kollision im LHC ausgeht. terie führen, zeigten, dass hierbei die Antimaterie schneller verschwindet. Physiker und Elektroniker am MPIK haben strahlungsfeste Elektronikkomponenten entwickelt, gebaut und getestet, die im LHCb-Detektor die Spuren geladener Teilchen aufzeichnen. Derzeit konzentrieren sich die Forscher auf die Auswertung der umfangreichen Daten aus der ersten Messperiode am LHC. Von der zweiten Messperiode bei verdoppelter Energie werden weitere Aufschlüsse erwartet. Ultrakalte negative Ionen sollen Antiprotonen kühlen, mit denen kalter Antiwasserstoff hergestellt werden kann. Damit soll z. B. der freie Fall von Antimaterie direkt präzise gemessen werden. Weiterhin laufen Messungen des magnetischen Moments des Antiprotons sowie seines Ladung-zu-Masse-Verhältnisses im Vergleich zum Proton. Das frühe Universum – Elementarteilchen bei höchsten Energien Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt Materie-Antimaterie-Asymmetrie voraus, jedoch um viele Größenordnungen zu gering, um den beobachteten Materieüberschuss im Universum zu erklären. Diese Symmetrieverletzung muss im frühen Universum passiert sein. Ein attraktives Szenario, in dem Neutrinos die entscheidende Rolle spielen, ist die sogenannte Leptogenese, die von Theoretikern am MPIK untersucht wird und die eine der Motivationen für GERDA (S. 10) ist. Dabei spielt der Zerfall schwerer Neutrinos eine Schlüsselrolle. Das Modell erklärt auch die kleinen, aber von Null verschiedenen Massen der leichten Neutrinos und ihre Oszillationen sowie die Dunkle Materie. Unmittelbar nach dem Urknall waren Quarks und Gluonen noch nicht in Elementarteilchen gebunden. Stattdessen bildete die extrem heiße Materie ein sogenanntes QuarkGluon-Plasma. Auch in sehr energiereichen Stößen von Kernen schwerer Elemente wie z. B. Blei kann für extrem kurze Zeitspannen ein Quark-Gluon-Plasma von Atomkerngröße entstehen. Um dieses besser zu verstehen, werden mit LHCb die in energiereichen Proton-Blei-Stößen gebildeten Teilchen untersucht. Die ersten 3 Minuten des Alls. 7 X Y Elementarteilchen des Standardmodells und ihre hypo thetischen supersymmetrischen und Seesaw-Partner. Seesaw Standardmodell Supersymmetrie ~ ~ H1 H2 H N3 N2 W Z u c d s e N1 νst νe Astroteilchenphysik γ ~γ ~ W ~ Z t ~ u c~ ~t b ~ d ~s ~ b ~ e ~μ ~τ ~ν e ~ν μ ~ν τ g μ τ νμ ντ Dunkle Materie ~g © MPI für Kernphysik, 2014 Der Ursprung der Materie Woraus besteht Dunkle Materie und wie kann man sie finden? Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen? Wie groß ist ihre Masse und wie wandeln sie sich ineinander um? Dunkle Materie – Strukturbildner im Universum Kosmologische Beobachtungen wie der Umlauf der Sterne in Galaxien, Gravitationslinsen in Galaxienclustern oder der kosmische Mikrowellenhintergrund legen es nahe, dass das Universum zu etwa 27% aus Dunkler Materie (DM) besteht, während der Anteil normaler sichtbarer Materie nur etwa 5% beträgt. Der Rest ist die mysteriöse Dunkle Energie, die für die beobachtete beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich ist. Aufgrund theoretischer Überlegungen sind schwach wechselwirkende schwere Teilchen, WIMPs genannt, die aussichtsreichsten Kandidaten für Dunkle Materie, da solche Teilchen im frühen Universum in der erforderlichen Menge entstanden sein sollten. Die Forscher betrachten aber auch ‚Axionen‘, ‚sterile Neutrinos‘ oder nur gravitativ wechselwirkende Teilchen. Das führt zu möglichen Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Außerdem werden die Daten verschiedener Experimente im Zusammenhang analysiert, um deren Widersprüche aufzuklären. Das MPIK beteiligt sich an der Suche nach WIMPs mit dem XENON100- und ab Herbst 2015 dem XENON1TExperiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien, die hochreines flüssiges Xenon als Detektormedium verwenden. Die Detektoren sind in der Lage, Szintillationslicht und elektrische Ladung korreliert zu messen, die bei den seltenen Stößen von WIMPs mit Xe-Atomen entstehen. Der im Vergleich zu XENON100 noch besser abgeschirmte XENON1T-Detektor mit der 10-fachen Menge an Xe und erst recht seine Erweiterung auf XENONnT wird eine wesentlich höhere Empfindlichkeit haben. © R. Lackner Außerdem suchen die H.E.S.S.-Teleskope nach hochenergetischen Gammastrahlen, die durch Annihilation von Lichtsensoren (Photomultiplier) für XENON1T, links ohne Dunkler Materie im DM-Halo der Milchstraße entstehen. Hülle und Eintrittsfenster. 9 Der Ursprung der Materie Astroteilchenphysik Low-Level-Techniken PLASTIC SCINTILLATOR Pb PE 10% B Pb PE 3% B PE 3% B Steel Pb SAMPLE Cu Pb PE 3% B PE 3% B Pb PE 10% B Pb Die Schemazeichnung des Germanium-Spektrometers GIOVE im Kellerlabor des MPIK zeigt die Schichten abschirmenden Materials. Bei Experimenten, die seltene Ereignisse suchen, spielen Identifizierung und Reduktion des Hintergrunds eine entscheidende Rolle. Das MPIK hat jahrzehntelange Erfahrung und Expertise mit Low-Level-Techniken. Das Untergrundlabor des Instituts ist gegen kosmische Strahlung abgeschirmt und bietet ideale Bedingungen für die Entwicklung von Detektoren für Experimente mit niedrigem Hintergrund. Hochempfindliche Gammaspektrometer und Proportionalzähler dienen der Überprüfung von Materialien auf radioaktive Verunreinigungen und sind die Basis von Analysetechniken für extrem niedrige Konzentrationen von Radioisotopen wie 85Kr. Das natürlich vorkommende radioaktive Radonisotop 222Rn ist eine der am meisten störenden Verunreinigungen. Es kann mit der mobilen Radonextraktionsapparatur MoREx selbst aus großen gasförmigen oder flüssigen Proben effizient entfernt werden. Ultrareiner Stickstoff, Argon und Xenon sind für Neutrino- und Dunkle-Materie-Detektoren sowie für Doppelbetazerfallsexperimente wesentlich. Wissenschaftler des MPIK haben den flüssigen gadoliniumhaltigen Szintillator für die Neutrinodetektoren Double Chooz sowie NUCIFER und STEREO entwickelt. Die Lichtsensoren für den Nachweis des bei den seltenen Stößen von Neutrinos oder Dunkle-Materie-Teilchen mit Atomen der Detektorflüssigkeiten erzeugten Szintillationslichts werden in speziellen Testständen charakterisiert. Neutrinos – Teilchen mit verblüffenden Eigenschaften Das Doppelbetazerfall-Experiment GERDA. 10 Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit winziger Masse, von denen es drei Sorten, Flavours genannt, gibt. Neben Photonen sind sie die häufigsten Teilchen im Universum, aber wir bemerken sie nicht, weil sie nur selten mit Materie wechselwirken. Ihr Nachweis erfordert große, empfindliche Detektoren mit bester Abschirmung gegen Hintergrundsignale. Das GERDA-Experiment in Italien sucht nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall in reinen, mit dem Isotop 76Ge angereicherten Germaniumkristallen. Sollte er möglich sein, ist der neutrinolose Doppelbetazerfall extrem selten. In der ersten Messphase fand man keinen Hinweis auf den Zerfall, was zu der weltbesten Untergrenze für dessen Halbwertszeit in 76Ge von 2,1 × 1025 Jahren führt. Falls man ihn doch noch findet, würde das bedeuten, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen – sogenannte MajoranaTeilchen – wären, und könnte daraus ihre Masse ableiten. Dazu kommen beträchtliche theoretische Konsequenzen. Kandidaten für den umgekehrten Prozess, den neutrinolosen doppelten Elektroneinfang, werden durch präzise Messung ihrer Masse und der ihrer Tochternuklide geprüft. Für die Ruhemasse der Neutrinos sind bisher nur Grenzen und Differenzen bekannt. Ein anderer Ansatz zur Bestimmung der Neutrinomasse ist die extrem genaue Messung der Massendifferenz zwischen 3H (Tritium) und 3 He zusammen mit dem KATRIN-Experiment in Karlsruhe. Der periodische Wechsel zwischen den drei Neutrinosorten Elektron-, Myon- und Tauon-Neutrino („NeutrinoOszillationen“) wird durch sogenannte Mischungswinkel beschrieben. Das Double-Chooz-Experiment verwendet Elektron-Antineutrinos aus einem Kernkraftwerk in Frankreich, um den lange gesuchten dritten Mischungswinkel zu messen. Die beiden gleichartigen Detektoren in verschiedenen Abständen von den Reaktoren sehen nur ElektronAntineutrinos, deren Zahl vom nahen zum fernen Detektor durch die Oszillationen abnimmt. Die ersten Ergebnisse bestätigen, dass auch dieser Mischungswinkel nicht null ist, also alle Oszillationen stattfinden. Allerdings werden von vielen Experimenten in der Nähe von Kernreaktoren etwa 6% weniger Neutrinos gemessen als erwartet. Die NUCIFER- und STEREO-Detektoren versuchen herauszufinden, ob sterile Neutrinos für diese Die Lage von Double Chooz mit Skizzen der Detektoren. Reaktorneutrino-Anomalie verantwortlich sind. Seit 2007 erforscht das Borexino-Experiment niederenergetische Neutrinos von der Sonne und aus der Erde. Der Blick in Echtzeit in den Kern der Sonne hat die theoretische Vorhersage für alle im mehrstufigen Fusionsprozess entstehenden Neutrinos bestätigt und liefert wertvolle Informationen zu Neutrino-Oszillationen. Nachgewiesene Geoneutrinos stammen von radioaktivem Zerfall im Erdinneren, der erheblich zur Erdwärme beiträgt. Der Ursprung von Masse – Physik jenseits des Standardmodells Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt erfolgreich das Verhalten aller bekannten Elementarteilchen (und ihrer Antiteilchen): je 6 Quarks (aus zwei davon bestehen Protonen und Neutronen) und Leptonen (u. a. Elektronen und Neutrinos). Dazu kommen Eichbosonen (darunter Photonen und Gluonen), die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen vermitteln, und das Higgs-Boson. Dessen Entdeckung 2012 warf eine Reihe fundamentaler Fragen auf, mit denen sich Theoretiker am MPIK beschäftigen. Sowohl Neutrinomassen und Dunkle Materie als auch theoretische Unzulänglichkeiten verlangen eine Erweiterung des Standardmodells, das nur bis zu einer bestimmten Energie gültig zu sein scheint, ab der „neue Physik“ ins Spiel kommt. Im Kontext derzeitiger und zukünftiger Experimente der Teilchenphysik sowie der Kosmologie werden Supersymmetrie und die Große Vereinheitlichte Theorie als erfolgversprechende Erweiterungen des Standardmodells studiert. Der Ursprung von Neutrinomassen und -mischungen wird am MPIK mit grundlegenden theoretischen und phänomenologischen Studien erforscht. Dass Neutrinos so leicht sind, erklärt der „Seesaw“-Mechanismus anhand neuer schwerer Teilchen, die in der Tat von vielen Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden. Möglicherweise haben Neutrinomasse und Dunkle Materie denselben Ursprung. Gesamtziel der theoretischen Arbeiten ist ein tieferes Verständnis der fundamentalen Naturgesetze. Feynman-Diagramm eines Lepton-Flavour-verletzenden Prozesses; im Hintergrund der ATLAS-Detektor am LHC des CERN. 11 Aufbau von Ionenoptik und thermischen Schilden im neuen ultrakalten Speicherring CSR. Quantendynamik Was können wir aus der exakten Masse von Kernen lernen? Wie bilden sich Moleküle im Weltraum? Welche Eigenschaften haben hochgeladene Ionen? Kerne – Entstehung der Elemente und fundamentale Eigenschaften © C. Föhr Gefangene k alte Ionen Die chemische Zusammensetzung unseres Universums weist überraschende Besonderheiten auf: Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium; Eisen ist auf der Erde viel häufiger als schwere Elemente wie Gold. Die Nukleosynthese durch Fusionsund Einfangprozesse folgt Reaktionswegen, die teils noch unverstanden sind. Während Kernfusion bis Eisen führt, werden schwerere Elemente durch Einfang von Protonen oder Neutronen unter extremen Bedingungen wie in Supernovaexplosionen oder in Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher oder Neutronensterne erzeugt. Basierend auf Einsteins Prinzip der Masse-Energie-Äquivalenz werden mittels hochpräziser Massenmessungen Bindungsenergien von Nukliden bestimmt, die für Reaktionswege der Nukleosynthese entscheidend sind. Direkte Massenbestimmung von superschweren Kernen überbrückt die Lücke zur theoretisch vorhergesagten Insel der Stabilität. Die Kernstruktur wird analog zur Elektronenhülle durch ein Schalenmodell beschrieben. Bisher unbekannte Schalenabschlüsse und Kerne mit „magischen“ Nukleonenzahlen fernab der Stabilität werden mit hochpräzisen Massenmessungen an meist sehr kurzlebigen exotischen Kernen, vor allem solchen mit großem Neutronenüberschuss, wie sie in Der Farbcode der Nuklidkarte zeigt die Bindungsenergie pro Nukleon: die stabils ten Nuklide rund um Eisen sind dunkelblau dargestellt. Neutronensternen vorkommen, gesucht. 13 Gefangene kalte Ionen Die PENTATRAP-Penningfalle für hochgeladene Ionen. Quantendynamik Fallen und kryogener Speicherring Laborastrophysik – Chemie des Weltraums In Fallen können Ionen durch die Überlagerung elektrischer und magnetischer Felder in extremem Vakuum gespeichert werden. In einer Penningfalle lässt sich ein einzelnes Ion speichern, das darin eine charakteristische oszillierende Kreisbewegung ausführt. Ionenmasse und weitere Eigenschaften folgen aus der Umlauffrequenz, sofern Ladungszustand und Magnetfeldstärke bekannt sind, selbst bei nur Millisekunden lebenden exotischen Teilchen. Penningfallen-Massenspektrometer werden am MPIK und extern, z. B. bei der GSI und am CERN, betrieben. In einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) werden durch Beschuss mit energiereichen Elektronen hochgeladene Ionen erzeugt, eingefangen und auf mehrere Millionen Grad aufgeheizt. Sowohl in stationären als auch mobilen EBITs wird atomare Materie unter extremen Bedingungen erzeugt und untersucht, wofür präzise spektroskopische Instrumente zum Einsatz kommen. In Kooperation mit der Universität Aarhus wurde am MPIK eine neue kryogene Ionenfalle (Cryogenic Paul Trap Experiment: CryPTEx) aufgebaut, in der durch Laserkühlung Ionenkristalle erzeugt und darin hochgeladene Ionen gekühlt werden können. Im kryogenen Speicherring CSR ist es erstmals möglich, kalte Molekülionen jeglicher Größe und hochgeladene Ionen fast völlig ohne Einfluss der Umgebung zu untersuchen. Das wird durch eine rein elektrostatische Ionenoptik, extrem niedrigen Druck und eine Temperatur von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt erreicht. Die Ionen werden in speziellen Ionenquellen erzeugt und mit bis zu 300 kV Hochspannung in den Ring eingespeist. Außerdem ist der CSR mit einer Apparatur zum Einschießen von neutralen Atomstrahlen gekoppelt und erhält einen Elektronenkühler, um den gespeicherten Ionenstrahl zu komprimieren. Das innovative mechanische Konzept wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Konstruktionsbüro und der Feinmechanik-Werkstatt des MPIK entwickelt und realisiert. Eine ungelöste Frage ist die Bildung organischer Verbindungen in interstellaren Wolken. Diese komplexe Chemie basiert auf Ionen und Radikalen, die in Stößen mit Photonen und kalten Elektronen entstehen. Dabei spielt das H3+ -Molekülion eine Schlüsselrolle. Der Aufbruch von Molekülen nach Einfang eines Elektrons („dissoziative Rekombination“) kann in Speicherringen gezielt untersucht werden. Im neuen kryogenen Speicherring CSR werden erstmals Bedingungen erreicht, die interstellaren Temperaturen entsprechen und auch die Rotation von Molekülionen quasi einfrieren lassen. Erste Studien bei Temperaturen unter 15 K konnten bereits mit dem CSR-Prototyp, der linearen Ionenfalle CTF, durchgeführt werden. Von besonderem Interesse sind hier negative Molekülionen (Anionen), die eine wichtige Quelle langsamer Elektronen darstellen, indem sie bei entsprechender innerer Anregung (Schwingung) Elektro- Das Puzzle der kosmischen Chemie in interstellaren Wolken. nen regelrecht „abdampfen“ können. Kollisionen mit neutralen Atomen und Molekülen sind gleichfalls von großer Bedeutung für die Astrochemie. Eine Kollisionsstrecke für Neutralstrahlen im CSR erschließt dieses experimentell noch weitgehend unerforschte Gebiet. Mobile EBIT bei Messungen an der LCLS in Stanford. 14 Hochgeladene Ionen – Materie unter extremen Bedingungen Hochgeladene Ionen (HCIs) finden sich in mehr als eine Million Grad heißen Umgebungen wie Atmosphären und Kernen von Sternen, Supernovaüberresten, Akkretionsscheiben um Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Man geht davon aus, dass die meiste sichtbare Materie im Universum hoch ionisiert ist. Die Analyse des beobachteten Lichts (sichtbar, UV, Röntgen) erfordert theoretische Unterstützung durch Strukturberechnungen, die jedoch oft nicht genau genug sind, um z. B. die Temperatur des heißen Mediums zu bestimmen. Hochpräzisions-Spektroskopie an kontrolliert erzeugten hochgeladenen Ionen in einer EBIT liefert direkte experimentelle Informationen. Ein Beispiel ist die Untersuchung der Röntgenabsorption von hochgeladenen Eisen-Ionen am Synchrotron PETRA III (DESY). Diese lieferte wichtige neue Erkenntnisse für den Strahlungstransport in Sternen. Die kryogene Ionenfalle CryPTEx erlaubt die effiziente Kühlung gefangener HCIs für hochpräzise Laserspektroskopie. Gemeinsam mit der PTB (Braunschweig) trägt das MPIK zur Entwicklung neuer optischer Uhren mittels Quantenlogik-Spektroskopie bei. Das Fernziel ist der Test der Zeitab- Spektrum von Eisen-Ionen, die den Strah hängigkeit von Naturkonstanten. lungstransport in der Sonne bestimmen. 15 Spektrale Linienformen (Fano-Resonanzen) lassen sich durch ultrakurze Laserpulse kontrollieren. Quantendynamik Wann verhalten sich Quantenobjekte als Welle oder Teilchen? Welche Rolle spielt die Zeit in Quantensystemen? Wie kann man chemische Reaktionen mit dem Laser steuern? Ultrakurze Laserblitze – der Mikrokosmos in extremer Zeitlupe Schnellste Bewegungen beobachten Wie entwickelt sich ein Quantensystem in der Zeit und können wir diese Bewegung sichtbar machen oder gar kontrollieren? Dieser alte Wunschtraum der Physiker seit den Anfängen der Quantenmechanik ist heute ein reales und wachsendes Forschungsgebiet. Die Zeitskalen für die hier ablaufenden Vorgänge sind extrem kurz: In chemischen Reaktionen verlagern sich Atome innerhalb von 10 bis einigen 100 Femtosekunden (1 fs = 10 –15 s); noch schneller sind die Elektronen, welche die chemische Bindung vermitteln: hier sind Attosekunden (1 as = 10 –18 s) das charakteristische Zeitmaß. Zeitaufgelöste Experimente beruhen auf ultrakurzen Laserpulsen, mit denen die atomare oder molekulare Dynamik extrem präzise gesteuert werden kann. Elektronen, die durch ein starkes Laserfeld von einem Atom getrennt und hin- und hergetrieben werden, kehren zu ihm zurück und sondieren dabei seine Struktur. Die Wellennatur des Elektrons erzeugt Interferenzeffekte wie in einem Hologramm, dessen Auswertung die zeitabhängige Wechselwirkung mit den restlichen Elektronen des Atoms ergibt. Meist wird eine „Pump-Probe“-Anordnung eingesetzt: der erste „Pump“-Laserpuls präpariert das System in der gewünschten Weise und startet die zeitliche Entwicklung, die dann der zweite Laserpuls abtastet. So lassen sich Molekülbewegungen wie Schwingung und Rotation verfolgen. Die Beobachtung chemischer Reaktionen in Echtzeit mit fs-Auflösung ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet. In Kombination mit Reaktionsmikroskopen konnte die Zeitspanne bestimmt werden, in der sich Atome innerhalb eines Moleküls umlagern. Isomerisierung spielt z. B. auch Schema der Isomerisierung von C2H2 und Fragmentierungsrate in Abhängigkeit von der Zeit zwischen Pump- und Probepuls. im Sehvorgang eine wichtige Rolle. 17 Schnellste Bewegungen beobachten Quantendynamik Die Beobachtung der Elektronenbewegung benötigt noch kürzere Lichtblitze in der Größenordnung von Attosekunden. Eine Möglichkeit ist die Erzeugung hoher Harmonischer der Wellenlänge eines Femtosekunden-Lasers. Damit erreicht man heute die geforderten Pulsdauern von unter 100 Attosekunden in einem Wellenlängenbereich von wenigen 10 nm. Einen Prototyp für korrelierte Bewegung von Elektronen stellt das Helium-Atom dar. Durch Beschuss mit Ultraviolett-Attosekunden-Pulsen lassen sich beide Elektronen gleichzeitig anregen. Das so präparierte Zwei-Elektronen-Wellenpaket lässt sich mit einem weiteren fs-Laserpuls zeitabhängig abtasten und rechnerisch anhand bekannter statischer Wellenfunktionen rekonstruieren. Die Laserpulse können den elektronischen ‚Paartanz‘ sogar steuern. Eine gezielte Manipulation der Elektronenpaare in Molekülen könnte die Chemie beeinflussen und bisher unmögliche Synthesen ermöglichen. Wellenfunktion für zwei Elek tronen in doppelt angeregtem Helium. Schema eines Reaktionsmikroskops. „Chirped mirror“-Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse. 18 Reaktionsmikroskope und Lasersysteme Reaktionsmikroskope – „die Blasenkammern der Atom- und Molekülphysik“ – wurden am MPIK entwickelt und werden ständig weiter verbessert. Ultrastarke Laserpulse oder ein Teilchenstrahl zerbrechen einfache Moleküle. Die FragmentIonen und Elektronen werden mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder eingefangen und mit großflächigen zeit- und ortsempfindlichen Detektoren registriert. Aus den rekonstruierten Flugbahnen der Fragmente können ihre vollständigen Impulsvektoren abgeleitet („kinematisch vollständige Experimente“) und so auf Geometrie und Dynamik der Moleküle vor deren Zerbrechen geschlossen werden. Die Instrumente werden im Haus eingesetzt und regelmäßig für Messkampagnen zu externen Lichtquellen wie Freie-Elektronen-Lasern (FEL) transportiert. Für den kryogenen Speicherring CSR wurde ein spezielles Reaktionsmikroskop entwickelt, das derzeit aufgebaut wird. Es spielt eine Schlüsselrolle für die weltweit einzigartigen Möglichkeiten der Untersuchung von langsamen und kalten Ionen im CSR. In den Laserlaboren des Instituts stehen phasenkontrollierte Laserpulse von 5 fs Dauer und Intensitäten bis zu 1016 W/cm2 für Experimente zur Verfügung. Noch kürzere Pulse von einigen Attosekunden Dauer werden mit speziellen nichtlinearen optischen Methoden erzeugt. Die hohe harmonische, kohärente Strahlung im extremen UV-Bereich wird mit den breitbandigen Infrarot-Pulsen des Ti:SaphirLasers kombiniert eingesetzt. Es werden einzelne und auch doppelte und dreifache Attosekundenpulse erzeugt, um damit gasförmige Proben interferometrisch zu untersuchen. Für Pump-Probe-Messungen kann die Zeitverzögerung zwischen zwei Pulsen auf die Attosekunde exakt eingestellt werden. In Kombination mit Spektroskopie oder abbildenden Detektoren lassen sich so die Quantenbewegungen von Kernen und Elektronen bei chemischen Reaktionen direkt und zeitaufgelöst beobachten (und kontrollieren). Das MPIK ist einer der drei MPG-Partner im „Max Planck Centre for Attosecond Science”. Außerdem nutzen MPIK-Forscher die UV- und Röntgenpulse der Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH), Japan (SCSS) und Stanford (LCLS), und sie tragen zu der zukünftigen Infrastruktur für extremes Licht, ELI, bei. Atome und Moleküle in Kollision – Billardspiel mit Quantenkugeln Korrelierte Quantendynamik ist aktuell eine der großen Herausforderungen für die Forschung. Wissenschaftler am MPIK erforschen die grundlegenden Prinzipien der Quantendynamik, ausgehend von einer begrenzten Anzahl weniger wechselwirkender Teilchen in Atomen und Molekülen bis hin zu komplexeren Systemen wie Clustern oder sogar Biomolekülen. Der Beschuss mit geladenen Teilchen (Elektronen, Ionen) eröffnet einen Zugang zu diesen Quantensystemen. Am MPIK entwickelte neuartige multi-koinzidente Abbildungstechniken liefern umfassende Informationen zur Mehrteilchendynamik und erlauben einen Test der Theorien für derartige Reaktionen. Elektronenstöße spielen eine wichtige Rolle in der Umwelt, z. B. in der oberen Atmosphäre und im interstellaren Raum, wie auch in technischen Plasmen und in der Strahlenbiologie. Erstmals konnte beobachtet werden, wie die räumliche Struktur Elektron DNS-Baustein Fragmente und Ausrichtung eines Moleküls die Richtung der herausgeschlagenen ElekO C tronen beeinflusst. Im Stoß kann ein Molekül auch in mehrere Bruchstücke zerbrechen; dies spielt in biologischem Gewebe die entscheidende Rolle, da z. B. das DNS-Molekül (Träger der Erbinformation einer Zelle) verändert oder zerstört werden kann. Am MPIK wird untersucht, wie die Bausteine der DNS durch Elektronenbeschuss zerbrechen. Das Endprodukt hängt davon H ab, welches der Elektronen aus dem Molekül herausgeschlagen wird. Die Ergebnisse dieser Messungen können dabei helfen, sowohl die Entstehung Fragmentierung eines DNS-Bausteins durch von Tumoren als auch ihre Zerstörung mittels der Strahlentherapie besser zu Elektronenstoß. verstehen. Quantenkontrolle – Laser steuern Atome und Kerne Spektroskopie – die Vermessung der Absorption und Emission von Licht in Wechselwirkung mit Materie – ist eines der wichtigsten Werkzeuge der Physik. Bei resonanter Wechselwirkung werden Linienspektren beobachtet. In bestimmten Fällen interferieren diese mit einem kontinuierlichen Hintergrund und es kommt zu asymmetrischen Linienformen (sogenannte Fano-Profile). Dies lässt sich als Überlagerung gekoppelter Schwingungen veranschaulichen. Mit ultrakurzen Infrarot-Laserpulsen lässt sich der zeitliche Verlauf und damit die Quanteninterferenz kontrollieren – z. B. als Umwandlung von Absorption in Emission. Ein neues Gebiet ist die Quantenoptik mit Röntgenstrahlung. Ein wichtiger Schritt hierzu ist die Präparation von robusten Überlagerungen von Quantenzuständen. Theoretische Vorhersagen hierzu konnten von einer externen Gruppe bereits in einem Experiment mit den Atomkernen einer Eisenprobe bestätigt werden, die – eingebettet in einen Resonator für Röntgenlicht – in die gewünschte Zustandsüberlagerung gebracht werden konnten. Andere, rein theoretische Untersuchungen gehen der Frage nach, wie Energie von Röntgenquanten in langlebigen Kernzuständen gespeichert und Experiment zur nuklearen Quantenoptik mit gezielt wieder abgerufen werden könnte. Röntgenstrahlung. 19 Ein materieloser Doppelspalt: Licht wird an Licht gestreut. Ursache sind modifizierte Vakuumfluktuationen in ultrastarken Laserfeldern. Quantendynamik Wie wechselwirkt Materie mit intensivem Laserlicht? Wie wirken sehr starke Felder auf das Vakuum? Lassen sich extreme kosmische Prozesse im Labor nachbilden? Materie in starken Laserfeldern – Blick in die Zukunft Die Extreme erkunden Die Erforschung der Wechselwirkung von Materie mit Laserpulsen ist so weit fortgeschritten, dass grundlegende Aspekte wie die Quantennatur von Licht und Materie, Relativität und Kopplungen unter den beteiligten Teilchen in den Fokus rücken und zugleich eine Herausforderung darstellen. Theoretisch untersucht werden die Effekte extrem starker Felder, die experimentell noch nicht, aber wohl in naher Zukunft, zugänglich sind. Wenn intensive Laserfelder auf Materie treffen, koppeln die Elektronen stark an das äußere Feld und absorbieren so effizient Energie daraus. Dabei können sie so schnell werden, dass relativistische Effekte eine wichtige Rolle spielen. Dies erfordert die Suche nach Lösungen der zeitabhängigen Schrödinger- und Dirac-Gleichungen einschließlich Elektronen-Korrelationen. Relativistische Effekte zeigen sich auch in fundamentalen quantenmechanischen Prozessen, wie z. B. der Tunnelionisation in ultrastarken Tunnelionisation eines hochgeladenen Ions bei Feldern. Insbesondere die Frage, wie lange ein Elektron hier zum Tunneln relativistischen Laserintensitäten: Das Wel braucht, wird kontrovers diskutiert und ist bis heute ungelöst. Experimentel- lenpaket des Elektrons (grün) tunnelt durch le Versuche, die Tunnelzeit direkt zu messen, waren bisher nicht erfolgreich. eine Potentialbarriere (blau) in Richtung des Auf theoretischem Wege konnten aber hierzu neue Erkenntnisse gewonnen elektrischen Feldes und wird dabei durch den werden. Danach zeigt sich schon während des Tunnelns eine Wirkung der „Lichtdruck“ in Ausbreitungsrichtung des La magnetischen Komponente des Laserfeldes auf das Elektron, der so genann- serstrahls verschoben. te „Lichtdruck“ – ein Effekt, der im Prinzip experimentell an hochgeladenen Ionen beobachtetet werden könnte und direkte Konsequenzen für Tunnelzeiten hat. Frequenzkämme im Röntgenbereich würden strenge Tests physikalischer Theorien und exakte Messungen fundamentaler Konstanten erlauben. Eine neu vorgeschlagene Methode, solche Frequenzkämme zu erzeugen, basiert auf einem Gas, das mit Laserpulsen in einen metastabilen Zustand gepumpt wird, aus dem ein optischer Frequenzkamm den strahlenden Zustand bevölkert, was zur Emission eines Röntgen-Frequenzkamms führt. 21 Die Extreme erkunden Verschiedene Regime von Kern anregungen durch SchwerionenKollision und Gammaquanten. Quantendynamik Die Wirkung intensiver Laserfelder auf Atome, also im Wesentlichen auf die leicht zu beschleunigenden Elektronen, wurde in den vergangenen Jahrzehnten intensiv untersucht. Dagegen lassen sich Atomkerne, welche durch die Starke Wechselwirkung gebunden sind, auch durch extrem starke optische Lichtfelder kaum beeinflussen. Der Grund ist, dass selbst die niedrigsten Anregungsenergien in Atomkernen einige 10 000 mal größer sind als die Energie eines einzelnen Lichtteilchens (Photon) – sogar für Multiphotonprozesse praktisch unerreichbar. Indirekt lassen sich aber geladene Teilchen mit optischen Laserfeldern auf hohe Energien beschleunigen. Bei Kernen, die Alphazerfall zeigen, könnten letztere durch Beschleunigung im Feld und Rekollision mit dem Mutterkern diesen anregen. Die notwendigen Intensitäten von 1022 – 1023 W/cm2 sind heute schon erreichbar und derartige Prozesse zwar selten, aber im Prinzip nachweisbar. Eine andere Möglichkeit der direkten Kernanregung durch Gammastrahlung könnten in der nicht allzu fernen Zukunft Gamma-Laser wie ELI eröffnen. Im Unterschied zur herkömmlichen Anregung in Schwerionen-Kollisionen würde damit das bisher völlig unerforschte Gebiet hoher Anregungsenergien bei gleichzeitig niedrigem Drehimpuls (Rotation des Kerns) erschlossen. Erste theoretische Ansätze zu dieser neuen Form der LaserMaterie-Wechselwirkung wurden am MPIK entwickelt. Rechnen Systeme der theoretischen Quantendynamik können nur eingeschränkt analytisch, also mit mathematischen Formeln, berechnet werden; häufig sind numerische Verfahren erforderlich. Dafür kommen neben teilweise modifizierten Standardcodes vor allem eigene Programme zum Einsatz. Die aufwändigen Rechnungen zu relativistischen Prozessen und Vielteilchensystemen, die oft Tage dauern, sind nur durch den Einsatz paralleler Rechnerarchitekturen wie Hochleistungsgrafikkarten oder Linux-Cluster möglich. Der zentrale Linux-Cluster des Instituts besteht aus 160 PCs mit insgesamt über 2500 Prozessorkernen und 20 Terabyte Arbeitsspeicher. Zur Datenspeicherung steht ein Festplattensystem mit hoher Kapazität zur Verfügung. Starkfeld-Quantenelektrodynamik – das Vakuum modifizieren Elektromagnetismus wird von der Quantenelektrodynamik (QED) als Austausch sogenannter virtueller Photonen zwischen geladenen Teilchen beschrieben. Aus dieser Theorie folgt auch, dass es keinen leeren Raum gibt, das Vakuum also von virtuellen Teilchen erfüllt ist. Bedingt durch die Quantenunschärfe existieren sie zwar jeweils nur für sehr kurze Zeitspannen, aber ihre mittlere Anzahl macht sich bemerkbar und kann mit Präzisionsexperimenten nachgewiesen werden. Zugleich ist die QED die am besten getestete Theorie der Physik. Von besonderem Interesse ist die QED in extrem starken Feldern. Neben hochpräzisen Berechnungen der inneren Struktur von Materie (z. B. hochgeladene Ionen) behandelt die Theorie Grundlagen der radiativen Reaktion: Ein in einem elektromagnetischen Feld beschleunigtes geladenes Schema der QED-Beiträge zum magnetischen Teilchen emittiert elektromagnetische Strahlung, die dann auf die Teilchen- Moment eines gebundenen Elektrons (blau, bewegung rückwirkt. Die zugrunde liegenden Fragen können mit intensiven Atomkern grün), das über virtuelle Photonen Laserfeldern untersucht werden. Quanteneffekte der radiativen Reaktion (Schlangenlinien) mit einem äußeren Magnet von Elektronen sollten mit heutigen Lasersystemen zugänglich sein. Dies feld (u.) und mit sich selbst (o.) wechselwirkt. hat auch für Vielteilchensysteme wie relativistische Plasmen Bedeutung. Durch ihre Wirkung auf die geladenen virtuellen Teilchen polarisieren sehr starke elektrische Felder das Vakuum und ändern so dessen Brechungsindex: So wurde berechnet, wie Licht an einem materielosen Doppelspalt (benachbarte Brennpunkte zweier ultraintensiver Laserstrahlen) gestreut werden kann. Sehr starke elektrische Felder herrschen auch in der Nähe der Kerne schwerer Elemente. Wichtige Beiträge liefert das Zusammenspiel von Theorie und Experiment zur Ermittlung fundamentaler Eigenschaften wie den g-Faktor (Verhältnis von Drehimpuls und magnetischem Moment) des Elektrons. Vergleiche mit Präzisionsmessungen ermöglichen einerseits, QED-Vorhersagen zu überprüfen, andererseits hilft die Theorie Naturkonstanten wie die Elektronenmasse zu bestimmen: der neueste Wert ist um einen Faktor 13 genauer. Laser-Astrophysik – kosmische Beschleuniger im Labormaßstab © C. Föhr Der Serverraum im Keller des Bothelabors. 22 Hochintensive Laserfelder erlauben heute schon die Beschleunigung von Teilchen bis in die Größenordnung von Gigaelektronenvolt (GeV). Dies eröffnet die Möglichkeit im Labor physikalische Bedingungen nachzubilden, wie sie in extremen astrophysikalischen Prozessen herrschen. In Zusammenarbeit mit externen experimentellen Gruppen wurde am MPIK die Produktion von ultrarelativistischen Lepton-Strahlen aus gleichen Anteilen von Elektronen und Positronen modelliert. Dabei konnte die Umwandlung von Bremsstrahlung in Elektron-Positron-Paare als wesentlicher Mechanismus identifiziert werden. Die Untersuchung solcher hochenergetischer Prozesse im Labormaßstab ist von zentraler Bedeutung für die Astrophysik: Kosmische Gammastrahlenausbrüche z. B. entstehen nach derzeitigem Verständnis durch extrem gebündelte ultrarelativistische leptonische Jets bei bestimmten Typen von kollabierenden Sternen entlang deren Rotationsachse. © NASA Künstlerische Darstellung eines Gammastrahlenausbruchs. 23 Infrastruktur des Instituts Sowohl die zentrale Feinwerktechnik- als auch die Ausbildungswerkstatt sind mit modernen CNC-gesteuerten sowie konventionellen Fräs- und Drehmaschinen ausgestattet. Verschiedene Schweiß- und Löttechniken kommen bei der Herstellung von Vakuumapparaturen zum Einsatz. Bearbeitet wird ein breites Spektrum von Materialien wie Stähle, Kupfer, Titan, Tantal, Molybdän sowie Keramiken und Kunststoffe. Die Werkstücke werden mit einer 3D-Messmaschine kontrolliert. Spezialisierte Werkstätten kümmern sich um einzelne Großexperimente. CNC-5-Achs-Fräsmaschine. Im Konstruktionsbüro werden mittels eines 3D-CAD-Systems die meisten Bauteile für wissenschaftliche Experimente entwickelt, die dann in den feinmechanischen Werkstätten gebaut werden. Das CAD-System liefert frei drehbare 3-dimensionale Ansichten, technische Zeichnungen für die Produktion, Daten zur Steuerung der CNC-Maschinen und Listen aller benötigten Materialien. Außerdem ermöglicht die Software numerische Simulationen zum vorherigen Testen der Komponenten. Elektronik zur Experimentsteuerung und Datenerfassung wird im zentralen Elektroniklabor und der Ausbildungswerkstatt entwickelt und gebaut – kommerziell erhältliche Geräte erfüllen die experimentellen Anforderungen häufig nicht. Ein neuer Schaltplan wird in das Layout einer Platine übersetzt, die im Haus gefertigt und bestückt sowie vor ihrer Integration in ein Experiment getestet wird. Außerdem werden elektronische Geräte gewartet und repariert. Einige Elektroniker arbeiten ständig für bestimmte Experimente. Zeichnung von MoREx, der mobilen Radon-Extraktionsanlage. 10-Schichtenplatine für FlashCam, eine digitale Kamera für CTA. 24 Die zentralen Computeranlagen bieten Rechenleistung und Speicherplatz. Zur Verarbeitung von Aufträgen steht ein Linux-Cluster mit über 2500 Prozessorkernen zur Verfügung. Daten werden auf rund 2000 Festplatten mit rund 4 Petabyte gespeichert; für einen schnellen Zugriff ist der meiste Speicherplatz als paralleles Filesystem organisiert. Eine zentrale Magnetbandbibliothek dient der Datensicherung und als Langzeitarchiv. Alle Server und Filesysteme sind über Ethernet-Verbindungen an das Netzwerk angeschlossen. Der Cluster wird hauptsächlich für Datenspeicherung, -auswertung und Simulationsrechnungen der Gammaastronomie und für aufwändige Rechnungen in der theoretischen Quantendynamik genutzt. Die IT-Gruppe betreut außerdem Web- und Mailserver und die Arbeitsplatzrechner. Die Forschungsergebnisse des Instituts sollen nicht nur der Fachwelt bekannt werden. Zu ausgewählten Resultaten schreibt das Team der Öffentlichkeitsarbeit Pressetexte, die auf der Homepage und über Internetdienste verbreitet werden. Ausführliche Informationen über die Forschung am Institut werden online und in gedruckter Form gepflegt. Besuchergruppen werden zu Institutsführungen empfangen; für Schüler gibt es die „Physik am Samstagmorgen“ und ein Angebot im Rahmen des „GirlsDay“. Die Bestände der Institutsbibliothek umfassen etwa 25 000 Monographien, Buchserien, Konferenzberichte, am Institut entstandene Hochschulschriften und rund 5 500 gebundene Zeitschriftenbände. Über die Max-Planck-Gesellschaft bietet die Bibliothek Zugang zu E-Büchern, Online-Lexika, Datenbanken und mehr als 32 000 E-Journalen. Das MPIK beteiligt sich an den Open-Access-Aktivitäten der MPG. Das PublikationsManagementsystem PubMan bietet die Möglichkeit, Publikationen und ergänzendes Material zu veröffentlichen und individuelle Publikationslisten zu erstellen. © M. Fiorito Blick in die Bibliothek des MPIK. Der großzügige Institutscampus ist 200 m über der Stadt im Wald gelegen. Hauptgebäude sind das Walther-Bothe- und das Wolfgang-Gentner-Laboratorium mit Laboren und Büros. Im Zentrum des Campus’ befindet sich die Bibliothek mit Hörsaal für 200 Personen und Seminarraum, die für kleine Konferenzen geeignet sind. Der Experimentierhallen-Komplex ist das größte Gebäude auf dem Campus; dazu kommen die beiden Werkstattgebäude sowie Gästehäuser und diverse Nebengebäude. Nachbar ist das European Molecular Biology Laboratory (EMBL). Hausanschrift: Max-Planck-Institut für Kernphysik Saupfercheckweg 1 69117 Heidelberg Postanschrift: Max-Planck-Institut für Kernphysik Postfach 103980 69028 Heidelberg Tel: Fax: 06221 5160 06221 516601 E-Mail:[email protected] Internet:http://www.mpi-hd.mpg.de
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