Forschungsbereich Struktur der Materie in der Förderperiode 2010 - 2014

Seit Beginn der zweiten Programmperiode 2010 arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in vier Programmen, das Programm Kondensierte Materie wurde in den Forschungsbereich Schlüsseltechnologien überführt:

• Elementarteilchenphysik
• Astroteilchenphysik
• Physik der Hadronen und Kerne
• Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen

Alle Programme basieren auf der engen Wechselbeziehung zwischen Theorie und Experiment, und einige der Programme sind wissenschaftlich und technologisch untereinander verknüpft. Dabei ist ein Ziel, die Forschungsinfrastrukturen weiterzuentwickeln, effizient einzusetzen und die Nutzer optimal zu unterstützen, um die Führungsrolle von Helmholtz-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern auf diesem Gebiet gemeinsam mit nationalen und internationalen Partnern zu stärken.

Die Programme

Das Programm Elementarteilchenphysik

In diesem Programm werden die kleinsten Bausteine der Materie und die Kräfte zwischen ihnen untersucht. Die Erkenntnisse haben unmittelbare Auswirkungen auf unser Bild von der Evolution des frühen Universums. Der Ursprung der Masse, die Vereinigung aller fundamentalen Kräfte bei extrem hohen Energien sowie die Vereinheitlichung der Quantenphysik mit der allgemeinen Relativitätstheorie zählen zu den grundlegenden Fragestellungen der Physik. Dabei sind die Forscherinnen und Forscher auch auf den Spuren von neuen Teilchen und auf der Suche nach den Supersymmetrie-Partnern aller bekannten Teilchen.

Das Programm hat in den vergangenen Jahren seine Beteiligung an den beiden LHC-Experimenten ATLAS und CMS verstärkt. Ziel ist es, weiterhin die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Teilchenphysik sicherzustellen. Unterstützt werden die experimentellen Aktivitäten am LHC durch den weiteren Ausbau des Grid Computing Centre Karlsruhe (GridKa) am KIT sowie der Tier2-Zentren und des Analysezentrums bei DESY. Gleichzeitig werden die Präzisionsanalysen der HERA-Experimente zum Abschluss gebracht, deren Ergebnisse auch für die LHC-Analysen von großer Bedeutung sind. Bei der Weiterentwicklung der supraleitenden Beschleunigertechnologie spielt das DESY eine weltweit führende Rolle.

Auch die Detektorentwicklung wird vorangetrieben. Die theoretischen Untersuchungen finden in enger Verbindung zu den experimentellen Aktivitäten statt, bilden aber auch eine Schnittstelle zur Teilchen-/Astroteilchenphysik und Stringtheorie. Die Gittereichtheorie, einschließlich der Forschung und Entwicklung neuartiger Prozessoren, wird bei DESY in Zeuthen in enger Zusammenarbeit mit dem John von Neumann-Institut des Forschungszentrums Jülich fortgesetzt. Die Ressourcen für die Helmholtz-Aktivitäten der sehr erfolgreichen Allianz „Physik an der Teraskala“ konnten im Ergebnis der Programmbegutachtung verstetigt werden.

Das Programm Astroteilchenphysik

Die Astroteilchenphysik verbindet die Untersuchung der kleinsten Bausteine mit der Erforschung der größten Strukturen des Universums. Astroteilchenphysiker untersuchen die Quellen kosmischer Strahlung und die Mechanismen kosmischer Beschleuniger. Gleichzeitig erforschen die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter dieses Programms die so genannte Dunkle Materie, die bislang nur durch ihre Gravitationswirkung zutage tritt. Die Astroteilchenphysik hat in Deutschland ein eigenes Profil entwickelt und nimmt inzwischen in mehreren Bereichen eine international hervorragende Position ein.

In diesem Programm werden schwerpunktmäßig die Beteiligung am Pierre Auger Observatorium und an der IceCube Kollaboration fortgeführt. Die Pierre Auger Kollaboration plant, die Messungen auf den gesamten Himmel auszudehnen. In Karlsruhe finden dazu begleitende Forschungen bezüglich der Radiodetektion von Luftschauern statt. Das Neutrinoteleskop IceCube wird vervollständigt und garantiert eine Fülle von Ergebnissen in der nächsten Programmperiode.

In diesem Zusammenhang plant DESY die Mitarbeit an vorbereitenden Arbeiten zum Cerenkov Telescope Array. Die Suche nach Dunkler Materie gewinnt durch neue astronomische Untersuchungen weiter an Bedeutung und soll durch eine führende Rolle des KIT im europäischen Vorhaben EURECA ausgebaut werden. Übergreifend dazu wird die so genannte Multimessenger Analyse vorangetrieben, bei der die Informationen aus mehreren Himmelsquellen kombiniert werden sollen. Das KATRIN-Experiment wird seine Messungen in dieser Programmperiode durchführen und weltweit die empfindlichste Messung der Neutrinomasse ermöglichen.

Das Programm Physik der Hadronen und Kerne

Hadronen – dazu zählen auch die Kernbausteine Protonen und Neutronen – sind aus Quarks aufgebaut, die durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden. In diesem Programm wird erforscht, wie die Quarkmaterie am Anfang des Universums in unsere Welt, die aus Hadronen, Atomkernen und Atomen besteht, übergegangen ist und wie sich daraus im Inneren von Sternen die chemischen Elemente gebildet haben. Darüber hinaus wird auch untersucht, wo die Grenzen stabiler Kernmaterie liegen. Eine wichtige Aktivität in diesem Zusammenhang betrifft die Synthese neuer, so genannter superschwerer Elemente, die bei der GSI mit großem Erfolg betrieben wird.

Der Schwerpunkt des Programms für die neue Programmperiode liegt auf der führenden Beteiligung am internationalen FAIR-Projekt (Facility for Antiproton and Ion Research) bei der GSI. Dieser weltweit einmalige Beschleuniger-Komplex wird von der GSI und dem Forschungszentrum Jülich gemeinsam mit nationalen und internationalen Partnern gebaut und ab 2017/2018 betrieben. Neben dem Bau von FAIR führen beide Zentren ein gezieltes Experimentierprogramm an den bestehenden Anlagen (UNILAC/SIS 18 und COSY) durch.

Die GSI übernimmt zusammen mit den deutschen Universitäten eine zentrale Rolle beim Ausbau und der Nutzung des ALICE-Detektors im Rahmen des Schwerionenprogramms am LHC am CERN. Außerdem wird an der GSI ein leistungsfähiges Tier2-Zentrum für ALICE betrieben. Die experimentellen Aktivitäten werden von einem starken Theorie-Programm, insbesondere für ALICE und FAIR, begleitet und unterstützt. Über die Allianz „Extreme Dichten und Temperaturen: Kosmische Materie im Labor“ wird seit 2008 programmübergreifend das Thema der Materie unter extremen Bedingungen, wie sie am Anfang des Universums oder im Inneren von Sternenplasmen vorherrschen, bearbeitet.

Das Programm Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen (PNI)

Die Forschung konzentriert sich auf die effektive Nutzung vorhandener Photonen-, Neutronen- und Ionen-Quellen und deren permanente Anpassung an die Bedürfnisse der Nutzerschaft. Mit dem neuen Thema „Eigenforschung“ wird erstmals zentrenübergreifend die Eigenforschung an den PNI-Großgeräten verstärkt. Damit werden auch die Voraussetzungen für eine qualifzierte Nutzerbetreuung und die Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Instrumentierung an den Großgeräten auf internationalem Niveau weiter verbessert. Bei den Photonenquellen bildet die führende Beteiligung am europäischen Röntgenlaser XFEL bei DESY sowie der Ausbau des „Centre for Free Electron Laser Studies“ in Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg als Basis für die deutsche Nutzung des XFEL eine herausragende Aktivität.

Auch die erfolgreiche Inbetriebnahme von PETRA III als weltweit brillanteste Strahlungsquelle für harte Röntgenstrahlung und der weitere Ausbau des FLASH-Lasers sind wichtige Erfolge. Das HZG errichtet nach Abschaltung des Geesthachter Neutronenreaktors das „Centre for Structure and Dynamics of Condensed Matter on the Nanoscale“ sowie das „Engineering Materials Science Center“ am DESY.

Bei BESSY II konzentrieren sich die Anstrengungen auf das Ausbauprogramm „2007 Plus“, insbesondere für die Mikroskopie vom Terahertz-Bereich bis zur Röntgenstrahlung und die Erzeugung und Anwendung von kurzen Röntgen-Pulsen mit frei wählbarer Polarisation. ANKA wird in Kombination mit der im KIT vorhandenen Infrastruktur weiterhin als Nutzer-Facility für spezielle Anwendungen ausgebaut. Gemeinsam mit dem Forschungsbereich Gesundheit entsteht am DESY ein Zentrum für strukturelle Systembiologie, um die Synchrotronquellen für die Analyse von biologischen Strukturen zu nutzen.

Im Bereich der Forschung mit Neutronen wird der Schwerpunkt bei den beiden nationalen Quellen BER II und FRM II liegen. In dieser Programmperiode engagieren sich die drei Helmholtz-Zentren Forschungszentrum Jülich, HZG und HZB beim Bau und Betrieb weiterer Instrumente am FRM II. Für den am HZB betriebenen BER II mit den dort verfügbaren extremen Probenumgebungen stehen die Inbetriebnahme der ersten Ausbaustufe (25T) des Hochfeldmagneten sowie das Upgrade einer Auswahl von Instrumenten und Neutronenleitern und der kalten Quelle an. International engagiert sich das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) an der Spallation Neutron Source (SNS) in Oak Ridge und am Institut Laue-Langevin (ILL). Außerdem beteiligen sich die drei Neutronenzentren federführend an den Konzepten für die europäische Neutronen-Spallations-Quelle (ESS) und deren Instrumentierung.

Die Großgeräte für Ionenforschung im Programm PNI stehen nur an der GSI zur Verfügung und bieten weltweit einzigartige Möglichkeiten für die Forschung auf den Gebieten Atomphysik, Plasmaphysik und Materialforschung. Das zukünftige FAIR-Projekt eröffnet brillante Perspektiven für die Forschung mit Ionen. Darüber hinaus wurde durch das Programm eine übergreifende Initiative zur Datenverarbeitung und -analyse an den PNI-Großgeräten gestartet.

Ausblick

Der Forschungsbereich bereitet gegenwärtig eine Neustrukturierung in drei Programme vor, die in der dritten Periode der Programmorientierten Förderung implementiert werden soll.
Unter dem künftigen Programm "Materie und Universum" werden alle grundlagen-orientierten Disziplinen – Teilchen- und Astroteilchenphysik, Physik der Hadronen und Kerne sowie Atom- und Plasmaphysik – zusammengeführt. Die in diesem Programm tätigen Forscherinnen und Forscher bilden das Rückgrat der deutschen Beteiligung an den internationalen Großgeräten zur Erforschung des Ursprungs und der Entwicklung unseres Universums und der Materie.

Im zweiten Programm „Von Materie zu Materialien und Leben“ arbeiten die Betreiber von modernen Strahlungsquellen eng mit einer interdisziplinären Nutzerschaft aus Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Medizin zusammen. Ziel ist unter anderem die Entwicklung neuer Materialien und Wirkstoffe sowie die Entschlüsselung neuer Phänomene in kondensierter Materie, elektromagnetischen Plasmen und in biologischen Systemen.

Das dritte Programm „Materie und Technologien“ wird sich mit neuen technologischen Konzepten u. a. auf den Gebieten Teilchenbeschleunigung, Detektorsysteme und der Weiterentwicklung von High Performance Computing- und Datenspeicherung beschäftigen.

Durch die Neuordnung der Programme sollen zum einen wissenschaftlich und technologisch verwandte Forschungsthemen noch stärker miteinander verknüpft werden, um zusätzliche Synergien zu heben. Zum Anderen gilt es, basierend auf den neu gewonnenen Forschungsergebnissen, das Potenzial für die Entwicklung von Befähigungstechnologien für die Welt von morgen und übermorgen zu stärken.