Das Programm „Matter and the Universe“

Die Eigenschaften der kleinsten subatomaren Teilchen und die Kräfte zwischen ihnen bestimmen die Eigenschaften der Materie und des Universums. Grundlegende Erkenntnisse zur Struktur der Materie wurden sowohl mit den Methoden der Kern- und Elementarteilchenphysik gewonnen als auch durch Beobachtungen und Messungen der Astroteilchenphysik an den Schnittstellen von Kern- und Teilchenphysik, Astronomie, Astrophysik und Kosmologie.

Was ist das Ziel?

Ziel ist zu erforschen, „was die Welt im Innersten zusammenhält“. Dazu gehören die Eigenschaften der kleinsten Teilchen, die Kräfte zwischen ihnen, die Rolle von Symmetrien und die Gültigkeit der Naturgesetze unter extremen Bedingungen. Der Aufbau der Materie in Atomkernen sowie die Entstehung der chemischen Elemente kurz nach dem Urknall und in Sternen. Die Bildung von superschweren Schwarzen Löchern und die Beschleunigung von kosmischen Teilchen auf hundertmillionenfach höhere Energien als beispielsweise am menschgemachten LHC. Schließlich die Rolle der Gravitation und der Dunklen Materie, und die der Neutrinos; alles Themen die im Grunde genommen noch unverstanden sind.

Was tut Helmholtz, um dieses Ziel zu erreichen?

Das Programm Matter and the Universe wurde aus den bislang drei eigenständigen Programmen Elementarteilchenphysik, Hadronen und Kerne, sowie der Astroteilchenphysik neu formiert. Sie werden künftig gemeinsam als drei Programmthemen T1) Fundamentale Teilchen und Kräfte, T2) Kosmische Materie im Labor und T3) Materie und Strahlungen aus dem Universum weiterentwickelt. Das Forschungsprogramm ist durch diese thematische Breite und Tiefe, unterstützt durch leistungsfähige Forschungsinfrastrukturen (Beschleunigeranlagen, Großdetektoren, Datenzentren, Observatorien usw.), in dieser Bündelung von Expertise weltweit einzigartig.

Darüber hinaus ist die Helmholtz-Gemeinschaft stark mit deutschen Universitäten und internationalen Partnern vernetzt. Diese forschungsstrategisch wichtigen Partnerschaften im Forschungsbereich Materie sollen auch künftig durch ein neuartiges Netzwerk aus Programmen, Allianzen und Communities („MUTLink“) weiterentwickelt werden, um gemeinsam noch mehr zu erreichen.

Beispiele aus der Forschung

Die Erzeugung und das Verständnis von schweren Elementen sind ein Charakteristikum der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, deren Arbeitsprogramm sich durch die Großanlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) stark erweitern wird. Daran ist auch das Forschungszentrum Jülich (FZJ) beteiligt. Das FZJ bereitet eine Messung des elektrischen Dipolmoments von Protonen mit Hilfe des Speicherrings COSY vor. Diese Eigenschaft könnte für das offenbar vollständige Verschwinden von Antimaterie aus dem Universum bedeutsam sein. Die Wechselwirkungen von Quarks und die Gültigkeit von weiteren fundamentalen Symmetrien zwischen Materie und Antimaterie sind der Fokus des BELLE-Experiments am SuperKEKB-Beschleuniger in Japan.

Die Aktivitäten am Large Hadron Collider LHC des CERN in Genf haben einen seit vier Jahrzehnten erhofften Durchbruch gebracht: Forscher vom DESY und zahlreichen universitären Partnern haben in den Experimenten ATLAS und CMS ein Higgs-Boson entdeckt, das für die Massen von allen anderen Teilchen verantwortlich sein kann. Das Bild zeigt den im Computer rekonstruierten Zerfall eines Higgs-Teilchens in zwei Gammaquanten (gestrichelt), die dann markante Signale im Energiedetektor hinterlassen (hellblaue Balken). Für diese Suche nach der – im wahrsten Sinne des Wortes – ‚Nadel im Heuhaufen’ sind gewaltige Rechner- und Datenspeicher-Kapazitäten erforderlich. Mit den Rechenzentren GridKa in Karlsruhe und in Hamburg und Darmstadt stellt die Helmholtz-Gemeinschaft der gesamten Community bedeutsame Ressourcen zur Verfügung.

In den Daten der LHC-Detektoren suchen die Wissenschaftler intensiv nach Reaktionen, bei denen sich ein neutrales, massives Teilchen ungesehen aus dem Detektor entfernt. Sie hoffen, auf diese Weise Teilchen der Dunklen Materie zu finden, von der es im Universum fünfmal mehr geben muss als der sichtbaren Materie entspricht. Nach diesen Objekten wird auch mit Hilfe von empfindlichen Germaniumdetektoren gesucht, die im Untergrundlabor des Fréjus-Tunnels besonders gut gegen kosmische Strahlung abgeschirmt sind, an den Forscher der Helmholtz-Gemeinschaft beteiligt sind.

Das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment KATRIN ist eine besondere technologische Herausforderung. Kein anderes Experiment weltweit ist in der Lage, die Neutrinomasse absolut mit einer Genauigkeit von 0,2 Elektronenvolt zu bestimmen, was  dem 1/250.000-fachen der Masse eines Elektrons entspricht. Die Anlage soll Mitte 2016 in Betrieb gehen.

Mit dem Pierre Auger-Observatorium in Argentinien zur Erforschung der kosmischen Strahlung wurde kürzlich überraschend entdeckt, dass die energiereichsten kosmischen Teilchen offenbar schwere Kerne und nicht wie erwartet überwiegend Protonen sind. Dieser Umstand fließt in instrumentelle Verbesserungen ein, damit die relevanten Informationen in der nächsten Dekade Messzeit noch besser gemessen werden. Das Neutrinoteleskop IceCube wiederum besteht aus fünftausend Lichtsensoren, die zwei Kilometer tief im antarktischen Eis ein Volumen von einem Kubikkilometer beobachten. IceCube konnte erstmals die seltenen Signale von energiereichen Neutrinos identifizieren, die aus den Tiefen des Universums zu uns gelangen. Das Bild zeigt ein solches Neutrinoereignis, bei dem die farbkodierten Signalzeiten in den Sensoren die radiale Lichtausbreitung zeigen, während die Größe der Symbole den Energieeintrag darstellt. Der horizontale Abstand der Sensoren beträgt 72 Meter.



Beteiligte Helmholtz-Zentren:

Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY
Forschungszentrum Jülich
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Karlsruher Institut für Technologie

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