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Kern-, Teilchen-, Astrophysik (KTA)

Der Forschungsbereich der Kern-, Teilchen-, und Astroteilchenphysik befasst sich mit dem Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt. Dabei werden die Struktur und Entstehung der Materie im Universum sowie die Rolle von Wechselwirkungen und Symmetrien für die Entwicklung unseres Universums untersucht, vom Urknall bis hin zur noch laufenden Entstehung schwerer Elemente in Sternen und Sternexplosionen. Die elektromagnetischen, schwachen und starken Kräfte können im Rahmen der Quantenfeldtheorie beschrieben werden, jedoch nicht die Gravitation. Eine gemeinsame Beschreibung aller Grundkräfte ist ein wichtiges Ziel dieser Forschung.

Elementarteilchenphysik

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Wechselwirkung eines Teilchenstrahls aus Pionen (von links) in einer mit Wasserstoff gefüllten Blasenkammer. Bild: CERN

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. Mit Experimenten an den größten Beschleunigern dieser Welt, wie heute am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf, werden die innersten Bausteine der Materie erzeugt und ihre Eigenschaften untersucht. Präzisionsexperimente vermessen bekannte Teilchen und ihre Symmetrien. Mit diesen Experimenten werden die theoretischen Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik, das einen einheitlichen Rahmen für die Teilchen, ihre Wechselwirkungen und die zugrundeliegenden Symmetrien darstellt, auf die Probe gestellt und nach neuen, theoretisch vorhergesagten, Teilchen gesucht, die nicht im Standardmodell enthalten sind, für deren Existenz es aber Hinweise gibt.

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Astroteilchenphysik

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Auf der Suche nach solaren Neutrinos: Borexino Experiment am Grand Sasso, Italien

Die Astroteilchenphysik ist an den Schnittstellen von Astronomie, Astrophysik, Kosmologie und Kern- und Teilchenphysik positioniert und befasst sich mit der Verknüpfung zwischen den größten Strukturen im Universum und den kleinsten Bausteinen der Materie, den Kräften zwischen ihnen und den zugrundeliegenden Symmetrien. Aus astronomischen Beobachtungen wissen wir heute, dass die sichtbare Materie nur etwa ein Viertel der Materie insgesamt und sogar nur 5% der gesamten Energiedichte in unserem Universum ausmacht und nach den Teilchen der fehlenden sogenannten Dunklen Materie wir gefahndet. Die Natur der in Sternen produzierten Neutrinos, die auf dem Weg zur Erde ihren Charakter ändern können und unter Umständen ihr eigenes Antiteilchen sind, sowie ihre Rolle in Sternexplosionen und im Inneren der Erde ist ein anderer Teilaspekt der Astroteilchenphysik.

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Kern- und Hadronenphysik

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Hadronen wie Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks, die über Gluonen wechselwirken.

Wir wissen, dass die stark wechselwirkenden Hadronen, deren bekannteste Vertreter Protonen und Neutronen sind, aus elementaren Bausteinen, den Quarks, aufgebaut sind, die mittels Gluonen wechselwirken. Wir wollen genau verstehen, warum das Proton mehr als 50 Mal schwerer ist als die Summe seiner Bausteine oder wie sich der Spin des Protons aus der Dynamik seiner Bestandteile ergibt. Auch wird untersucht, wie sich die Wechselwirkung von Protonen und Neutronen in Atomkernen aus den Eigenschaften ihrer Bestandteile ergibt und welche Atomkerne wie an der Entstehung der schweren Elemente im Universum beteiligt sind. In Schwerionenkollisionen kann man untersuchen, wie sich die Eigenschaften von Hadronen mit verschiedenen Quarkinhalten und ihre Wechselwirkung untereinander in heißer, dichter Kernmaterie verändern. Auch kann man ein Plasma freier Quarks und Gluonen erzeugen, wie es kurz nach dem Urknall vorhanden war.

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Anwendungen in Medizin, Biologie und Materialforschung

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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zeigt Orte mit hoher Stoffwechselaktivität (helle Bereiche).

Verschiedene technologische Entwicklungen aus der Grundlagenforschung im Bereich KTA haben ihren Weg in den Alltag oder in andere wissenschaftliche Gebiete gefunden. So beruhen verschiedene diagnostische Methoden der Medizin, wie MRI und PET, auf der KTA Forschung. Auch werden Gamma-, Ionen- und Neutronenstrahlen heute regelmäßig zur Tumortherapie in der Krebsbekämpfung eingesetzt. Aktuelle Forschung im Bereich der medizinischen Diagnostik auf der Basis modernster Detektortechnologien und bei der Anwendung von Ionen- und Neutronenstrahlen für die Strahlenbiophysik und elementspezifische Untersuchung von Materialien sind weitere Beispiele für solchen Anwendungen.

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Ansprechpartner des Fachbereichs KTA