STARTSEITE
Home
Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut)  
Über das Institut
Forschung
Presse und Öffentlichkeit
Veranstaltungen
Studium und Lehre
Stellen & Ausbildung
Für Gäste
Mitarbeiter
Lokale Einrichtungen
Profil
Profil

Forschung am MPI für Physik

Von den Anfängen des Weltalls bis zu den innersten Geheimnissen der Materie

Spitzenforschung am Max-Planck-Institut für Physik in München

Die Welt im Kleinsten, die Welt im Allergrößten – diese Dimensionen umspannen die For-schungsthemen, mit denen sich die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut) in München befassen. Die Physiker forschen im Münchner Norden an fundamentalen Fragen der Physik: Warum gibt es mehr Materie als Antimate-rie? Was sind die „Dunkle“ Materie und „Dunkle“ Energie, die 95 Prozent unseres Univer-sums ausmachen? Wie wird die Masse der Materie erzeugt? Gibt es eine Vereinheitli-chung der Kräfte?

Die Physiker des Max-Planck-Instituts sind an den größten Experimenten der Welt betei-ligt, etwa dem Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf, dem Untergrundlabor Gran-Sasso in Italien oder dem European Northern Observatory auf den Kanarischen Inseln. In München werten sie an ihren Computern die Ergebnisse ihrer Expe-rimente aus. Oder sie erforschen theoretische Modelle über den Aufbau der Welt und tes-ten sie in Simulationen. Darüber hinaus entwickeln die Forscher, zusammen mit den Tech-nikern und Ingenieuren der technischen Fachabteilungen des Instituts, neue Technologien für die einzelnen Komponenten der Experimente.

Das Max-Planck-Institut für Physik gehört zu den ältesten Instituten der Max-Planck-Gesellschaft (ehemals Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft). Gründungsdirektor des Instituts war 1917 Albert Einstein. Seit 1958 hat das Max-Planck-Institut für Physik seinen Sitz in Mün-chen und wurde bis 1970 von Werner Heisenberg geleitet. Ziel der Forscher ist es auch heute noch, die Grenzen physikalischer Erkenntnis immer weiter voran zu bringen.

Das Max-Planck-Institut für Physik besteht aus sechs Abteilungen, die je ein Direktor leitet. Alle sind international profilierte Wissenschaftler auf ihrem Gebiet. Drei Abteilungen arbei-ten experimentell, drei entwickeln physikalische Theorien weiter. Zwei aktuelle Schwer-punkte der Arbeiten gelten den Bausteinen der Materie und der Suche nach dunkler Mate-rie im Universum. Insgesamt beschäftigen sich in München 330 Mitarbeiter mit diesen Fra-gestellungen, darunter über 100 Wissenschaftler aus aller Herren Länder. 85 junge Men-schen erhalten ihre Ausbildung am Max-Planck-Institut für Physik, sei es in Form einer Promotion für eine wissenschaftliche Laufbahn, oder in einem Ausbildungsberuf in den Fachabteilungen Mechanik und Elektronik. Das Budget des Instituts umfasst jährlich rund 20 Millionen Euro, die wie bei allen 82 Instituten der Max-Planck-Gesellschaft zu 90 Pro-zent von Bund und Ländern getragen werden.

Experimentelle Physik – Den Rätseln des Universums auf der Spur
Der deutsche Physiker Prof. Siegfried Bethke und sein amerikanischer Kollege Prof. Allen Caldwell betreiben mit ihren Abteilungen Experimente der Elementarteilchenphysik. Bei diesen Untersuchungen beschleunigen sie die Bausteine von Atomen, die Elektro- nen oder die Protonen, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und lassen sie dann mit anderen Teilchen kollidieren. Zur Analyse der Experimente nutzen die Münchner Physiker die kom-plexesten Messapparate. Ein Beispiel ist das Messgerät ATLAS, mit dem am Europäi-schen Kernforschungszentrum CERN am Teilchenbeschleuniger LHC gearbeitet wird. ATLAS ist der größte Teilchendetektor auf der Welt. Mit 22 Metern Breite und 44 Metern Länge ist die riesige Konstruktion halb so groß wie die Kathedrale Notre-Dame in Paris. ATLAS wurde 92 Meter unter der Erde in internationaler Kooperation erbaut. Die Münchner Forscher haben wesentliche Detektorbestandteile dazu beigesteuert, die das Verhalten von Elementarteilchen unter höchsten Energien vermessen. Unter Bedingungen, wie sie Sekundenbruchteile nach dem Urknall im Universum herrschten. Zu den Forschungsarbei-ten von ATLAS zählen unter anderem Präzisionsmessungen am Standardmodell, Analy-sen zur Supersymmetrie und Dunkler Materie sowie die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Im Juli 2012 konnten die beteiligten Forscher bei der Suche nach dem letzten fehlenden Baustein des Standardmodells der Teilchenphysik, dem sogenannten Higgs-Teilchen, erste Erfolge vermelden. Die beiden Detektoren des LHC (ATLAS und CMS) bestätigten unabhängig voneinander die Entdeckung eines bisher unbekannten Teil-chens. Die Messungen weisen darauf hin, dass es sich um das gesuchte Higgs-Boson handelt, das allen Teilchen ihre Masse verleiht. Nach der Entdeckung wollen die Forscher die genauen Eigenschaften des Teilchens untersuchen und dadurch feststellen, ob das gefundene Teilchen tatsächlich dem Higgs-Teilchen des Standardmodells der Teilchen-physik entspricht.

Während sich die Arbeitsgruppen um Prof. Siegfried Bethke primär mit Beschleunigerphy-sik beschäftigen, stehen bei Prof. Allen Caldwells Abteilung darüber hinaus auch noch Experimente zur Neutrinoforschung im Mittelpunkt. Weit unter den Gipfeln der italienischen Abruzzen, am Gran-Sasso-Untergrundlabor, wollen die Max-Planck-Forscher mit dem GERDA-Experiment das Rätsel um die Neutrino-Teilchen lösen. Zusammen mit Photonen sind Neutrinos die häufigsten Teilchen im Universum. Ihre merkwürdigste Eigenschaft ist bisher nur eine Vermutung und muss noch bewiesen werden: Neutrinos könnten ihre eige-nen Antiteilchen sein. Das GERDA-Experiment soll dieser Vermutung auf den Grund ge-hen und sucht deshalb nach dem sogenannten neutrinolosen Doppelbetazerfall. Diesen Prozess kann es nur geben, wenn Neutrinos und ihre Antiteilchen identisch sind und eine Masse besitzen. Weist GERDA den neutrinolosen Doppelbetazerfall nach, könnten die Physiker daraus auch Informationen über die Masse der Neutrinos erhalten. Um diese besonders seltenen Zerfälle allerdings messen zu können, sind hochsensible Germanium-detektoren nötig.

Die Münchener Forschungsgruppe GeDet beschäftigt sich mit der Entwicklung dieser De-tektoren, die für ihren Einsatz in Experimenten extrem gegen äußere Strahlung abge-schirmt werden müssen. Die Germaniumdetektoren von GeDet kommen nicht nur für die Messung des neutrinolosen Doppelbetazerfalls in Frage, sondern auch für die Suche nach Dunkler Materie. Für die Entwicklung moderner hochreiner Germaniumdetektoren, die für beide Forschungszwecke parallel eingesetzt werden können, wurde 2013 auch eine neue Deutsch-Chinesische-Kooperation initiiert. Erstmals werden die Max-Planck-Forscher in Zusammenarbeit mit der Tsinghua Universität Peking, der Shanghai Jaotong Universität und der Universität Tübingen versuchen, gleichzeitig Dunkle Materie und neutrinolosen Doppelbetazerfall aufzuspüren.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Hochenergiephysik betrifft Phänomene, die nicht mit dem Standardmodell erklärt werden können. So ist das Ungleichgewicht zwischen Ma-terie und Antimaterie im Universum das Ergebnis der Verletzung einer fundamentalen Symmetrie der Natur, der sogenannten CP-Symmetrie. Das Belle-Experiment, an dem das Max-Planck-Institut für Physik beteiligt ist, konnte dieses Phänomen beim Zerfall der B-Mesonen am Beschleunigerring KEKB in Japan experimentell nachweisen. 2015 soll ein neuer leistungsfähigerer Beschleuniger („SuperKEKB“) für das Nachfolgeexperiment Belle-II in Betrieb gehen. Eine internationale Kollaboration unter der Leitung des MPI für Physik arbeitet hierfür an der Entwicklung eines hochauflösenden Vertexdetektors. Die insgesamt acht Megapixel des Vertexdetektors zeichnen pro Sekunde etwa 50.000 Bilder auf und liefern – wegen der äußerst geringen Sensordicke – eine noch genauere Zerfallsposition der B-Mesonen. Die hochempfindlichen Sensoren des Vertexdetektors beruhen auf der DEPFET-Technologie, die vom MPI für Physik in Zusammenarbeit mit dem Halbleiterlabor (HLL) erfunden und entwickelt wurde. Darüber hinaus arbeiten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Physik zusammen mit Wissenschaftlern aus der ganzen Welt an der Entwicklung höchstenergetischer Elekt-ron-Positron Collider, mit denen in Zukunft deutlich präzisere Messungen des Higgs-Bosons, des Top-Quarks und anderer Phänomene des Standardmodells sowie die Suche nach neuer Physik komplementär zum LHC möglich werden. Zwei Technologien werden dafür entwickelt: Der International Linear Collider (ILC) und der Compact Linear Collider (CLIC). Die Future Detectors-Gruppe am Institut entwickelt für die Experimente an diesen Beschleunigern innovative Detektoren zur Energiemessung, die in der Lage sind, genaue dreidimensionale Bilder einzelner Teilchenschauer zu liefern.

Für Beschleuniger-Experimente nach einem Linear Collider, die noch höhere Energien in Elektron-Positron-Kollisionen erreichen wollen, sind völlig neue Beschleunigungstechnolo-gien notwendig. Die Physiker der Forschungsgruppe Plasma Wakefield Acceleration set-zen dabei auf ein neuartiges Verfahren: Mithilfe einer geladenen Welle, die durch Protonen innerhalb eines Plasmas erzeugt wird, lassen sich Elektronen über kurze Distanzen stark beschleunigen. Die Forscher wollen dadurch die Strecke, die zur Beschleunigung nötig ist, verringern und somit die Kosten für die zukünftige Konstruktion eines linearen Teilchenbe-schleunigers senken.

Eines der spannendsten Forschungsfelder der Physik und der Astrophysik bearbeitet die Abteilung Experimentelle Astroteilchenphysik unter dem japanischen Physiker und Insti-tutsdirektor Dr. Masahiro Teshima: die Suche nach der Dunklen Materie im Weltall. Mehr und mehr setzt sich bei den Wissenschaftlern die Überzeugung durch, dass es im Weltall sehr viel mehr Materie geben muss, als bisher beobachtet wurde. 90 Prozent der Materie im Universum, so vermuten die Forscher, ist unsichtbar – daher der Name „Dunkle Mate-rie“. Umso größer ist die Herausforderung, mehr über diese Art von Materie zu erfahren, die sich einerseits allen Messungen entzieht, andererseits alle Bewegungen im Weltall beherrscht. Die Max-Planck-Forscher vermuten etwa, dass die Dunkle Materie aus WIMPs besteht, sogenannten „Weakly Interacting Massive Particles“. Ob diese WIMPs tatsächlich existieren, wollen sie mit Hilfe von Messungen des CRESST-Experiments im unterirdi-schen Forschungslabor im Gran-Sasso-Massiv in Italien feststellen. Auf der Suche nach Dunkler Materie kommen bei CRESST szintillierende Kristalle und empfindliche Tieftempe-raturdetektoren zum Einsatz.

Daneben untersucht die Forschungsgruppe MAGIC mit den weltgrößten Cherenkov-Teleskopen in 2200 Meter Höhe auf der Kanaren-Insel La Palma die hochenergetische Gammastrahlung. Daraus wollen die Wissenschaftler Rückschlüsse auf Vorgänge in der Umgebung Schwarzer Löcher oder interstellarer Schockwellen ziehen. Aufgrund des her-ausragenden wissenschaftlichen Know-hows, das sich das Max-Planck-Institut für Physik durch Experimente mit MAGIC erworben hat, nehmen die Münchener Physiker auch im Nachfolgeprojekt Cherenkov Telescope Array (CTA) eine maßgebliche Rolle ein. Für die-ses Projekt sollen ab 2014 an zwei Standorten auf der Süd- und Nordhalbkugel etwa 70 Teleskope unterschiedlicher Größen errichtet werden. Aufgrund der Vernetzung dieser Teleskope kann CTA viele Aufnahmen ein und desselben Lichtschauers anfertigen und somit weitaus mehr Gammaquellen aufspüren, als bislang möglich. Das MPI für Physik ist dabei für die Mechanik der großen 23-Meter-Teleskope zuständig. Verglichen mit den heu-tigen MAGIC-Teleskopen sollen die empfindlichen Lichtsensoren von CTA in der Lage sein, die Ankunftsrichtung der Gammastrahlen zehnmal genauer zu bestimmen.

Theoretische Physik – Mit Modellen die Welt verstehen
Die Arbeiten im Forschungsbereich „Theoretische Physik“ umfassen ein breites Spektrum aktueller und grundlegender Probleme der Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik. Im Forschungsmittelpunkt von Prof. Georgi Dvali, der auch an der LMU München lehrt, steht die Teilchenkosmologie. Im Grenzgebiet zwischen Elementarteilchenphysik und Kosmolo-gie liefert sie wichtige Impulse für alle Bereiche der Theoretischen Physik.

Die Abteilung Phänomenologie um Prof. Wolfgang Hollik arbeitet an Konzepten zum theo-retischen Aufbau der fundamentalen Kräfte des Elektromagnetismus sowie der starken und schwachen Wechselwirkung – drei der vier fundamentalen Kräfte des Universums. Dabei werden auch beispielsweise die Theorien des Higgs-Mechanismus oder die Theorie der Supersymmetrie mit einbezogen. Letztere wurde von Julius Wess am Institut mitentwickelt. Experimentell werden Teile dieser Theorien an dem Teilchenbe¬schleuniger LHC am CERN in Genf untersucht.

Die Elementarteilchenphysik hängt in vielfältiger Weise mit fundamentalen Fragen des Universums zusammen. Die Gruppe „Theoretische Astroteilchenphysik“ widmet sich der Neutrino- und Astroteilchenphysik sowie der theoretischen Erklärung der Dunklen Materie im Weltraum in Zusammenarbeit mit den experimentellen Projekten des Institutes.

Die Abteilung „Stringtheorie“ wird von Prof. Dieter Lüst geleitet, der gleichzeitig Lehrstuhl-inhaber für Mathematische Physik an der LMU München ist. Innerhalb dieser Abteilung wird die Frage untersucht, wie sich die alltägliche Gravitation bei sehr, sehr kleinen Ab-ständen verhält, wenn sich Phänomene der Quantenphysik bemerkbar machen sollten. Der grundlegende Ansatz der Stringtheorie besteht darin, dass die fundamentalen Objekte der Physik nicht Punktteilchen sind, sondern eindimensionale Objekte, sogenannte „Strings“. Diese Strings sind supersymmetrisch und bewegen sich durch eine zehndimen-sionale „Raum-Zeit“. Eine grundlegende Frage der Stringtheorie ist daher, wie sich unsere gewohnte vierdimensionale „Raum-Zeit“ aus dieser höherdimensionalen Theorie ableiten lässt. Die Stringtheorie liefert den Rahmen für eine gemeinsame Beschreibung der Gravita-tion und des Standardmodells der Elementarteilchenphysik – zwei bislang unvereinbare Theorien der Physik. Innerhalb dieses Rahmens werden Quantensysteme auf Gravitati-onssysteme abgebildet. Dies wird als Dualität bezeichnet. Die Stringtheorie-Gruppen be-schäftigen sich daher zum Beispiel mit dem holografischen Prinzip, einer Dualität, die The-orien in unterschiedlichen Raum-Zeit-Dimensionen aufeinander abbildet. In einer weiteren Stringtheorie-Gruppe untersuchen Wissenschaftler supersymmetrische Quantenfeldtheo-rien und Gravitationstheorien. Die Forscher studieren deren Eigenschaften und Vorhersa-gen und realisieren sie innerhalb der Stringtheorie.

drucken Druckversion topPfeil Top
© 2016, MPI für Physik, München Impressum