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Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut)  
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Forschungsschwerpunkte

Forschungsschwerpunkte

Computerrekonstruktion der Teilchenspuren, die vom simulierten Zerfall eines Higgs-Bosons stammen
Die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik erforschen an dem seit 1958 in München ansässigen Institut die kleinsten Bestandteile der Materie und ihre Wechselwirkung. Um deren Geheimnisse zu ergründen, führen die Forscher Experimente an den größten Teilchenbeschleunigern der Welt durch: Am CERN in der Schweiz, KEK in Japan und am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. Hier werden Elementarteilchen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit durch einen Tunnel gejagt und zur Kollision gebracht. Die dabei erzeugten neuen Teilchen werden mit komplexen Detektoren aufgezeichnet und danach ausgewertet. Die Experimente sind sehr aufwendig und die theoretische Vorarbeit extrem umfangreich. Deshalb arbeiten die Forscher aus München in internationalen Kollaborationen mit Kollegen in der ganzen Welt eng zusammen.


Installation des ATLAS-Detektors in seiner Grube am CERN. Wenn er fertig ist, wird der Detektor die gesamte Halle füllen
In mehreren Experimenten untersucht das Institut die Verbindung zwischen den kleinsten Bausteinen der Materie und den Weiten des Universums:
Am neuen Beschleuniger LHC (Large Hadron Collider) des CERN und dem ATLAS-Detektor werden Proton-Proton-Zusammenstöße untersucht. Der Detektor ist optimiert, um das Higgs-Boson zu entdecken, ein Teilchen, das das Standardmodell der Teilchenphysik für die Schaffung von Masse durch spontane Symmetriebrechung vorhersagt. Weitere Forschungsthemen sind die Suche nach Supersymmetrie - einer Theorie, die über das Standardmodell hinausgeht und es erweitern soll - sowie andere exotische Teilchen und Phänomene.


Auf der anderen Seite beobachten die Wissenschaftler des Instituts, die aus dem Weltraum kommenden und auf der Erde auftreffenden Teilchen. Ein wichtiges Thema dieses interdisziplinären Forschungsfeldes der Astroteilchenphysik ist die Frage, woraus die mysteriöse "Dunkle Materie" des Universums besteht. Aus astrophysikalischen Beobachtungen ist bekannt, dass das Universum wesentlich mehr Masse enthält, als die "normale" Materie (Sterne, Planeten, Staub usw.) bereitstellen kann. Sogenannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, schwach wechselwirkende schwere Teilchen), gehören zu den wichtigsten Kandidaten für dunkle Materie. Im CRESST-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor im Italien benutzen Wissenschaftler des MPP eine neue Nachweistechnik, um nach der direkten Wechselwirkung von WIMPs zu suchen, indem man diese bei niedrigen Temperaturen an den Atomkernen eines Kristalls streuen lässt. Mit den beiden 17 m hohen MAGIC-Teleskopen, den weltweit größten Instrumenten ihrer Art auf der kanarischen Insel La Palma (Spanien), wird ein ähnliches Ziel verfolgt. Außer der Suche nach dunkler Materie verfolgt MAGIC viele andere Ziele: Das Verständnis für die rätselhaften Blitze, die man Gamma Ray Bursts nennt, die Überreste von Supernovae und die Einzelheiten starker Quellen im Zentrum entfernter Galaxien - wahrscheinlich schwarze Löcher.


Mit dem BELLE-Experiment am KEK in Tsukuba (Japan) wird die CP-Verletzung, d.h. die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum, untersucht. Der Tieftemperatur-Detektor CRESST ist im Untergrundlabor des Gran Sasso (Italien) einem der größten Geheimnisse des Universums auf der Spur: Der Dunklen Materie, die über 90% der gesamten Materie des Universums umfasst, aber bisher nicht direkt nachgewiesen werden konnte.
Am Gran Sasso Untergrundlabor befindet sich außerdem das GERDA-Experiment. Mit diesem Forschungsprojekt sollen die fundamentalen Eigenschaften von Neutrinos vermessen werden.


Theorie

Temperaturfluktuationen des kosmischen Mikrowellenhintergrundes, gemessen mit dem WMAP-Satelliten
Die theoretische Arbeit am MPP ist im Wesentlichen auf die Theorie der Astroteilchenphysik, phänomenologische Studien der Hochenergiephysik, Feldtheorie und die mathematischen Grundlagen der Quantentheorie, außerdem auf die Untersuchung möglicher Erweiterungen des Standardmodells, besonders der Superstring-Theorie, konzentriert.

Unser momentanes Verständnis der elementaren Bestandteile der Materie und ihrer Wechselwirkungen wird in einer theoretischen Beschreibung, dem sogenannten Standardmodell der Elementarteilchenphysik, zusammengefasst. Obwohl das Standardmodell bei der Beschreibung des Verhaltens von Elementarteilchen stets außerordentlich erfolgreich gewesen ist, ist der Konsens der wissenschaftlichen Gemeinschaft der, dass es aller Wahrscheinlichkeit nach nicht die letzte Wahrheit darstellt. Es gibt zum Beispiel eine große Menge freier Parameter, das heißt von Parameterwerten, die das Modell nicht vorhersagen kann und die daher aus den Experimenten gewonnen werden müssen. Eine wirklich fundamentale Theorie dagegen sollte in der Lage sein, mehr Vorhersagekraft zu zeigen und sie sollte insbesondere eine vereinheitlichte quantentheoretische Beschreibung aller vier bekannten Wechselwirkungen liefern, inklusive der Gravitation.


Experimente

Das MAGIC-Gammastrahlenteleskop auf La Palma (Spanien)
Die experimentelle Forschung am MPP hat ihren Schwerpunkt in der Untersuchung der fundamentalen Bestandteile der Materie, ihrer intrinsischen Eigenschaften und ihrer Rolle in der Astrophysik. Das verlangt extensive Beteiligung an Experimenten an den großen Teilchenbeschleunigern am CERN (Genf), bei DESY (Hamburg) und bis vor kurzem auch in Brookhaven (USA). Außerdem tragen die Wissenschaftler des MPP auch zu einer großen Anzahl von Nicht-Beschleuniger- und Astroteilchenphysik-Experimenten bei, insbesondere dem Observatorium auf La Palma (Kanarische Inseln) und dem Untergrundlabor in Gran Sasso (Italien).


Die wesentlichen Forschungsrichtungen, die im experimentellen Programm verfolgt werden, sind:
  • Hochenergiephysik an Teilchenbeschleunigern
  • Astroteilchenphysik: Gamma-Astronomie und die Suche nach Dunkler Materie
  • Nicht-Beschleuniger-Neutrinophysik
  • Physik der Kernmaterie bei hohen Temperaturen und Dichten (beendet)

Weiterführende Seiten

LNGS (Gran Sasso, Italien)
http://www.lngs.infn.it/

DESY (Hamburg, Deutschland)
http://www.desy.de/

CERN (Genf, Schweiz)
http://www.cern.ch/




Zentrale wissenschaftliche und technische Dienste

Detektorentwicklung im Halbleiterlabor der MPIs - Silizium-Streifendetektoren und Röntgen-CCD auf einem Wafer
Die Forschung am MPP basiert auf der Unterstützung durch eine Reihe wichtiger wissenschaftlicher und technischer Dienste. Wichtige Elemente der Teilchendetektoren werden in den Laboren und Werkstätten am Institut konstruiert, gefertigt und getestet:
  • Das MPP hat eine wichtige Rolle in der Entwicklung von segmentierten Siliziumdetektoren gespielt, die in der Hochenergiephysik insbesondere für hochpräzise Messungen der Lebenszeit von instabilen Elementarteilchen benötigt werden. Zusammen mit dem MPI für extraterrestrische Physik betreiben wir ein Forschungslabor, das sich der Entwicklung von Siliziumdetektoren für die Projekte beider Institute widmet.
  • Die Unterstützung durch die Gruppen für Mechanik und Elektronik ist essentiell für die erfolgreiche Entwicklung, Herstellung und den Betrieb der komplexen Instrumente, die in modernen Experimenten verwendet werden.
  • Die wissenschaftliche Bibliothek des MPP ist auf die Forschungsrichtungen des Institutes, also die Teilchen- und Astroteilchenphysik, spezialisiert.
  • Die Forschung in unserem Betätigungsfeld basiert stark auf der Verfügbarkeit ausreichender Rechnerleistung. Zusätzlich zur Benutzung der eigenen Rechnerkapazitäten des Institutes arbeiten die Wissenschaftler auch mit den Hochleistungsrechnern des Rechenzentrums Garching (RZG) der Max-Planck-Gesellschaft.


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