Das Physikalische Institut bietet ein breites Spektrum an Forschungsaktivitäten im Bereich der Teilchenphysik. Die Forscherinnen und Forscher arbeiten mit einigen der größten Experimente der Welt zusammen, um die Struktur der Materie sowohl theoretisch als auch experimentell zu untersuchen. Außerdem werden Detektoren für die Erforschung und Entdeckung neuer Teilchen entwickelt.
ATLAS
Die Abkürzung ATLAS steht für „A Toroidal LHC Apparatus“. ATLAS ist eines der vier großen Experimente am Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Forschungszentrum für Teilchenphysik (CERN) in Genf. Zur ATLAS-Kollaboration gehören etwa 3000 Wissenschaftler – manche davon arbeiten vor Ort am CERN, andere an Universitäten und anderen Forschungsinstituten auf der ganzen Welt.
Mit ATLAS und dem Schwesterexperiment CMS wurde im Sommer 2012 das Higgs-Teilchen entdeckt. Es war das letzte Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, das experimentell nachgewiesen werden konnte. Darüber hinaus werden die ATLAS-Daten daraufhin untersucht, ob sie Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells enthalten, insbesondere auf supersymmetrische Teilchen. Solche Hinweise wurden bisher nicht gefunden, sodass die Suche zurzeit noch andauert.
ATLAS am Physikalischen Institut
Mehr als 50 Forscher und Forscherinnen des Physikalischen Instituts arbeiten am ATLAS Experiment. Durch die genaue Vermessung des Higgs-Bosons oder die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells gehen sie der Frage nach, was die Welt im Innersten zusammenhält. Besuchen Sie die Seiten unten, um mehr über die Forschungsschwerpunkte der einzelnen Arbeitsgruppen zu lesen.
Belle und Belle II
Belle II ist ein Teilchenphysikexperiment am Forschungszentrum KEK in Japan. Der Detektor zeichnet Kollisionen von Elektronen und Positronen bei einer Energie von 10,58 GeV am SuperKEKB-Beschleuniger auf. Bei dieser Energie wird ein Teilchen, das Y(4S)-Meson, erzeugt, das direkt nach der Produktion in zwei weitere Teilchen, sog. B-Mesonen, zerfällt.
Belle und Belle II am Physikalischen Institut
BGOOD
Das BGOOD-Experiment ist aus dem B.1-Projekt eines Magnetspektrometers hervorgegangen, das ursprünglich in Kombination mit Crystal Barrel zum Nachweis vorwärts fliegender geladener Teilchen mit hoher Auflösung über eine große Akzeptanz eingesetzt werden sollte. Das Hauptgerät ist ein 94-t-Dipolmagnet mit großer Öffnung, der "offene Dipol" (OD). Kurz nach der letzten Überprüfung des CRC 16 schloss sich ein großer Teil der ehemaligen GRAAL-Gruppe dem Spektrometerprojekt an.
BGOOD am Physikalischen Institut
Die Arbeitsgruppe um Prof. Hartmut Schmieden arbeitet am BGOOD Experiment. Der Fokus liegt dabei auf Meson-Photoproduktion. Dazu werden Photonen auf ein Target aus flüssigem Wasserstoff oder Deuterium geschossen und dabei entstehende Anregungszustände der Hadronen untersucht. Überdies interessiert sich die Arbeitsgruppe besonders für exotische Strukturen die über das klassische Verständnis des Quarkmodells hinaus gehen.
FASER
Das ForwArd Search ExpeRiment (FASER) ist ein neues, kleines Experiment am Large Hadron Collider (LHC). Es wurde gebaut um nach leichten, schwach-wechselwirkenden Teilchen zu suchen. Diese könnten in hochenergetischen Proton-Proton Kollisionen entstehen und in der extremen Vorwärtsrichtung abgestrahlt werden. Deshalb befindet sich FASER 480 m hinter dem ATLAS Detektor in Strahlrichtung. Außerdem besteht FASER aus einem speziellen Subdetektor um Neutrinos von LHC Kollisionen nachzuweisen.
IAXO
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine äußerst erfolgreiche Theorie, die die Materie und die Wechselwirkungen der kleinsten Bausteine beschreibt. Allerdings gibt es mehrere offene Fragen, die Erweiterungen des Modells erfordern. Einige dieser Fragen, z.B. das verschwindende elektrische Dipolmoment des Neutrons, die Dunkle Materie und das beobachtete zu schnelle Abkühlen verschiedener Klassen von Sternen können durch den sogenannten Peccei-Quinn-Mechanismus erklärt werden. Dieser sagt zudem die Existenz eines leichten Teilchens, des Axions, voraus. Das IAXO-Experiment soll am DESY in Hamburg gebaut werden, um mit Hilfe eines großen Magnetes zu untersuchen, ob in der Sonne Axionen produziert werden und die Theorie bestätigt werden kann.
IAXO am Physikalischen Institut
In Bonn wird ein untergrundarmer GridPix-Detektor für den Nachweis der Axionen entwickelt.
Lohengrin
Sowohl das Standardmodell der Teilchenphysik, als auch die Kosmologie sind sehr erfolgreiche Theorien. Wir wissen mittlerweile, dass es dunkle Materie geben muss. Ihre Eigenschaften und die Einordnung in das Standardmodell sind einige der dringendsten Fragen der Elementarteilchenphysik. Wir entwickeln eine experimentelle Strategie für die Suche nach einem Teilchen, welches diese Fragen erklären könnte - das Dark Photon. Es dient hierbei als ein Portal zwischen dem aktuell bekannten Standardmodell und einem "dunklen Sektor", der eine Vielzahl an Teilchen der dunklen Materie enthalten kann. Die Entdeckung eines dunklen Photons hätte Auswirkungen auf die gesamte Elementarteilchenphysik. Ziel der Strategie ist es die Eigenschaften des institutseigenen Elektronenbeschleunigers ELSA zu beachten und das Experiment unter Umständen sogar in Bonn zu realisieren.
Weitere Experimente
Compass
Crystal Barrel
Experimente mit dem Crystal-Barrel-Detektor an ELSA in Bonn fokussieren auf die Untersuchung von photoproduzierten Reaktionen an Nukleonen. Das Detektorsystem deckt 98% von 4π ab und wurde in verschiedenen Aufbauten durch andere Detektorkomponenten ergänzt.
Zeus
Die Gruppe in Bonn war an mehreren Detektorkomponenten sowohl der ersten als auch der zweiten Entwicklungsphase beteiligt. Zusätzlich werden ZEUS-Daten analysiert und verschiedene Probleme der Teilchenphysik untersucht.
Gasgefüllte Detektoren
Gasgefüllte Teilchendetektoren werden seit mehr als 100 Jahren verwendet, um die kleinsten Bausteine unsere Materie zu erforschen. Dank neuer Materialien und technologischer Prozesse sind in den letzten Jahren eine Vielzahl von Verbesserungen und Fortschritten im Detektorbau erzielt worden. Hierdurch konnte die Leistung der Detektoren deutlich verbessert und an die physikalisch möglichen Grenzen gebracht werden. Am Physikalischen Institut werden GridPixdetektoren entwickelt, die aus einer Kombination eines hochauflösenden Pixelauslesechips mit einer Gasverstärkungsstufe bestehen. Diese Detektoren können einzelne primäre Elektronen im Gasvolumen nachweisen und dadurch bisher unerreichte Orts-, Zeit- und Energieauflösungen erzielen.