Forschung

Ultrarelativistische Schwerionen Kollisionen

Simulation zweier lorentzkontrahierter schwerer Kerne
Simulation zweier lorentzkontrahierter schwerer Kerne

Nach unserem derzeitigen Verständnis sind Protonen und Neutronen - die Teilchen aus denen ein Atomkern besteht - aus kleineren Teilchen zusammengesetzt, den sogenannten Quarks. Die Kräfte zwischen diesen Teilchen werden durch Gluonen vermittelt. Bislang wurden Quarks nicht als freie Teilchen beobachtet. Den heute allgemein akzeptierten Theorien zu Folge, war der (Welt-)Raum kurz nach dem Urknall mit sich frei bewegenden Quarks und Gluonen gefüllt, dem sogenannten Quark-Gluon Plasma (QGP). Während der Ausdehnung und Abkühlung des Universums, bildeten sich die Bausteine unserer Materie (Protonen und Neutronen) aus Quarks und Gluonen. Die Temperatur und Dichte dieses Phasenübergangs kann heute sehr genau mit aufwendigen QCD-Gitter-Rechnungen bestimmt werden. Zusätzlich werden seit Jahren am CERN und anderen Einrichtungen Experimente durchgeführt. In diesen Experimenten versuchen Physiker, Eigenschaften der Quark-Materie zu untersuchen, die sich vermutlich für sehr kurze Zeit in ultrarelativistischen Schwerionen-Kollisionen bildet.

Unsere Forschungsgruppe führt die Arbeit der Gruppe von Prof. Dr. R. Santo fort, die an den ersten Experimenten dieser Art am SPS Beschleuniger am CERN teilnahm. Die Messung direkter Photonen in diesen Experimenten lieferte einen wesentlichen Teil unseres derzeitigen Wissens über hochenergetische, dichte Kernmaterie.

Derzeit erzeugt der neue Schwerionenbeschleuniger RHIC am Brookhaven National Laboratory, USA Kollsionen schwerer Ionen, die um eine Größenordnung energiereicher sind als die Kollisionen am CERN SPS. Seit dem Jahr 2000 laufen die dortigen Experimente, die bereits Daten sowohl aus Gold-Gold und Deuterium-Gold, als auch aus Proton-Proton Kollisionen geliefert haben. Unsere Forschungsgruppe nimmt am PHENIX Experiment teil, einem der beiden grossen Experimente am RHIC mit 400 Teilnehmern aus 12 Ländern. Wir verfügen über ein von uns gebautes Bleiglas-Kalorimeter aus mehr als 10,000 einzelnen Detektormodulen. Mit diesem Kalorimeter ist es möglich Spektren von neutralen Pi-Mesonen und Photonen mit grossen Transversalimpulsen zu messen. Diese Messungen liefern einen wichtigen Beitrag für die Erforschung hochangeregter hadronischer oder partonischer Materie, d.h. dem Quark-Gluon Plasma. Eines der wichtigsten Ergebnisse aus den ersten Jahren war die Messung der Unterdrückung von Teilchen-Jets bei grossen Transversalimpulsen, deren Ursache i.a. in der Bildung von partonischer Materie in zentralen Kollisionen schwerer Ionen gesehen wird. Diese Jet-Unterdrückung wurde von PHENIX für geladene und neutrale Pionen gemessen, letztere vor allem durch unsere Gruppe mit dem bereits erwähnten Bleiglas-Kalorimeter.

Schematischer Aufbau des PHENIX-Experiments am RHIC (BNL, USA)
Schematischer Aufbau des PHENIX-Experiments am Relativistic Heavy Ion Collider RHIC (Brookhaven National Laboratory, USA)

Unsere Gruppenmitglieder besuchen das RHIC regelmäßig, z.B. um an Strahlzeiten teilzunehmen, und beteiligen sich an der Datenanalyse für ihre Diplom- und Promotionsarbeiten.

Ein weiterer riesiger Anstieg der zur Verfügung stehenden Energie im Vergleich zum RHIC ist mit dem Large Hadron Collider (LHC) geplant. Der Start dieses Beschleunigers am Europäischen Zentrum für Hochenergie Physik, CERN, ist für 2007 angesetzt. Neben den derzeit geplanten Experimenten mit Schwerpunkt auf Proton-Proton Kollisionen wird es auch ein spezielles Schwerionen-Experiment geben, genannt ALICE. Einer der zentralen Detektoren in ALICE ist der grosse Übergangsstrahlungsdetektor (Transition Radiation Detector - TRD), der von uns in enger Zusammenarbeit bei anderen europäischen Instituten und Universitäten geplant und gebaut wird.

Übergangsstrahlung - elektromagnetische Strahlung im Röntgenspektrum - wird durch den Durchgang hochrelativistischer geladener Teilchen durch Lagen verschiedener Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes erzeugt. Übergangsstrahlungsdetektoren sind ein einzigartiges Werkzeug um hochenergetische Elektronen und Positronen von geladenen Pionen zu unterscheiden. Anders als Pionen nehmen Elektronen und Positronen nicht an der starken Wechselwirkung teil. Dies macht sie zu idealen Sonden, um die heisseste und dichteste Phase einer ultrarelativistischen Schwerionen-Kollision zu beobachten. In ALICE wird der TRD für die Untersuchung von J/Psi und Y-Teilchen benutzt werden. Zusätzlich dient der Detektor als Second-Level-Trigger System für geladene Teilchen mit hohem Impuls.

Der TRD, ein 6-lagiger Zylinder, dargestellt als 4.Komponente im ALICE Aufbau (Bild), besteht aus 540 einzelnen Modulen und deckt eine Fläche von ca. 740 Quadratmetern ab. Unsere Gruppe beteiligt sich an der Konstruktion des Detektors, insbesondere am Design und Test der Radiatoren, in denen die Übergangsstrahlung erzeugt wird. Die Gruppe ist für die Entwicklung und Produktion sämtlicher Radiatoren für den Detektor verantwortlich. Hierfür haben wir einen Teststand für automatisierte Röntgentransmissionsmessungen verschiedener Materialien entwickelt. Wir führen ausserdem regelmäßig Testmessungen an verschiedenen Einrichtungen wie der GSI in Darmstadt und dem CERN in Genf durch, um die Teilchenidentifikationseigenschaften zu bestimmen.

Neben der Entwicklung der Detektor Hardware ist auch die Entwicklung spezieller Softwarepakete für den TRD zur Elektron-Pion Separation und zur Impuls-Bestimmung notwendig.

Schnitt durch das ALICE Experiment am CERN LHC (ALICE)
Schnitt durch das ALICE Experiment am CERN LHC (ALICE)

Während des Betriebes wird ALICE pro Jahr etwa 2 Petabyte (10^15 bytes) an Daten erzeugen. Diese noch nie dagewesene Datenmenge erfordert eine vollständig überarbeitete Strategie der Datenanalyse. Daher beteiligt sich ALICE am Design und der Benutzung von Software für das sogenannte LHC Computing Grid (LCG). Das LCG is ein System weltweit verteilter Rechnerressourcen. Unsere Gruppe beteiligt sich an der Entwicklung der Framework-Software, die es ermöglicht, solche "Grids" zu betreiben und für Simulationen und zukünftige Datenanalysen zu nutzen

Vor kurzem hat der Wissenschaftsrat, eine Versammlung wissenschaftlicher Berater der Bundesregierung, die Konstruktion eines Schwerionen-Colliders an der GSI in Darmstadt empfohlen. Dieser Beschleuniger wird das Studium hochkomprimierter barionischer Materie ermöglichen. Jedoch übersteigen die angestrebten Ereignisraten die Fähigkeiten gegenwärtig existierender Detektor-Technologien um etwa eine Größenordnung. Als Teil einer vereinigten Anstrengung europäischer Forscher, unterstützt von der EU, wird unsere Gruppe neuartige Gasdetektoren mit kleiner Zellengrösse entwickeln, die für hohe Ereignisraten geeignet sind. In Zusammenarbeit mit anderen Instituten ist die Entwicklung spezieller Hochgeschwindigkeits-Ausleseelektronik mit geringem Rauschen und niedriger Energieaufnahme ein Ziel. Neben ihrer Anwendung in der Teilchenphysik besitzen diese Detektoren auch grosses Potential für die bildgebende Diagnostik mit Röntgenstrahlen in der Medizin.