Institute of Nuclear Physics

An der LHC-Beschleunigeranlage des CERN wird in Kollisionen schwerer Atomkerne ein Materiezustand erzeugt, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, der im frühen Universum eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall vorlag. Alle Teilchen, die in diesem Urzustand der Materie entstehen, werden mit Hilfe der schnellen und hochempfindlichen Detektoren des ALICE-Experimentes nachgewiesen. Ein Teil der verwendeten Detektoren wurde in Münster erstellt. In Zukunft werden solche Detektoren auch zur Untersuchung hoch verdichteter Kernmaterie mit dem CBM-Experiment an der neuen Beschleunigeranlage FAIR in Darmstadt verwendet.

Das ALICE-Experiment

Das Institut für Kernphysik ist mit Datenanalyse und dem Betrieb des Übergangsstrahlungsdetektors (TRD) am ALICE-Experiment beteiligt. Bei der Analyse der Proton- und Bleikollisionen, die ALICE am LHC aufgezeichnet hat, forschen wir über Jetproduktion, sowie Photonen, neutralen Mesonen und Quarkonia. Dabei vergleichen wir Proton-Proton, Proton-Blei und Blei-Blei-Kollisionen in ALICE und betreiben außerdem phänomenologische Analysen.

Das CBM-Experiment

Das CBM-Experiment wird am FAIR-Komplex in Darmstadt Kernmaterie bei den höchsten erreichbaren Dichten untersuchen. Wir sind an der Design und Bau eines Übergangsstrahlungsdetektors für CBM beteiligt. Um den optimalen Aufbau des Detektors für die zu erwartenden Bedingungen an FAIR zu bestimmen, sind die von uns entwickelte Detektor-Prototypen am DESY und GSI (FAIR Phase-0) getestet.

Bachelor- und Masterarbeiten

Die AG Andronic/Klein-Bösing bietet Bachelor- und Masterarbeiten zu Aufbau, Betrieb und Kalibration von Detektoren sowie zur Simulationen und Datenanalyse im ALICE-Experiment an.

Das Hochenergieuniversum besitzt noch viele Geheimnisse: was sind die Quellen der kosmischen Strahlung, wie ist deren Zusammensetzung, wie werden Teilchen auf bis zu 10 Millionen mal höhere Energien als die LHC-Strahlenergie beschleunigt? Hochenergetische Neutrinos, erzeugt z. B. in der Nähe von schwarzen Löchern oder nach Supernovaexplosionen, können uns einiges über diesen extremen Teil des Universums erzählen.

Das IceCube-Neutrino-Observatorium

Der am geographischen Südpol gelegene IceCube-Detektor ist das zur Zeit weltweit größte Neutrinoteleskop. Die Hauptaufgabe liegt in der Entdeckung und Untersuchung von galaktischen und extragalaktischen Quellen hochenergetischer, kosmischer Neutrinos. Daneben hat sich der Detektor aber auch als hervorragendes Instrument zur Suche nach Dunkler Materie (WIMPs) oder der genauen Vermessung von Oszillationen atmosphärischer Neutrinos bewährt. Unsere Gruppe ist in der Analyse der Daten vom Detektor engagiert, insbesondere im Hinblick auf die Suche nach den Quellen der kosmischer Neutrinos.

IceCube-Gen2

Nach der erstmaligen Entdeckung von hochenergetischen, komischen Neutrinos mit dem IceCube-Detektor, befindet sich mit IceCube-Gen2 ein Neutrinoteleskop der nächsten Generation mit wesentlich verbesserter Sensitivität am Südpol in der Planungsphase. Unsere Gruppe ist an Detektorsimulationen zu IceCube-Gen2 beteiligt sowie in der Entwicklung von optischen Sensoren engagiert.

Sensorentwicklung

Unsere Gruppe ist federführend an der Entwicklung eines neuartigen Sensors für IceCube-Gen2 beteiligt, für den wir u. a. detaillierte Charakterisierungen von Photomultipliern durchführen sowie mechanische Komponenten entwicklen. Zudem arbeiten wir an Simulationen für einen mit diesen Sensoren ausgestatteten Detektor, für den wir Ereignisselektions- und Rekonstruktionsalgorithmen entwickeln.

Bachelor- und Masterarbeiten

Wir bieten fortlaufend Bachelor- und Masterarbeiten zu aktuellen Fragestellungen aus den oben genannten Bereichen aus Forschung und Entwicklung an.

Die AG Weinheimer interessiert sich für fundamentale astroteilchen- und teilchenphysikalische Fragen, wie z.B. wie schwer sind die neben Photonen häufigsten Teilchen des Universum, die Neutrinos, gibt es sterile Neutrinos oder sind Neutrinos identisch zu ihren Antiteilchen? Oder was ist die Natur der Dunklen Materie, die im Universum eine 5-mal höhere Massendichte ausweist als die normale uns bekannte Materie? Dazu sind wir maßgeblich bei 2 führenden Forschungsprojekten der Teilchen- und Astroteilchenprojekt beteiligt. Weiterhin wenden wir unsere experimentellen Techniken in zwei Bereichen der Atom- und Medizinphysik an.

Bestimmung der Neutrinomasse mit KATRIN

Die internationale KATRIN-Kollaboration aus 20 Instituten betreibt am Karlruher Institut für Technologie (KIT) das KATRIN-Experiment, das weltweit führende Experiment zur direkten Bestimmung der Neutrinomasse. Unsere Münsteraner Gruppe ist einer der beiden größten Gruppe außerhalb Karlsruhes. Wir tragen dabei die Verantwortung für mehrere Experimentkomponenten (z.B. das Präzisionshochspannungssystem, das 690 m2 große Elektrodensystem im Hauptspektrometer (s. Abb.), zwei spezielle Elektronenkalibrationsquellen) sowie für wichtige Teile der Datenanalyse. Zur Zeit sind die Hauptprojekte der Münsteraner Arbeitsgruppe die Reduktion einiger wichtiger systematischer Unsicherheiten durch Messungen und Datenanalysen sowie die Reduktion des Untergrunds durch die Methode der „Shifted Analysis Plane“ und in Zusammenarbeit mit der AG Pernice aus der Nanophysik die Entwicklung eines neuartigen Detektors („aTEF“), der auf die Transversalenergie der Elektronen empfindlich ist. sind.

Zu Simulationen und Datenanalyse sowie zu Messungen am Experiment und zu Hardwareentwicklungen werden Bachelor- und Masterarbeiten vergeben.

Direkte Suche nach Dunkler Materie mit dem XENONnT und DARWIN

Wie schon das weltführende Vorgängerexperiment XENONT1T befindet sich das gerade angelaufene Experiment zur direkten Suche nach Dunkle Materie XENONnT (s. Abb.) im italienischen Untergrundlabor LNGS in den Abruzzen. In der internationale XENON-Kollaboration hat unsere Münsteraner Gruppe die Verantwortung für die kryogene Destillation des Edelgases Xenon übernommen, welches das aktive Dunkle Materie-Target der Zweiphasen-Xenon-TPC bildet. Wir haben dazu zwei einzigartige Anlagen entwickelt, die geringste Verunreinigungen durch die radioaktiven Edelgase Kr-85 und Rn-222 aus den 8,5 Tonnen Xenon des Experiments entfernen. In unserem großen Xenon-Labor betreiben wir eine kleine Kopie des XENONnT-Detektors und entwickeln verschiedene Experiment-komponenten für XENONnT und das Zukunftsprojekt DARWIN. Unser zweites Standbein bei XENONnT ist die Datenanalyse, bei der wir neben der Suche nach Dunkler Materie auch besonders an Neutrinowechselwirkungen mit Xenonatomen sowie doppelten schwachen Zerfällen der Xenon-Isotope Xe-124 und Xe-136 auch im Hinblick auf die Neutrinomasse interessiert sind.

Zu Simulationen und Datenanalyse sowie der Entwicklung neuer Experimentkomponenten werden Bachelor- und Masterarbeiten vergeben.

Photondetektoren und Präzisionshochspannung für Experimente an gespeicherten hochgeladenen Ionen bei GSI/FAIR

Hochgeladene schwere Ionen bieten sich aufgrund ihrer extrem hohen elektrischen und magnetischen Felder als einzigartige Experimentierobjekte für die Untersuchungen fundamentaler Wechselwirkungen an. Die SPARC (Stored Particles Atomic Physics Research Collaboration) Kollaboration führt an den Speicherringen des GSI/FAIR Forschungszentrum in Darmstadt unter anderem Laserspektroskopie- und Stoß-Experimente mit solchen hochgeladenen (schweren) Ionen durch. Dafür entwickeln und betreiben wir Photonendetektoren vom weichen Röntgen- bis in den Infrarotbereich an den Speicherringen ESR und CRYRING und zukünftig an SIS100, sowie am Fallenexperiment SPECTRAP. Hierbei kommen Technologien von Halbleiterdetektoren über Photomultiplier bis zu ortsaufgelösten Multi-Channel-Plates (MCP) zum Einsatz. Die für das KATRIN-Experiment entwickelten Präzisionshochspannungsmethoden wenden wir auch bei der Bestimmung der Hochspannung von Elektronenkühlern in Speicherringen zur Definition der Ionenenergie bei Laserspektroskopie- oder zur kurzzeitigen Energieverschiebung von Ionen bei Stoßexperimenten an.

Zu Detektorentwicklungen als auch für die Weiterentwicklung der schnellen Präzisions-Hochspannungsmessung werden Bachelor- und Masterarbeiten vergeben.

Bold-PET, Entwicklung eines neuartigen, ortsauflösenden Detektors für medizinische Anwendungen (PET)

Das neuartige Detektorkonzept „CALIPSO“ für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), basierend auf der organo-metallischen Verbindung Trimethyl-Bismuth (TMBi)  als Detektionsmaterial, wurde von einer Arbeitsgruppe des französischen Forschungszentrum CEA/Saclay vorgeschlagen. Die transparente Flüssigkeit mit dem Metall Bismuth als zentralem Element erlaubt eine effiziente Umwandlung von den in PET Scannern erzeugten 511 keV Annihilationsphotonen in Photoelektronen. Diese erzeugen einerseits Cherenkov-Photonen, die in schnellen Multi-Anode-Photomultiplier ein präzises Zeitsignal erlauben. Andererseits werden in der Wechselwirkung der Elektronen mit dem Material freie Ladungsträger erzeugt, welche über ein angelegtes elektrisches Feld getrennt und mit Hilfe einer pixelierten Anode ortsaufgelöst nachgewiesen werden sollen. Zusammen mit der AG K. Schäfers aus dem European Institute for Molecular Imaging (EIMI) der Universität Münster und den französischen Kolleg*innen aus CEA/Saclay entwickeln wir einen ortsauflösenden Driftdetektor für solche organo-metallische Verbindungen und untersuchen verschiedene Reinigungsverfahren, um das TMBi so stark von elektronegativen Verunreinigungen zu reinigen, dass im Detektormedium entstehenden Elektronen und Ionen hinreichend verlustfrei gedriftet und nachgewiesen werden können.

Zu Experimenten und Hardware-Entwicklungen können Bachelor- und Masterarbeiten vergeben werden.