Institut für Kernphysik

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Dieter Frekers – Neutrinophysik

Neutrinooszillationen, Kernmatrixelemente für die schwache Wechselwirkung und automatisierte Mikroskopie

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Arbeitsgruppe Prof. Dr. Alexander Kappes – IceCube

Ansicht IceCube

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.

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Arbeitsgruppe Prof. Dr. Alfons Khoukaz – Mesonenproduktion in Teilchenbeschleuniger-Experimenten

Illustration Khoukaz (PANDA-Experiment)
© AG Khoukaz/WWU

Obwohl man heute eine Vielzahl von Mesonen kennt, also Teilchen, die aus je einem Quark und einem Antiquark bestehen, so ist doch noch relativ wenig über deren Wechselwirkungen mit anderen Teilchen wie z. B. den Atomkernen oder deren Bestandteilen bekannt. Darüber hinaus sind die zugrundeliegenden mikroskopischen Produktionsmechanismen, in welchen diese Mesonen entstehen, noch weitgehend unverstanden, sodass hier Experimente für das Verständnis der starken Wechselwirkung von großem Interesse sind.

Ebenso kann nach verbotenen Mesonen-Zerfällen gesucht werden, um bekannte Erhaltungssätze und Symmetrien der Physik zu überprüfen. Ganz aktuell sind zudem in jüngster Zeit an Teilchenbeschleunigern neue Teilchen („Exotics“) entdeckt worden, die nicht in den bisher bekannten Teilchenzoo zu passen scheinen und bei denen es sich möglicherweise um neue Teilchenarten wie z. B. Gluebälle handelt. Um diese spannenden Aspekte näher zu untersuchen, ist unsere Arbeitsgruppe aktiv an verschiedenen Beschleunigerexperimenten beteiligt:

Die Experimente ANKE und WASA-at-COSY

Im Rahmen dieser Experimente am COSY-Beschleuniger des Forschungszentrums Jülich werden Mesonen mit möglichst geringen Energien in z. B. elementaren Nukleon-Nukleon- oder Nukleon-Kern-Stößen erzeugt und untersucht. Hierbei können die Wechselwirkungen und die Zerfälle der Teilchen sehr genau untersucht werden.

Das BESIII-Experiment

An diesem Experiment, welches an dem Elektron-Positron-Collider BEPC-II in Peking aufgebaut ist, werden u. a. spannende Experimente zu exotischen Teilchen durchgeführt. Unsere Arbeitsgruppe versucht hier, der Natur dieser Teilchen auf die Spur zu kommen.

Das PANDA-Experiment

Das PANDA-Experiment (siehe Abbildung) wird zukünftig am FAIR-Beschleunigerkomplex in Darmstadt in Proton-Antiproton-Stößen u. a. exotische Teilchen erzeugen und untersuchen. Ein Schwerpunkt wird hier die Suche nach sogenannten „Gluebällen“ sein, also Teilchen, die nicht aus Quarks, sondern ausschließlich aus den Austauschteilchen der Starken Wechselwirkung, den Gluonen, bestehen.

Entwicklung von Targets für Beschleunigerexperimente

Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt der Arbeitsgruppe ist die Entwicklung von Quellen überschallschneller Cluster-Jet-Strahlen, welche für oben genannte Experimente als Targets für die beschleunigten Teilchen benutzt werden können. Derzeitig wird in unserer Arbeitsgruppe z. B. das Target für das PANDA-Experiment aufgebaut und optimiert. Diese und weitere Apparaturen gestatten es unter anderem, die Entstehung von Clustern und deren Eigenschaften zu untersuchen.

Bachelor- und Masterarbeiten

Bei den Beschleunigerexperimenten kann im Rahmen einer Bachelor- bzw. Masterarbeit an allen Aspekten von der Computer-Simulation über die aktive Teilnahme an Messungen bis hin zur Analyse der Daten mitgearbeitet werden. Die Entwicklung von Targets für Beschleunigerexperimente bietet Studierenden die Möglichkeit, aktiv Experimente mit Gas-Jet- und Clusterstrahlen durchzuführen und an apparativen Entwicklungen auf den Gebieten der Vakuum-, Kryo- und Messtechnik mitzuwirken.

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Arbeitsgruppe Prof. Dr. Christian Weinheimer – Neutrinophysik, Dunkle Materie und Fundamentale Wechselwirkungen

Illustration Weinheimer 1
Illustration Weinheimer 2

Die AG Weinheimer ist bei 4 internationalen Forschungsprojekten aus der Kern-, Teilchen- und Astroteilchenprojekt beteiligt:

Bestimmung der Neutrinomasse mit dem KATRIN-Experiment

Eine internationale Kollaboration aus amerikanischen, deutschen, englischen, russischen und tschechischen Gruppen baut am Karlruher Institut für Technologie KIT das KATRIN-Experiment auf, was das weltweit führende Experiment zur direkten Bestimmung der Neutrinomasse darstellt.

Die Münsteraner Gruppe ist die größte Gruppe außerhalb Karlsruhes und hat die Verantwortung für das 690 m2 große Elektrodensystem des KATRIN-Hauptspektrometers (s. Abb.), die Präzisionshochspannungsversorgung und -messung und mehrere Elektronenkalibrationsquellen inne. Daneben ist die Gruppe an Simulations- und Analyserechnungen sowie an der Erstellung der Computerprogrammen zur Datenaufnahme und -analyse beteiligt.

Zum Experiment, Simulation und Datenanalyse werden Bachelor- und Masterarbeiten vergeben.

Direkte Suche nach Dunkler Materie mit dem XENON-Projekt

Die Münsteraner Gruppe ist am weltweit führenden laufenden Dunkle Materie-Experiment XENON100 sowie den Nachfolgeprojekten XENON1T und DARWIN beteiligt. XENON100 und das genehmigte Projekt XENON1T befinden sich im italienischen Untergrundlabor LNGS bei L’Aquila. Die Münsteraner Gruppe baut das gesamte Gasreinigungssystem und die kryogene Destillationssäule für das XENON1T-Experiment. Weiterhin werden verschiedene Analysen und Messungen in Münster durchgeführt. Im Rahmen eines DFG-Großgeräte-Projekts wurden dazu ein großes Flüssig-Xenon-Labor mit einem eigenen Flüssig-Xenon-Detektor eingerichtet.

Zum Experiment, Simulation und Datenanalyse werden Bachelor- und Masterarbeiten vergeben.

Einzelphotonennachweis für Experimete an gespeicherten hochgeladenen Ionen am SpecTrap-Experiment und dem Experimentierspeichering ESR an der GSI

Die Arbeitsgruppe entwickelt und betreibt hochempfindliche Einzelphotonendetektoren vom Ultravioletten bis in das infrarote Wellenlängenspektrum im Rahmen des Atomphysikprogramms der GSI. Diese Experimente gelten fundamentalen Fragen der Quantenelektrodynamik und Quantenchromodynamik.

Zum Experiment, Simulation und Datenanalyse werden Bachelor- und Masterarbeiten vergeben.

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Arbeitsgruppe Prof. Dr. Johannes P. Wessels/PD Christian Klein-Bösing – Quark–Gluon-Plasma

ALICE Heavy Ion-Eventdisplay
© CERN, ALICE-Experiment

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 Bau des Übergangsstrahlungsdetektors (TRD) am ALICE-Experiment beteiligt. Bei der Analyse der Proton- und Bleikollisionen, die ALICE am LHC aufgezeichnet hat, konzentrieren wir uns auf seltene Prozesse wie die thermische Strahlung des Quark-Gluon-Plasmas oder den Einfluss des Quark-Gluon-Plasmas auf Jets und Photonen aus harten QCD-Prozessen.

Das CBM-Experiment

Das CBM-Experiment wird am FAIR-Komplex in Darmstadt Kernmaterie bei den höchsten erreichbaren Dichten untersuchen. Wir sind an der Planung eines Übergangsstrahlungsdetektors für CBM beteiligt: wir entwickeln und testen Prototypen, um den optimalen Aufbau des Detektors für die zu erwartenden Bedingungen an FAIR zu bestimmen.

Bachelor- und Masterarbeiten

Die AG Wessels bietet ständig Bachelor- und Masterarbeiten zu Aufbau, Betrieb und Kalibration von Detektoren sowie zur Datenanalyse im ALICE-Experiment an.

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