Expertinnen und Experten des KIT zum Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum
Ob Dunkle Materie, „Geisterteilchen“ oder kosmische Strahlung – unser
Universum steckt noch immer voller Geheimnisse. Forschende des Karlsruher
Instituts für Technologie (KIT) wollen ihnen mit experimentellen Arbeiten
und theoretischen Ansätzen auf die Spur kommen. Sie bauen und betreiben
etwa das Großexperiment KATRIN zur Bestimmung der Neutrinomasse auf dem
Gelände des KIT. Sie untersuchen die Komponenten der höchstenergetischen
kosmischen Strahlung mit dem Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien,
tragen zum Verständnis des Higgs-Teilchens bei, das Materie ihre Masse
verleiht, und beschäftigen sich mit grundlegenden Fragen zur
Zusammensetzung der Materie und des Universums.
Dunkle Materie
Weltweit versuchen Forschende, die Eigenschaften der Dunklen Materie
aufzuspüren– sie macht über 80 Prozent des Materieinhalts des Universums
aus. Astrophysikalische und kosmologische Beobachtungen liefern starke
Hinweise auf ihre Existenz, vom Rotationsverhalten von Spiralgalaxien über
den Zusammenhalt von Galaxienhaufen bis zur Entwicklung der Strukturen im
Kosmos. „Ohne Dunkle Materie sähe unser Universum heute ganz anders aus”,
sagt Professorin Kathrin Valerius vom Institut für Astroteilchenphysik des
KIT, und ergänzt: „Im Standardmodell der Elementarteilchen haben wir keine
Erklärung – es könnte sich also um neue, bisher unentdeckte Teilchen
handeln.” Zu den Forschungsschwerpunkten am KIT gehören drei verschiedene
Wege, die Natur der unbekannten Materie zu ergründen: durch Detektoren
tief unter Tage, die seltene Wechselwirkungen der Dunklen Materie direkt
nachweisen sollen, durch kosmische Botenteilchen, die auf Spuren Dunkler
Materie hinweisen, oder mittels Teilchenkollisionen an
Beschleunigeranlagen.
Neutrinos
Mit KATRIN, der empfindlichsten Waage der Welt, forscht das KIT in
internationaler Zusammenarbeit daran, die Masse des Neutrinos, eines
extrem leichten, elektrisch neutralen und schwach wechselwirkenden
Elementarteilchens, mit bisher unerreichter Genauigkeit zu bestimmen.
„Neutrinos haben möglicherweise kurz nach dem Urknall durch ihre
Eigenschaften dafür gesorgt, dass es eine kleine Präferenz für normale
Materie gibt“, sagt Professor Guido Drexlin vom Institut für
Experimentelle Teilchenphysik am KIT. „Wäre gleich viel Materie wie
Antimaterie entstanden, hätten sich diese gegenseitig zerstört und unser
Universum wäre nur mit Strahlung erfüllt.“ Neutrinos spielen auch als
„kosmische Architekten“ eine wichtige Rolle bei der späteren Gestaltung
der sichtbaren Strukturen des Kosmos wie der Bildung der Galaxien. 150
Forschende aus 20 Institutionen in sieben Ländern sind an der KATRIN-
Kollaboration beteiligt, die Hälfte von ihnen sind Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler des KIT.
Theoretische Astroteilchenphysik
Mit dem Zusammenspiel von Elementarteilchenphysik und Kosmologie
beschäftigt sich die theoretische Astroteilchenphysik. Sie sucht nach
Lösungen für fundamentale Fragen, etwa wie die Materie kurz nach dem
Urknall entstanden ist oder über die wichtigsten Bestandteile des
Universums. Am KIT werden dazu verschiedene Aspekte der Neutrinophysik
sowie der Dunklen Materie untersucht. So erfordert die Erkenntnis, dass
Neutrinos eine Masse haben, eine Erweiterung des Standardmodells der
Elementarteilchenphysik, das die Bausteine der Materie und die zwischen
ihnen wirkenden Kräfte beschreibt. „Durch die Erforschung von Neutrinos
erwarten wir wichtige Erkenntnisse zu einer neuen fundamentalen Theorie
der kleinsten Bestandteile der Materie und ihren Wechselwirkungen“,
erläutert Professor Thomas Schwetz-Mangold, Leiter der Arbeitsgruppe
Theoretische Astroteilchenphysik am KIT. „Außerdem betrachten wir
verschiedene Hypothesen für die Dunkle Materie und berechnen Vorhersagen,
wie diese Hypothesen experimentell überprüft werden können.“
Kosmische Strahlung
Am Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien läuft das weltweit größte
Experiment zur Messung kosmischer Strahlung. Kosmische Strahlung besteht
aus Teilchen, die mit unterschiedlicher Energie auf die Erdatmosphäre
treffen und dort durch Kollision Luftschauer mit vielen Milliarden
Teilchen auslösen können. Insbesondere die höchstenergetische Komponente
der kosmischen Strahlung ist für die Forschenden von vielen Geheimnissen
umgeben. Kosmische Teilchen sind Botschafter, durch die sich etwas über
extreme Objekte des Universums – beispielsweise aktive Galaxienkerne – und
die darin ablaufenden Prozesse lernen lässt. „Wir wissen seit vielen
Jahren, dass es im Kosmos hochenergetische Teilchen gibt. Wollten wir auf
der Erde Teilchen so viel Energie verleihen, müssten wir Beschleuniger
bauen, die den Umfang der Umlaufbahn des Merkurs haben – also etwas mehr
als 57 Millionen Kilometer lang“, sagt Professor Ralph Engel, Leiter des
Instituts für Astroteilchenphysik am KIT und wissenschaftlicher Sprecher
der Pierre-Auger-Kollaboration. Die Forschenden wollen ergründen, wo die
Quelle dieser Beschleunigung liegt, und verstehen, wodurch die Natur es
schafft, die Teilchen so stark zu beschleunigen – sind es superschwere
schwarze Löcher, sich sehr schnell drehende Neutronensterne oder
sternbildende Galaxien?
Higgs-Teilchen
Eines der spannendsten Elementarteilchen, der grundlegenden Bausteine der
Materie, ist das Higgs-Teilchen, das in den 1960er-Jahren theoretisch
vorhergesagt wurde. Den experimentellen Nachweis konnten Physikerinnen und
Physiker schließlich in 2012 mithilfe des Teilchenbeschleunigers Large
Hadron Collider (LHC) am europäischen Forschungszentrum CERN erbringen. Im
Jahr darauf erfolgte die Auszeichnung der Theorie mit dem Physik-
Nobelpreis. An allen Phasen des Experiments waren und sind Forschende des
KIT maßgeblich beteiligt. „Das Higgs-Teilchen verleiht allen anderen
Teilchen ihre Masse und ist das letzte Puzzlestück, das im sogenannten
Standardmodell der Teilchenphysik zur Beschreibung der Materiebausteine
und ihrer Wechselwirkungen noch gefehlt hatte“, sagt Professor Markus
Klute vom Institut für Experimentelle Kernphysik des KIT, der mit seiner
Gruppe in den USA wesentlich zur Entdeckung des Higgs-Bosons beigetragen
hat. Beendet sei die Forschung am Higgs-Teilchen noch lange nicht. „Wir
wollen das Higgs-Teilchen besser und vor allem breiter verstehen: Welche
Eigenschaften hat es? Welche Prozesse unterstützt es? Wie koppelt es sich
an andere Teilchen? Gibt es Teilchen, die ihm gleichen? Am Ende möchte ich
herausfinden, wo die Grenzen unseres Verständnisses liegen.“
Teilchenbeschleuniger
In der Grundlagenforschung spielen Teilchenbeschleuniger eine bedeutende
Rolle, bei der Untersuchung der grundlegenden Bausteine der Materie ebenso
wie für vielfältige wissenschaftliche, medizinische und industrielle
Anwendungen. Die Accelerator Technology Platform (ATP) am KIT, in die rund
200 Forschende verschiedenster Fachdisziplinen aus 14 Instituten des KIT
ihr Wissen einbringen, will die Beschleunigertechnologie von morgen
entwickeln. „Das multidisziplinäre Vernetzungsmodell ist europaweit
einzigartig. Es nutzt Erkenntnisse aus allen Fächern, schafft damit Neues
und transferiert das in andere Forschungscommunitys innerhalb und
außerhalb des KIT – von Methoden der Künstlichen Intelligenz bis hin zum
Bau energieeffizienter Magnete“, erläutert Professorin Anke-Susanne
Müller, Leiterin des Instituts für Beschleunigerphysik und -technologie am
KIT und Sprecherin der ATP. Ein Ziel der Technologieplattform ATP ist es,
wesentlich kleinere und kompaktere Beschleuniger und
Forschungsinfrastrukturen zu entwickeln und deren Energieeffizienz zu
optimieren. Für die Entwicklung und Erprobung neuer Komponenten stehen am
KIT unter anderem der Forschungsbeschleuniger FLUTE und die
Beschleunigertestanlage KARA zur Verfügung. Im neuen Testfeld KITTEN für
Energieeffizienz und Netzstabilität in großen Forschungsinfrastrukturen
hat das KIT KARA mit dem Energy Lab 2.0 zusammengebracht.
Diese und weitere Expertinnen und Experten sowie Fotos, Videos und
Presseinformationen zum Thema „Unser Universum“ finden Sie im aktuellen
Dossier des KIT zum Wissenschaftsjahr
https://www.sts.kit.edu/wissen
Im Portal Expertinnen und Experten des KIT finden Sie weitere
Ansprechpersonen aus der Wissenschaft. https://www.sts.kit.edu
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