Forschungsthemen

Das Pierre-Auger-Observatorium, 3000 Quadratkilometer groß und in der argentinischen Pampa gelegen, besteht aus mehr als 1600 autonomen Tanks: In hochreinem Wasser produzieren energetische Teilchen Lichtblitze. Zusätzlich beobachten vier Stationen mit 27 Teleskopen am Rand des Detektorfeldes Lichtspuren, die von den kosmischen Teilchenschauern in der Atmosphäre erzeugt werden. Untergrund-Myondetektoren und ein Feld von Radioantennenstationen vervollständigen das Experiment.

Mit dem KASCADE-Grande Experiment am Campus Nord des KIT wurde kosmische Strahlung niedriger Energie gemessen. Gegenwärtig werden noch die gewonnenen Daten analysiert und für den öffentlichen Gebrauch via einem Web-Portal („KCDC“) vorbereitet. Weitere Aktivitäten auf diesem Forschungsgebiet betreffen die Messung von kosmischer Strahlung aus dem Weltraum (JEM-EUSO) und in der sibirischen Taiga (Tunka-Rex), sowie das weltweit verbreitete Luftschauer-Simulationsprogramm CORSIKA.

KSETA PI Ansprechpartner sind Ralph Engel, Andreas Haungs, Tim Huege, Bianca Keilhauer, Matthias Kleifges, Frank Schröder, Markus Roth, und Oliver Sander.

Das Neutrino Observatorium IceCube befindet sich am Südpol und besteht aus optischen Modulen, die über einen Kubikkilometer arktischen Eises verteilt sind. Die schwer fassbaren Neutrinos sind ausgezeichnete kosmische Boten, die möglicherweise extreme astrophysikalische Quellen anzeigen und Einblick in Prozesse geben, die an der Entstehung hochenergetischer Teilchen beteiligt sind. An der Oberfläche befindet sich der Array IceTop, der aus 162 Eis-Cherenkovtanks besteht und das Studium von kosmischen Luftschauern ermöglicht und als Veto für astrophysikalische Ereignisse dient. Unsere Gruppe am KIT arbeitet hauptsächlich an der nächsten Generation des IceCube Experiments, IceCube-Gen2.

KSETA PI Ansprechpartner sind Andreas Haungs, Ralph Engel, Tim Huege, und Frank Schröder.

Wir betreiben intensive Forschung und Entwicklung (F & E) für die aktuelle Suche nach dunkler Materie sowie für die nächste Generation von Experimenten. Die Gruppe Dunkle Materie am KIT ist Mitglied der XENON Collaboration, der 163 Wissenschaftler aus 28 Institutionen in 11 Ländern angehören. Das XENONnT-Experiment mit einer aktiven Xenonmasse von mehreren Tonnen und einem Hintergrund, der im Vergleich zu XENON voraussichtlich um den Faktor 6 niedriger sein wird, wodurch die Weltrekordempfindlichkeit von XENON noch weiter verbessert wird, hat seine Inbetriebnahmephase im Jahr 2020 begonnen.
Wir sind auch aktiv an der Entwicklung des Folgeexperiments DARWIN beteiligt, eines zukünftigen Experiments zum direkten Nachweis dunkler Materie auf der Basis einer mehr Tonnen schweren Flüssig-Xenon-Zeitprojektionskammer. Das KIT ist Gründungsmitglied der DARWIN-Kollaboration. Wir tragen z.B. zum elektrostatischen Design des TPC, zur Unterdrückung des Hintergrunds und zu Sensitivitätsstudien für Dunkle Materie und anderen Suchen nach Physik jenseits des Standardmodells. Das neue Experiment DELight wird mit einem aktiven Target aus superfluidem Helium, instrumentiert mit magnetischen Mikro-Kalorimetern, speziell nach leichter dunkler Materie suchen.

KSETA PI Ansprechpartner sind Kathrin Valerius, Klaus Eitel, Felix Kahlhöfer, Robert Ziegler und Thomas Schwetz-Mangold (theory and phenomenology).

Die fundamentalen Bausteine der Materie, die Elementarteilchen, werden durch das sogenannte Standardmodell beschrieben: Es gibt Auskunft über ihre Eigenschaften und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte.

Die Forschungsgruppen am KIT, die in der theoretischen Teilchenphysik arbeiten, führen komplexe pertubative Berechnungen und nicht-pertubative Betrachtungen im Standardmodell durch. Außerdem beschäftigen sie sich mit Theorien, die Naturphänomene erklären können, die nicht im Standardmodell enthalten sind. Damit soll beispielsweise die Quantennatur der Theorie überprüft und fundamentale Naturkonstanten bestimmt werden.

KSETA PI Ansprechpartner sind Monika Blanke, Gudrun Heinrich, Kirill Melnikov, Margarete Mühlleitner, Ulrich Nierste, Matthias Steinhauser und Robert Ziegler.

Teams des KIT forschen an den leistungsstärksten Teilchenbeschleunigern der Welt: dem Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB am KEK-Labor in Tsukuba, Japan, und am Large Hadron Collider am CERN, Schweiz.
Am LHC, der 2009 in Betrieb genommen wurde, werden Bedingungen für Reaktionen geschaffen, die etwa 10-12 Sekunden nach dem Urknall stattgefunden haben. Der CMS-Detektor ist einer von vier großen Detektoren, die am LHC installiert sind, um diese Reaktionen zu untersuchen. Teams des KSETA-Mitgliedsinstituts ETP haben seit 1995 zum Bau und zur Aufrüstung des Detektors sowie zur Datenanalyse beigetragen.  Dies führte im Jahr 2012 zur Entdeckung des Higgs-Bosons, das für die Erzeugung von Masse verantwortlich sein soll. Mit dieser Entdeckung ist das Standardmodell der Teilchen und Kräfte vervollständigt worden. Das Ziel der kommenden Läufe besteht vor allem darin, die Eigenschaften des Higgs-Bosons und seine Wechselwirkungen mit anderen Teilchen genau zu messen und nach Anzeichen für eine Physik jenseits des Standardmodells zu suchen.
Das KIT ist auch in der Forschung und Entwicklung im Hinblick auf künftige Experimente wie SHADOWS in einem neuen CERN-Strahlenkanal, LUXE-NPOD in einem geplanten Elektron-Photonen-Collider bei DESY oder künftige Collider wie FCC-ee aktiv. 

KSETA PI Ansprechpartner sind Jürgen Becker, Ulrich Husemann, Günter Quast, Klaus Rabbertz, Oliver Sander, Roger Wolf, Thomas Müller, Markus Klute, Torben Ferber und Frank Simon.

Informationen über die Kräfte zwischen Elementarteilchen werden durch Experimente gewonnen, bei denen Teilchen mit sehr hohen Energien gestreut werden. Die höchsten Energien und damit die kleinsten Abstände werden an den modernen Kollidern wie dem LHC in Genf erreicht. Die theoretische Kolliderphysik macht Vorhersagen für diese Experimente und hilft bei der Interpretation der Daten.

Dieser Forschungsbereich steht in engem Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Bereich "Quantenfeldtheorie", da präzise Berechnungen und Simulationen auf der Grundlage unseres derzeitigen Verständnisses der Wechselwirkungen von Elementarteilchen erforderlich sind, um Vorhersagen innerhalb des Standardmodells und darüber hinaus zu treffen, die an Collider-Experimenten getestet werden. Die Simulationen umfassen die Higgs-Physik, die Top-Quark- und Jet-Physik, die elektroschwache Physik, die Flavour-Physik und Vorhersagen für die Suche nach dunkler Materie an Collidern.

KSETA PI Ansprechpartner sind Monika Blanke, Stefan Gieseke, Gudrun Heinrich und Felix Kahlhöfer.

Materie existiert in unterschiedlichen Flavours (“Geschmacksrichtungen”) und bietet ein reichhaltiges Spektrum von zu untersuchenden Phänomenen. Wenn dies mit höchster Präzision durchgeführt wird, kann man Hinweise auf die Physik jenseits des Bekannten und für Masseskalen jenseits jeglicher direkter Erreichbarkeit finden. Besonders das nuancierte Brechen von Symmetrien und Prozesse mit Quantenschleifen sind vielversprechend. Dies jedoch nur, wenn theoretischer Verstand und experimentelle Finesse optimal zusammenarbeiten, um die zersplitterten und verstreuten Hinweise zu einem vollständigen Mosaik des zu Grunde liegenden Bildes zusammenzufügen.

Das Belle II Experiment wird Daten mit einer integrierten Luminosität nehmen, die 1000 mal höher ist als bei seinem nächster Mitbewerber LHCb.

KSETA PI Ansprechpartner sind Monika Blanke, Pablo Goldenzweig, Ulrich Nierste, Robert Ziegler und Frank Simon (experimentell).

Neutrinos spielen eine Schlüsselrolle in unserem Verständnis des Universums. Bei der großräumigen Strukturbildung nach dem Urknall wurden enorme Mengen an Neutrinos produziert, die auch heute noch existent sind. Ihre Untersuchung berührt und vereint fundamentale Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie.

Um die Rolle dieser schwach wechselwirkenden Teilchen zu verstehen, muss man ihre bislang zu ungenau erfassten Massen und deren Hierarchie messen. Das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment KATRIN wird das weltweit erste Experiment sein, das die Masse von Neutrinos mit einer ausreichenden Empfindlichkeit direkt und modellunabhängig misst, um ihre Rolle als kosmische Architekten festzulegen. Aber auch für die Teilchenphysik bieten die von KATRIN untersuchten Neutrinoeigenschaften einzigartige Ansatzpunkte zu Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik.

KSETA PI Ansprechpartner sind Andreas Kopmann, Oliver Sander, Kathrin Valerius  Sascha Wüstling, Sebastian Kempf , Magnus Schlösser und Thomas Schwetz-Mangold (theory and phenomenology).

Die Forschungen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik sind nicht durchführbar ohne die Verwendung von Hochleistungscomputern und verteilten hoch-Durchsatz Computer-Infrastrukturen wie dem Worldwide LHC Computing Grid (WLCG).

GridKa am SCC, eines der 12 Tier-1 Zentren des WLCG, ist ein bedeutender Knotenpunkt für Berechnungen und Datenverteilung von allen vier LHC-Experimenten sowie anderen HEP Experimenten und Auger. Zusätzlich zu riesigen Speicher- und Archivkapazitäten und Rechenleistung stellt GridKa hochverfügbare Grid-Dienste bereit, die von verschiedenen Experiment-Kollaborationen verwendet werden.

Um die Verwendung von Computer-und Speicherressourcen zu optimieren, entwickelt das KIT effektive Algorithmen und optimiert Software, um physikalische Problemstellungen der Teilchen- und Astroteilchenphysik zu lösen.

KSETA PI Ansprechpartner ist Achim Streit.

Für das KATRIN-Experiment werden bisher beispiellose Hochvakuumsysteme und große supraleitende Magnetsysteme entworfen und in Betrieb genommen. Der Standort des KATRIN Experiments ist das KIT, wo die einzigartige Kompetenz des Tritiumlabors Karlsruhe (TLK) zur Verfügung steht. Das TLK ist das einzige wissenschaftliche Labor, das mit einem geschlossenen Tritiumkreislauf ausgestattet ist.

Mit dem Nachweis von Radiosignalen aus Luftschauern werden dem Studium der kosmischen Strahlung vielversprechende Wege eröffnet. Diese Technologie wird im Pierre Auger-Observatorium mit dem Antennenfeld AERA entwickelt. Darüber hinaus werden neuartige Lichtsensoren (SiPM) getestet und in Prototypen eingesetzt.

Die Kälte- und Kryotechnik findet sich in einigen der Forschungsthemen wieder. Sie ist in diesen Themen i.d.R. eine Basistechnologie („enabling technology“), um bestimmte physikalische Effekte auszunutzen (z.B. die Supraleitung). 

KSETA PI Ansprechpartner sind Jürgen Becker, Beate Bornschein, Ralph Engel, Steffen Grohmann, Andreas Haungs, Bernhard Holzapfel, Tim Huege, Bianca Keilhauer, Matthias Kleifges, Andreas Kopmann, Ivan Perić, Markus Roth, Oliver Sander, Sascha Wüstling, Sebastian Kempf, Torben Ferber, Frank Hartmann, Ulrich Husemann, Markus Klute, Magnus Schlösser und Frank Simon.

Auf dem Gelände des Karlsruher Institut für Technologie, befindet sich die Synchrotronstrahlungsanlage KARA in einer ca. 5000 m² Halle. Dort werden Elektronen in einem Speicherring auf nahezu Lichtgeschwindigkeit (2.5 GeV) beschleunigt. Um die produzierte Strahlung nutzen zu können, sind am Speicherring Strahlrohre (Beamlines) angebaut, die in optische Hütten führen, wo der für das entsprechende Experiment benötigte spektrale Wellenlängenbereich und Strahlenquerschnitt aus dem Synchrotronlicht heraus selektiert wird. In den Messstationen sind moderne Analysegeräte für den harten und weichen Röntgenbereich sowie den UV, sichtbaren und Infrarotbereich vorhanden.

Die Beschleuniger-Gruppe an KARA ist für den Betrieb und die Weiterentwicklung des Beschleunigers verantwortlich. Dies umfasst den Speicherring, sowie den Booster. Die Beschleunigerforschung an KARA umfasst verschiedenste Bereiche innerhalb „single and multi-particle beam dynamics and optics“. Sie beinhaltet die Gestaltung  und die Entwicklung neuer optischer Gitter für Speicherringe, als auch die Arbeit an neuen Betriebsarten wie dem „dedicated low alpha mode for the production of short bunches.

Desweiteren arbeitet KARA an der Entwicklung einer Testanlage (FLUTE) für Linearbeschleuniger.

KSETA PI Ansprechpartner sind Andreas Kopmann, Anke-Susanne Müller, Oliver Sander und Frank Simon.

Fortschritt und wissenschaftliche Erkenntnis im Bereich der Elementar- und Astroteilchenphysik geht sehr häufig mit der Entwicklung neuer Sensortechnologien und Detektorsysteme einher. Vor diesem Hintergrund sind die kontinuierliche Weiterentwicklung bestehender Detektorsysteme sowie die Entwicklung vollkommen neuartiger Sensortechnologien unabdingbar und liegen im Kern der Forschungsaktivitäten von KSETA. Der Einsatz der besten Halbleitertechnologien sowie von exzellenten analogen und programmierbaren digitalen Elektroniklösungen ist essenziell für Detektorsysteme in physikalischen Experimenten und Großforschungseinrichtungen. Mit diesen Messsystemen gilt es die Grenzen der Auflösung in Zeit, Raum und Energie zu verschieben. Darüber hinaus werden in KSETA effiziente Auslesemodule entwickelt, um die stetig steigenden Datenraten zu erfassen. Integrierte intelligente Triggeralgorithmen sind dabei der Schlüssel, um aus der Datenflut in den Experimenten physikalische Informationen zu extrahieren. Interdisziplinäre Teams von Ingenieuren, Informatikern und Physikern arbeiten in KSETA zusammen, um das breite Spektrum an notwendigen Arbeitsgebieten abzudecken. Ganz wesentlich sind dabei Sensor- und Ausleseelektronik, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), photonische Bauelemente für die Integration optischer Übertragungsmedien, die massiv parallele verteilte Datenverarbeitung in Echtzeit, Signalverarbeitung und Hochfrequenztechnik. Für viele Experimente in der Grundlagenforschung reicht die Auflösung „konventioneller“ Detektorsysteme aufgrund physikalischer Grenzen nicht aus, um eine Fragestellung mit der notwendigen Präzision zu beantworten. In diesen Fällen kommen vermehrt Supraleiter-basierte Quantentechnologien zum Einsatz, die oftmals um Größenordnungen bessere Auflösungen erreichen können. Die Aktivitäten in KSETA decken auch für diese Sensoren, die Nahe des absoluten Temperaturnullpunktes betrieben werden, die volle Signalverarbeitungskette vom Sensor, über die Auslese mittels kryogener Multiplexverfahren bis hin zur Datenverarbeitung und Aufnahme in Echtzeit ab.

KSETA PI Ansprechpartner sind Jürgen Becker, und Sebastian Kempf, Andreas Kopmann, Ivan Perić, Oliver Sander, Sascha Wüstling, Torben Ferber, Ulrich Husemann und Frank Simon.

Neuartige Instrumente und Detektoren spielen eine Schlüßelrolle für zukünftige Forschung in der Elementarteilchenphysik und in nahezu allen Bereichen der Wissenschaft.  Doch die erhöhten Datenraten solcher Gerätschaften übersteigen deutlich den Leistungszuwachs moderner Speichersysteme und stellen somit eine erhebliche Herausforderung für deren Entwicklung dar. Darum werden Online-Datenverarbeitung und -Reduktion noch entscheidender für kommende Generationen von Detektorsystemen. Das neuartige Modell der "Software Defined Data Acquisition" zielt darauf ab, mit Methoden des HPC und Cloud Resourcen, fortschrittlichere Datenerfassungssysteme zu entwickeln als es mit traditionellen Methoden bisher möglich ist. Schlüsselrolle dieser Forschung umfassen Netzwerke mit geringer Latenz; Scheduling und Datenfluss Management; Paralleles-, Heterogenes- und Approximierendes- Computing; Quantenalgorithmen; Fortschrittliche Datenbanktechnologien, Prozessteuerungsumgebungen und Orchestrierungssysteme.

KSETA PI Ansprechpartner ist Andreas Kopmann und Frank Simon.