Forschungsprofil

Das MPI für Kernphysik befasst sich mit der experimentellen und theoretischen Grundlagenforschung auf zwei zukunftsträchtigen Forschungsgebieten:

Synergien von Teilchenphysik und Astrophysik (Astroteilchenphysik) und
Vielteilchendynamik von Atomen und Molekülen (Quantendynamik).

Derzeit gibt es fünf Abteilungen mit den Direktoren

• Prof. Dr. Klaus Blaum (Gespeicherte und gekühlte Ionen),
• Prof. Dr. Werner Hofmann (Teilchenphysik und Hochenergieastrophysik),
• Hon.-Prof. Dr. Christoph H. Keitel (Theoretische Quantendynamik in starken Laserfeldern),
• Prof. Dr. Manfred Lindner (Teilchen- und Astroteilchenphysik),
• Prof. Dr. Joachim H. Ullrich (beurlaubt; kommissarische Leitung: Prof. Dr. K. Blaum) (Experimentelle Mehrteilchen-Quantendynamik),

sowie fünf Nachwuchsgruppen und weitere Forschergruppen.

Astroteilchenphysik

Die Hochenergie-Astrophysik am MPIK befasst sich mit der Beobachtung hochenergetischer Photonen – sogenannter Gammastrahlung – aus dem Kosmos mit dem H.E.S.S.-Teleskopsystem in Namibia. Mit dieser Gammastrahlung können kosmische Teilchenbeschleuniger aufgespürt und untersucht werden. Der Standort auf der Südhemisphäre ermöglicht dabei einen direkten Blick auf das besonders interessante Zentrum der Milchstraße. Die Beobachtungen mit H.E.S.S. zeigen erstmals, dass es in unserer Galaxis zahlreiche Quellen solch hochenergetischer Strahlung gibt und öffnen damit ein neues Fenster auf das Universum.

Eng damit verbunden sind theoretische Arbeiten zur Funktionsweise kosmischer Beschleuniger und zur Erzeugung der Gammastrahlen in Kollisionen der beschleunigten Elementarteilchen mit interstellarer Materie. Weitere astrophysikalische Arbeiten befassen sich mit Beob­achtungen des interstellaren Staubs im fernen Infrarotlicht.

Der Ursprung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie wird von Forschern des MPIK im Rahmen des LHCb-Experiments am Large Hadron Collider des CERN in Genf untersucht. Die Eigenschaften von Antimaterie werden mit Präzisionsexperimenten in Fallen ermittelt.

Die theoretischen Arbeiten zur Teilchen- und Astroteilchenphysik betreffen phänomenologische Fragen zur Neutrinophysik, zur Natur von Dunkler Materie und Dunkler Energie und deren kosmologische Auswirkungen, z. B. direkt nach dem Urknall. Die Verbindung von Ergebnissen der Neutrinophysik, der Astroteilchenphysik und von Beschleunigerexperimenten liefert direkte und indirekte Hinweise auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Ziel ist ein tieferes Verständnis der fundamentalen Naturgesetze.

Mit dem XENON-Experiment sind Wissenschaftler des MPIK an der Suche nach WIMPs, den vermuteten Teilchen der Dunklen Materie, beteiligt. Weiterhin wirken sie an drei internationalen Großexperimenten der Neutrinophysik mit. Der Sonnenneutrino-Detektor Borexino blickt vom Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien live in das Sonneninnere. GERDA hat 2011 mit der Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall in Germaniumkristallen begonnen. Das Neutrino-Oszillationsexperiment Double Chooz nutzt Neutrinos aus Kernreaktoren in Frankreich, um den periodischen Wechsel zwischen den drei Neutrino-Arten zu erforschen.

Quantendynamik

Im Mikrokosmos, der Welt der Elementarteilchen, Atome und Moleküle, gelten die Gesetze der Quantentheorie mit ihren faszinierenden Effekten.

Das MPIK entwickelt und betreibt Apparaturen zur Erzeugung und Speiche­rung von Ionen – elektrisch geladenen Atomen oder Molekülen: die Beschleuniger, den Schwerionenspeicherring (TSR), Elektronenstrahl-Ionenfallen (EBIT) und Präzisions-Penning-Fallen. Darin lassen sich an gefangenen, zum Teil hochgeladenen Ionen fundamentale Eigenschaften sehr genau bestimmen. Hochgeladene Ionen werden im Universum an vielen Orten mit extrem hohen Temperaturen spektroskopisch beobachtet. Extrem präzise Messungen der Massen von einzelnen Atomkernen, auch wenn sie schon nach kurzer Zeit zerfallen, lassen uns verstehen, wie sich schwere Elemente im Universum gebildet haben, beleuchten die Frage nach der Häufigkeit der Elemente und dienen nicht zuletzt der Bestimmung von Naturkonstanten und der Überprüfung des Standardmodells der Teilchenphysik.

Derzeit wird ein neuer, weltweit einzigartiger, kryogener Speicherring (CSR) aufgebaut, der bei einer Temperatur von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt betrieben wird und damit erstmals auf der Erde Bedingungen realisiert, wie sie zum Beispiel in interstellaren Wolken herrschen. Hier werden organische Moleküle beobachtet, und man möchte verstehen, wie sich diese in den Weiten des Weltraums bilden können.

Einen Schwerpunkt der theoretischen Quantendynamik bilden Rechnungen zur Wechselwirkung von Atomen oder Molekülen mit hochintensiven Laserfeldern. Teilchen werden dabei so schnell, dass die Effekte der Einstein‘schen Relativitätstheorie eine wichtige Rolle spielen. Mit extrem starken Lasern lassen sich Ionen beschleunigen und es können sogar kernphysikalische Prozesse ablaufen. Außerdem stellt sich das Vakuum als nicht leer heraus. Sehr starke Felder polarisieren das Vakuum und verändern seine optischen Eigenschaften oder ionisieren es sogar, so dass neue Teilchen entstehen. Die „Struktur des Vakuums“ wird im Rahmen der Quantenelektrodynamik beschrieben, und deren Vorhersagen werden am MPIK mit höchster Präzision in Ionenfallen, wie der EBIT oder Penning-Fallen, überprüft.

Mit Reaktionsmikroskopen, die am MPIK entwickelt wurden, lässt sich beobachten, wie Moleküle schwingen, rotieren, ja sogar wie sie sich während einer chemischen Reaktion bewegen. Dies geschieht innerhalb weniger Femtosekunden: dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Solch kurze Lichtblitze stehen in den Laserlaboren am MPIK zur Verfügung. Experimente mit ultrakurzen Röntgen-Lichtblitzen werden am FLASH des DESY in Hamburg und am LCLS in Stanford durchgeführt, den ersten Freie-Elektronen-Lasern weltweit. Noch kürzere Pulszeiten, mit denen sich auch die Bewegung von Elektronen in sogenannten Pump-Probe-Experimenten verfolgen lässt, werden mit speziellen nichtlinearen optischen Methoden oder beim Beschuss von Atomen oder Molekülen mit schnellen geladenen Teilchen z. B. an den Beschleunigeranlagen der GSI in Darmstadt erzielt.