Festschrift zum 50. Geburtstag des III. Physikalischen Instituts

Transcrição

Das III. Physikalische Institut 16.9.1963 - 16.9.2013
III. Physikalisches
Institut B
Das „Aachen Event“
zur Entdeckung der
neutralen schwachen
Ströme (1973)
Festschrift zum 50. Geburtstag
des III. Physikalischen Instituts
Martin Erdmann, Thomas Hebbeker, Jörg Pretz, Achim Stahl, Christopher Wiebusch
Mit der Berufung und dem Amtsantritt von Prof. Helmut Faissner am 16.9.1963 wurde das III. Physikalische Institut an der RWTH Aachen gegründet. Jetzt feiern wir den 50. Geburtstag des Instituts!
Leitlinie unseres Instituts war und ist die Erforschung der elementaren Teilchen und ihrer Wechselwirkungen bei den höchsten Energien. In den vergangenen 50 Jahren haben viele Mitarbeiter des
Instituts eine große Zahl internationaler Experimente an den weltweit größten Beschleunigeranlagen
und Observatorien für kosmische Teilchen aktiv mitgestaltet. Ihre Forschungsbeiträge liegen in den
Bereichen Beschleuniger, Detektoren, Computing, Datenanalysen und theoretische Berechnungen.
Ermöglicht werden substanzielle Beiträge durch die großen Institutswerkstätten, die leistungsfähige
Rechnerinfrastruktur und die starke Unterstützung durch Forschungsmittel, die sorgfältig verwaltet
und eingesetzt werden.
Diese Festschrift berichtet über Forschung, Lehre und wissenschaftliche Erkenntnisse von der Entdeckung der neutralen schwachen Wechselwirkung bis zur Entdeckung eines neuen Teilchens – wahrscheinlich des lang gesuchten Higgs-Teilchens.
Das III. Physikalische Institut 16.9.1963 - 16.9.2013
III. Physikalisches
Institut B
Editoren:
Martin Erdmann, Thomas Hebbeker, Markus Merschmeyer, Oliver Pooth, Anne Schukraft, Martin Weber
Autoren:
Historisches
Albrecht Böhm, Günter Flügge, Raimund Honecker, Markus Merschmeyer, Dieter Rein
Teilchenphysik an Beschleunigern
Albrecht Böhm, Günter Flügge, Thomas Hebbeker, Raimund Honecker, Thomas Kreß, Gerd Otter, Oliver Pooth,
Jörg Pretz
Neutrinophysik
Stefan Roth, Christopher Wiebusch
Astroteilchenphysik
Martin Erdmann, Matthias Plum, Christopher Wiebusch
Detektorentwicklung
Martin Erdmann, Gisela Hürtgen, Karim Laihem, Ronja Lewke, Matthias Plum, Oliver Pooth, Dieter Rein, Stefan Roth, Christopher Wiebusch
Computing
Martin Erdmann, Thomas Kreß
Lehre und Öffentlichkeitsarbeit
Martin Erdmann, Günter Flügge, Oliver Pooth
Verwaltung und Werkstätten
Markus Merschmeyer
Institutsleben
Raimund Honecker, Thomas Kreß, Markus Merschmeyer, Dieter Rein
Listen
Claudia Cüster-Weiger, Adriana Del Piero, Herbert Gräßler, Ruth Jansen, Oliver Pooth, Dieter Rein
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HISTORISCHES
Historisches
von Markus Merschmeyer mit Beiträgen von Albrecht Böhm, Günter Flügge, Raimund Honecker und Dieter Rein
Die Vorgeschichte
von Raimund Honecker
Rein administrativ war 1963 das Geburtsjahr des III. Physikalischen Instituts der RWTH Aachen mit der Berufung von
Prof. Helmut Faissner. Aber es gab da noch eine pränatale
Phase von erheblicher Bedeutung. Sie war der Grundstein
dafür, dass das Institut letztendlich zu einem Zwilling wurde
bei einer „Schwangerschaftsdauer“ von etlichen Jahren. Und
das kam so:
Am Anfang war das einzige Physikinstitut der RWTH das
„Physikalische Institut“, angesiedelt in der unteren Hälfte des
Rogowski-Baues in der Schinkelstraße mit seinem Direktor
Prof. Wilhelm Fucks, einem leidenschaftlichen Forschungspolitiker ersten Ranges. Auf sein Rektorat in den Jahren 195052 geht z. B. der Bau des Auditorium Maximum in der
Wüllnerstraße zurück, bis heute wichtigster Hörsaalbau für
Vorlesungs- und Vortragsveranstaltungen, ferner zentraler
Ort der legendären Fucks’schen Karnevalsvorlesungen.
Fucks war nämlich von seiner Herkunft „ene echte Kölsche
Jung“.
Fucks’ Aktivitäten erstreckten sich nach dem Krieg mehr
und mehr forschungspolitischen Zielen (er war u.a. Mitgründer der Kernforschungsanlage KFA in Jülich, des heutigen
Forschungszentrums Jülich). Sein eigentliches Forschungsfeld,
die Gasentladungsphysik, über die er Anfang der 30er Jahre
selbst promoviert hatte, stand nicht mehr im Fokus physikalischer Forschung. Schon längst stand in aller Welt an den
modernen Instituten die Kernphysik im Vordergrund, Untersuchungen von Kernstrukturen, die Entwicklung von
Kernmodellen und die Mechanismen von Kernreaktionen.
Dies erkannte sehr schnell Wilhelm Fucks’ kluger Assistent
Dr. Hermann Jordan, ein in Münchner Schule blendend
ausgebildeter Physiker, und begründete Mitte der 50er Jahre
mit Fucks’ breiter Unterstützung eine Kernphysikgruppe,
bestehend zunächst aus einer stattlichen Anzahl ausgewählter Diplomanden – dem späteren wissenschaftlichen Stamm
des Instituts IIIB.
Wilhelm Fucks, ein Physiker mit visionären Zügen und stets
voller neuer Ideen, erkannte sehr wohl die Zeichen der Zeit
in der physikalischen Forschung. Ausgehend von seinem
Lieblingsgebiet Gasentladungsphysik gründete er eine Forschungsgruppe Plasmaphysik und träumte bereits von einem
thermonuklearen Fusionsreaktor. Er berief seinen tüchtigen
Assistenten zum Leiter dieser Gruppe und siedelte letztere in
der von der TH angemieteten „Alte Aachener Tuchfabrik“
in der Charlottenstraße 14 an. Zum Leiter der bereits bestehenden Kernphysikgruppe berief er dann 1957 Dr. Martin
Deutschmann aus Göttingen.
Martin Deutschmann, schlesischer Herkunft, hatte in Berlin
über Messungen der Höhenstrahlung mit selbst gebauten
Wilsonkammern bei Hans Geiger promoviert, jenem Forscher, dessen Name jedem Studierenden im Geiger-MüllerZählrohr begegnet. Nach dem Krieg setzte Deutschmann
seine Arbeiten bei Wolfgang Gentner fort, einem der Mitgründer des CERN. In jener Zeit wandte sich ein blutjunger
Student namens Volker Soergel an ihn, „um ein bisschen
löten zu lernen“. Dass daraus einmal der spätere DESY-Ge-
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neraldirektor werden sollte, war damals nicht abzusehen.
Anfang der 50er Jahre führte Deutschmann seine Arbeiten
im Institut von Werner Heisenberg in Göttingen fort.
Martin Deutschmann war ein Experimentalphysiker mit
ausgeprägter physikalischer Intuition, einem feinen Gespür
für physikalische Vorgänge und einem ungemeinen Ideenreichtum, was ihn zu gleichzeitigen und vielfältigen Aktivitäten befähigte. Sein Herz schlug zweifellos für die Hochenergiephysik, aber er führte bis Anfang der 70er Jahre auch die
kernphysikalischen Arbeiten weiter, gründete auf Drängen
seines Mentors Wilhelm Fucks eine Forschungsgruppe Plasmaphysik und entwickelte halbautomatische Messeinrichtungen für Blasenkammerfilme, vorausschauend auf große
Datenmengen. Daneben war er selbst am Bau einer Blasenkammer mit gepulstem Magnetfeld beteiligt bei gleichzeitiger Wirkung von Expansion und Spurkrümmung.
Seine inzwischen recht umfangreiche Gruppe bekam offiziell
die Bezeichnung „Physikalisches Institut der TH Abteilung
Kernphysik“.
Im Oktober 1960 zog die Gruppe vom Rogowski-Bau in die
„Alte Aachener Tuchfabrik“, Charlottenstraße 14, nachdem
dieser Bau nach einem verheerenden Brand wieder hergestellt war. Die Fucks’sche Plasmagruppe zog zur KFA nach
Jülich.
Das hauptsächliche Augenmerk der Aktivitäten der Hochenergiegruppe richtete sich auf Blasenkammer-Experimente
bei mehreren GeV am DESY und am CERN. Während
dessen liefen im Institut die übrigen experimentellen Entwicklungen weiter. Bei der Proklamation des III. Physikalischen Instituts 1963 mit Beginn der Aktivitäten von Helmut
Faissner waren beim Institut von Martin Deutschmann bereits γp-, γd- und πp-Runs gelaufen und bereits die ersten
Promotionen abgeschlossen.
Die frühen Jahre: Neutrinos und Blasenkammern
(1963 bis etwa 1980)
Das Geburtsdatum des III. Physikalischen Instituts ist der 16.
September 1963. An diesem Tag wurde Dr. Helmut Faissner
als Professor und Lehrstuhlinhaber an die Technische Hochschule Aachen berufen. Kurz danach setzte er Hubert Geller
als Institutsverwalter ein, dieser begann darauf, das Institut,
welches in einem ehemaligen Philips-Gebäude in der Jägerstraße untergebracht wurde, durch Personaleinstellungen
und Raumbeschaffung mit Leben zu füllen. Bald wurden
außerdem erste Vorbereitungen zum Bau eines eigenen Institutsgebäudes getätigt, diese führten später schließlich zum
Bau des Physikzentrums in Seffent/Melaten. Im folgenden
Jahr wurden dann das Sekretariat und die Werkstätten aufgebaut und ausgerüstet, außerdem begann der Lehrbetrieb.
Am 31. Januar 1966 wurde Dr. Martin Deutschmann zum
Ordinarius ernannt und am 12. Mai 1967 schließlich zum
weiteren Direktor des III. Physikalischen Instituts berufen.
Das Institut wurde noch im selben Monat administrativ in
„IIIA“ (Faissner) und „IIIB“ (Deutschmann) getrennt. Somit
war der Zwilling perfekt. Die Verwaltung bei IIIB übernahm
Dr. Raimund Honecker. Die endgültige Differenzierung aller
HISTORISCHES
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Institute für Experimentalphysik in IA, IB, IC, IIA, IIB, IIIA
und IIIB geschah erst einige Jahre später nach der Emeritierung von Wilhelm Fucks.
Mit der Berufung von Dr. Rudolf Rodenberg als wissenschaftlicher Rat und Professor für theoretische Elementarteilchenphysik am 18. Oktober 1966 und dem darauf folgenden Aufbau einer theoretischen Arbeitsgruppe, die ab
1968 in der Vinzenzstraße untergebracht war, war das III.
Physikalische Institut gewissermaßen vollständig.
Vom Sommer 1969 bis zum Herbst 1970 wirkte Helmut
Faissner als Rektor der RWTH. In seine Amtszeit fielen insbesondere das 100-jährige Jubiläum der RWTH sowie die
Beschlüsse über den Bau des Seminargebäudes an der Wüllnerstraße und den Komplex des Kármán-Auditoriums.
Im August 1972 wurde Dr. Gerd Otter Professor bei IIIB. Im
darauf folgenden Jahr zog die Theorieabteilung um in die
Jägerstraße. Ein weiteres Jahr später, im August 1974, wurde
Dr. Albrecht Böhm Professor bei IIIA und analysierte Experimente am Speicherring ISR zur Messung des elastischen
und totalen p-p-Wirkungsquerschnitts.
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Die räumliche Trennung der beiden Institute endete in den
Jahren 1975/76 mit dem gemeinsamen Einzug in zwei benachbarte Flügel der zweiten Etage des Physikzentrums. Die
Werkstätten folgten im Jahr 1977.
Neben der anfänglichen räumlichen Trennung waren die
beiden Institute IIIA und IIIB auch intern fachlich getrennt:
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Helmut Faissner, von Neutrino-Experimenten im CERN
herkommend, hatte die schwache Wechselwirkung zum Forschungsziel während sich Martin Deutschmann, von der
Höhenstrahlungsphysik kommend, der Suche nach neuen
Teilchen und Resonanzen widmete, also die Untersuchung
der starken Wechselwirkung verfolgte. Arbeitstechnisch gab
es jedoch trotz räumlicher Trennung wichtige übergreifende
Aktivitäten. Den Antrieb hierzu bot nicht zuletzt im Jahr
1965 die Installation eines Rechners PDP6 im Institut IIIB
zur Bewältigung der umfangreichen Blasenkammer-Datenmengen. Der Rechner stand beiden Instituten sowie auch
anderen Hochschuleinrichtungen offen.
Die Untersuchungen von Neutrino- und Antineutrino-Nukleon-Wirkungsquerschnitten mit Funkenkammern am
CERN waren der Grund für den Ruf Faissners an die
RWTH gewesen, sie wurden etwa 1966 abgeschlossen.
Anschließend studierte man bei IIIA die kurz zuvor entdeckte CP-Verletzung in Zerfällen neutraler Kaonen, zuerst im
„Aachen-CERN-Rutherford“-Experiment (1964-1971), später in weiteren Experimenten, bei denen auch die in Aachen
entwickelten Drahtfunkenkammern zum Einsatz kamen
(1966-1974). Hier begann auch die Zusammenarbeit mit
Prof. Carlo Rubbia, dem späteren Nobelpreisträger und Ehrendoktor der RWTH.
Parallel dazu betrieb man im Institut IIIB seit Anfang der
60er Jahre Hadronenspektroskopie mit Hilfe von Blasenkammern. Experimente hierzu fanden vor allem am CERN,
später aber auch am IHEP in Protvino (1960-1982) statt. Die
Aachener Gruppe fand eines der ersten Ω--Baryonen, ein
wichtiges Indiz für die damals noch umstrittene SU3-Klassifikation. Ab 1965 beteiligte sich auch IIIA an Blasenkammerexperimenten, z. B. bei der X2-Kollaboration (bis 1970).
Hier „näherte“ man sich den Quarks über das Studium der
Zerfälle geladener Kaonen.
Ein erstes Experiment, welches die kosmische Höhenstrahlung statt eines Beschleunigers nutzte und nach freien
Quarks suchte, wurde zwischen 1968 und 1974 mit einem
Detektor (einem Vorläufer der heutigen Driftkammern) in
der Garage des Institutsgebäudes in der Jägerstraße durchgeführt. Die Empfindlichkeit des Detektors auf Quarks der
Ladung 1/3 und 2/3 der Elementarladung e war sehr hoch,
jedoch zeigten sich leider keine freien Quarks, sei es als Einzelteilchen oder als Begleiter in hochenergetischen Luft-
HISTORISCHES
schauern.
Ab 1971 beteiligte man sich an Proton-Proton-Streuexperimenten am gerade fertiggestellten Speicherring ISR des
CERN, bei dem zwei Protonenstrahlen in entgegengesetzter
Richtung aufeinander treffen. So erzielte man eine viel höhere Schwerpunktsenergie als mit einfachen Beschleunigern.
Man konnte dadurch viele Prozesse bei kleineren Abständen
vermessen. Die Resultate reichten vom elastischen und inelastischen Wirkungsquerschnitt der Protonen bis hin zum
Studium der Hadronen-Jets (bis 1980).
Die Rückkehr zur Neutrinophysik erfolgte 1970 durch Dr.
Klaus Schultze, dessen Gruppe der Gargamelle-Kollaboration beitrat. Mit dieser Blasenkammer untersuchte man die
neutralen Ströme und wurde kurz vor Weihnachten 1972
auch fündig: Die Aufnahme einer Myon-Antineutrino-Elektron-Streuung ging als „Aachen event“ in die Geschichte ein.
Um eine größere Anzahl von Ereignissen in der verbleibenden Strahlzeit am Neutrino-Strahl untersuchen zu können
und um den Untergrund durch Streuereignisse im massiven
Magneten der Blasenkammer zu vermeiden, verwendete
man in der Aachen-Padua-Kollaboration ab 1974 bis 1982
optische Funkenkammern an Stelle einer Blasenkammer.
Man fand immerhin etwa ein Dutzend Myon-AntineutrinoElektron-Streuereignisse als Bestätigung des Befunds in der
Blasenkammer und man konnte erstmals die Partnerreaktion
am Myon-Neutrino-Strahl nachweisen, mit etwa ein Dutzend gefundenen Myon-Neutrino-Elektron-Streuereignisse.
Helmut Faissner und seiner Arbeitsgruppe gelang es 1976
(8.-12. Juni), die Weltspitze der Neutrinoforschung in Aachen
zu versammeln. Die Konferenz hatte großen Einfluss auf die
Zukunft des Fachgebiets, hier stellte z. B. Carlo Rubbia seine
Idee eines Proton-Antiproton-Colliders vor. Dies sollte ihm
später den Nobelpreis einbringen.
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Nach der Fertigstellung des SPS am CERN ging dort die
nächste Blasenkammergeneration an den Start. Ab 1977
wertete man bei IIIA und IIIB gemeinsam Ereignisse von
BEBC aus. Hier kamen zum ersten Mal computergesteuerte,
halbautomatische Messtische zum Einsatz.
Dass sich die Arbeiten dieser Jahre gelohnt haben, zeigen
auch die Preise, die Mitglieder des Instituts für ihre Beiträge
zur Physik erhielten: Im September 1975 wurde Dr. Dieter
Haidt für seine Bestimmung des Neutronenuntergrundes bei
der Suche nach den neutralen Strömen mit dem Physikpreis
der DPG ausgezeichnet. Vier Jahre später, im September
1979, ging diese Auszeichnung an Dr. Hans Reithler, der
entscheidende Beiträge zur Messung des ν̄μ -e-Wirkungsquerschnitts geleistet hatte. Im Mai 1980 schließlich wurde Helmut Faissner durch die deutschen und englischen Physikalischen Gesellschaften für die Entdeckung der neutralen
Ströme mit dem Max-Born-Preis ausgezeichnet.
Standardmodell und Nukleonstruktur (nach 1976 bis
etwa 2004)
Nach den Jahren des Institutsaufbaus gab es in den 80er und
90er Jahren weniger personelle Veränderungen: Im Januar
1980 wurde Dr. Klaus Schultze Professor bei IIIA und im
Oktober desselben Jahres kam der Theoretiker Dr. Saul Barshay als Gastprofessor nach Aachen. Im Januar 1984 wurde
Prof. Martin Deutschmann emeritiert, für ihn folgte im November 1986 Prof. Günter Flügge. Prof. Helmut Faissner
wurde im Juli 1993 emeritiert, im Oktober desselben Jahres
übernahm Prof. Siegfried Bethke dessen Lehrstuhl. Prof.
Rudolf Rodenberg ging im Februar 1995 in den Ruhestand.
Dies hatte auch die Auflösung der theoretischen Abteilung
73#T "01?: -882"7 "- !"7 74%2?2+ !"7 ,"2"7 "?:7-23X im III. Physikalischen Institut zur Folge, die verbleibenden
/32#"7"2E `hfe -1 3:"2 4780 Y?!-1CX"?!"ZT ,3:3S Mitarbeiter wurden von der Experimentalphysik übernom11
men oder dem Institut für Theoretische Teilchenphysik der
Fachgruppe Physik zugeordnet.
Ein Jahr später, vom 29.-31. März 1977, organisierten Martin Deutschmann und Klaus Schultze die Frühjahrstagung
des Fachverbands Teilchenphysik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Aachen. Diese stand ganz im Zeichen
der erst kurz zuvor entdeckten neuen Teilchen, dem CharmQuark (1974) und dem τ-Lepton (1975).
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HISTORISCHES
erstmalig sogenannte Myonkammern bei. Auf Grund der
dabei gesammelten Erfahrungen war man auch später, beim
L3- und CMS-Experiment, wieder am Bau solcher Detektoren beteiligt. Ende 1982 hatte man bei UA1 endlich eine
Handvoll Ereignisse mit dem Zerfall eines W-Bosons beisammen. Dies brachte Carlo Rubbia und Simon van der
Meer 1984 den Nobelpreis ein.
Im Jahr 1982 vereinbarten das I. Physikalische Institut B
(Profs. Lübelsmeyer und Schmitz) sowie die III. Physikalischen Institute A und B mit den Professoren Böhm,
Deutschmann und Schultze die gemeinsame Teilnahme am
L3-Experiment, welches am LEP-Beschleuniger des CERN
aufgebaut wurde. Beschleuniger und Experimente gingen
1989 in Betrieb und ermöglichten in den darauf folgenden
Jahren eine Vielzahl von Tests des Standardmodells. Durch
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die Berufung von Siegfried Bethke gab es dazu auch eine
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Beteiligung am OPAL-Experiment, welches ebenfalls am
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LEP aufgebaut war.
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Auch die Theorie ist hier stark involviert, man widmet sich
der Erforschung von Symmetrieprinzipien und neuen PhäDie in dieser Zeit durchgeführten physikalischen Experimen- nomenen bei hohen Energien, wie sie eben bei LEP erreicht
te und Detektorentwicklungen standen ganz im Zeichen des werden. Später kommen auch wichtige Beiträge für die Susich entwickelnden Standardmodells und der Aufklärung der che nach neuer Physik in seltenen B-Zerfällen dazu.
Struktur der Materie. Die immer komplexer werdenden phy- Den Aufbau des Protons untersuchte man ab Anfang der
sikalischen Fragestellungen führten dabei auch zu immer 90er Jahre mit dem Beschleuniger HERA am DESY in
größer werdenden Experimenten und Kollaborationen.
Hamburg. Hier war das Institut IIIB unter Leitung von GünIm Jahr 1976 schloss man sich unter Leitung von Prof. Alb- ter Flügge seit Mitte der 80er Jahre am Aufbau und später
recht Böhm dem Mark-J-Experiment an, welches am Spei- an den Analysen des H1-Experiments beteiligt.
cherring PETRA des DESY in Hamburg unter der Leitung Am SINDRUM-Experiment am PSI beteiligte sich IIIB seit
von Prof. Samuel C. C. Ting vom MIT durchgeführt wurde 1986 mit Gerd Otter und dessen Arbeitsgruppe. Bis Anfang
und in Elektron-Positron-Kollisionen nach Quarks und
der 90er Jahre suchte man hier nach leptonzahlverletzenden
Gluonen suchte. Ting bekam noch im selben Jahr den NoZerfällen des Myons.
belpreis für die Entdeckung des Charm-Quarks im Jahr
Auch am AMS-Experiment, welches durch Initiative von
1974. 2004 wurde er zum Ehrendoktor der RWTH ernannt.
Samuel C.C. Ting zustande gekommen war, beteiligten sich
Für Mark-J baute Aachen das Hadron-Kalorimeter, welches
die Institute IB und IIIB. Nachdem der Prototyp AMS-01
sich als entscheidend für die Gluon-Entdeckung erwies. Zudie Funktion eines weltraumbasierten Teilchendetektors erdem wandte man sich mit der Untersuchung der Z/γ-Interfolgreich demonstriert hatte, wurde im Institut IIIB durch
ferenz auch bei diesem Experiment wieder dem Studium der
Prof. Flügge und Dr. Commichau Elektronik für das Nachneutralen Ströme zu.
folgeexperiment AMS-02 entwickelt.
Zwischen 1981 und 1986 beteiligte man sich durch Klaus Durch die Gruppe von Prof. Schultze wurden auch ForSchultze und seine Arbeitsgruppe an Experimenten der „Eu- schungsaktivitäten außerhalb der Teilchenphysik verfolgt.
ropean Muon Collaboration“ (NA9 und NA28). Hier ging es Man arbeitete hier an der Entwicklung und Einführung eium nukleare Strukturfunktionen. Parallel dazu suchte die ner Brennstoffkennzahl, welche die Energieeffizienz von GeFaissner-Gruppe von 1980 bis 1986 am Kernforschungszen- bäuden beschreibt.
trum Jülich (KFA) und beim Schweizer Institut für Nuklear- Die Leistungen der Aachener Physiker fanden auch im Verphysik (SIN), einem Vorgänger des heutigen Paul-Scherrer- lauf der 80er Jahre weitere Anerkennung: Die Ungarische
Instituts (PSI) nach Axionen, hypothetischen Teilchen. Bei Physikalische Gesellschaft verlieh Helmut Faissner am 14.
diesem Experiment fertigte auch Ranga Yogeshwar, der heu- Juni 1982 für seine Beiträge zur Neutrinoforschung und für
te durch seine Öffentlichkeitsarbeit und als Fernsehjournalist die Organisation der Neutrino-Konferenz von 1976 eine
bekannt ist, seine Diplomarbeit an.
Medaille. Am 28. Oktober 1984 wurde er außerdem zum
Einen gänzlich neuen Detektortyp entwickelten schon seit Fellow der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft eretwa 1973 Martin Deutschmann und seine Arbeitsgruppe. nannt. Den Physikpreis der DPG erhielten am 13.März 1985
Der Übergangsstrahlungsdetektor („Transition-Radiation Prof. Karsten Eggert, Dr. Traudl Hansl-Kozanecka und Dr.
Detector“ (TRD)) zur Trennung von Pionen und Kaonen Ernst Radermacher sowie Dr. Hans Hoffmann vom CERN
bei hohen Impulsen fand als Erstes beim „European Hybrid in Anerkennung ihrer Beiträge zur Entdeckung der W- und
Spectrometer“ (EHS) am CERN Verwendung. Aktuell wer- Z-Bosonen. Am 20. Mai 1986 schließlich erhält Helmut
den solche Detektoren z. B. auch bei den Experimenten AT- Faissner für seine wissenschaftlichen Verdienste das BundesLAS und ALICE am LHC und bei AMS eingesetzt.
verdienstkreuz 1. Klasse. Siegfried Bethke wird am 17. JanuWichtigstes Experiment der 80er Jahre war das UA1-Expe- ar 1995 mit dem Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis der DFG
riment am SPS-Beschleuniger des CERN, bei dem man er- ausgezeichnet.
neut mit Carlo Rubbia zusammenarbeitete. Zum Detektor Im Laufe der Zeit haben wir einige wichtige Konferenzen
steuerte Aachen, unter der Leitung von Helmut Faissner, und Workshops in Aachen durchgeführt: Vom 30. Juni bis
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HISTORISCHES
durch das einzige Großprojekt dieser Art für das beginnende
21. Jahrhundert.
Alle Aachener Teilchenphysik-Institute traten der CMS-Kollaboration bei, IIIA beteiligte sich unter Prof. Bethke an der
Entwicklung von Myon-Detektoren, bei IIIB beteiligte sich
die Gruppe von Prof. Flügge an der Entwicklung des Spurdetektors. Heute werden diese Aktivitäten von Prof. Hebbeker, Prof. Erdmann und Prof. Stahl fortgeführt.
Die LEP-Ära am CERN endete im Jahr 2000, die damit
verbundenen Aktivitäten in Aachen endeten bei der OPALGruppe mit dem Weggang von Siegfried Bethke, die L3Gruppe war noch bis etwa 2006 aktiv. Der HERA-Beschleuniger am DESY lief noch weiter bis 2007, die damit verbundenen Aktivitäten beim H1-Experiment wurden aber schon
früher zugunsten der laufenden Aufbauarbeiten von CMS
beendet.
Am DESY gab es mit der Entwicklung des Linearbeschleunigers TESLA seit etwa 1997 ein Zukunftsprojekt für die
Zeit nach HERA, hier waren die Professoren Tonutti und
Mnich mit ihren Gruppen beteiligt. Da die Entscheidung des
BMBF zugunsten von XFEL und nicht von TESLA ausfiel
und bedingt durch die Pensionierung von Manfred Tonutti
sowie den Weggang von Joachim Mnich, gingen die Arbeiten
im III. Physikalischen Institut ab 2004 langsam in die TPC73#T30#+2+?0Q73#T"01?:-882"7Q73#T703?-?2!
Arbeiten für T2K über.
?"7:"00"7 YAT0T2T7TZ"-!"7"-"7!"8e_T "?7:8:+8A3273#T
Am Fermilab in den USA wurde nach einer längeren Up-882"7T?"00"ST4,1
grade-Phase ab 2001 der Beschleuniger Tevatron wieder in
Betrieb genommen. Durch die Berufung von Prof. Hebbeker
war man hier bis etwa 2007 beim D0-Experiment beteiligt
Die „Neuzeit“: LHC und Astroteilchenphysik (etwa und führte verschiedenste, auch modellunabhängige Daten1990 bis heute)
analysen zur Suche nach neuer Physik insbesondere auch der
Supersymmetrie durch. Dies nutzte auch der Vorbereitung
Um die Jahrtausendwende und in den darauf folgenden
auf die LHC-Physik, viele dieser Analysen werden heute in
Jahren wurden praktisch alle Professuren des Institutes neu
ähnlicher Form mit Daten des CMS-Experiments gemacht.
besetzt: Siegfried Bethke wurde ab Oktober 1999 Direktor Seit 2005 ist man durch Beteiligung der Professoren Erddes Max-Planck-Instituts für Physik in München, sein Nachmann und Hebbeker am Pierre-Auger-Experiment in Argenfolger ist seit April 2001 Thomas Hebbeker.
tinien im Forschungsgebiet der Astroteilchenphysik aktiv und
Joachim Mnich wurde im August 2000 Professor bei IIIB, untersucht Herkunft und Eigenschaften von kosmischen
Gerd Otter ging im September 2001 in den Ruhestand.
Teilchenschauern.
Albrecht Böhm wurde im Juli 2004 pensioniert, dafür kam Seit 2006 ist man durch Prof. Wiebusch an einem weiteren
schon einen Monat später Martin Erdmann nach Aachen.
Astroteilchen-Experiment beteiligt: Weit entfernt von AaAuf Günter Flügge, der im Jahr 2005 in den Ruhestand
chen sucht man mit einem Detektor tief im Eis am Südpol,
ging, folgte schon im Dezember 2004 Achim Stahl.
dem „IceCube“-Experiment nach kosmischen Neutrinos.
Joachim Mnich verließ das Institut Ende 2004, wurde leitenMit den Experimenten T2K am KEK in Japan und Double
der Wissenschaftler am DESY und dort später auch Direktor Chooz in Frankreich wandte man sich ab 2007 erneut der
für den Bereich Teilchen- und Astroteilchenphysik. Sein Neutrino-Physik zu. Die Gruppen von Prof. Stahl und Prof.
Nachfolger ist seit Juli 2006 Christopher Wiebusch. Ab Janu- Wiebusch arbeiten hier an der Untersuchung von Neutrinoar 2012 wurden mit der Berufung von Jörg Pretz die Verbin- Oszillationen und der Messung des Mischungswinkels θ .
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dungen zum Forschungszentrum Jülich verstärkt.
Weitere Aktivitäten des Instituts liegen im Bereich der MediEin Grundstein für die heutigen Aktivitäten und auch die zinphysik, hier geht es um die Bestimmung von Wirkungsnähere Zukunft der Aachener Teilchenphysik wurde schon
querschnitten für die Protonentherapie sowie die Validierung
im Jahr 1990 gelegt: Vom 4. bis 9. Oktober fand damals in
von Simulationen für die Therapieplanung.
Aachen der vierte ECFA LHC-Workshop statt, organisiert
Die jüngsten Forschungsaktivitäten des Instituts sind der
durch Prof. Flügge (von 1992 bis 1995 war er Chairman des
Aufbau eines Experiments zur Suche nach elektrischen DiECFA), Dr. Honecker und Dr. Rein. Hier wurden grundle- polmomenten von geladenen Teilchen am Forschungszengende Aspekte der LHC-Physik und des Detektordesigns
trum in Jülich durch die Gruppe von Prof. Jörg Pretz sowie
besprochen und das LHC-Programm auf den Weg gebracht. die Beteiligung der Gruppe von Prof. Wiebusch an der EntIm Jahr 1992 formierten sich dann die ersten Kollaboratio- wicklung einer Sonde zur Untersuchung von Wasser auf
nen und schon ein Jahr später wurden die beiden Großexpe- dem Saturnmond Enceladus.
rimente ATLAS und CMS vom LHC Council genehmigt. Der seit einigen Jahren anhaltende Trend zu wachsender
Im gleichen Jahr stoppten die USA aus Kostengründen das
instituts- oder experimentübergreifender Vernetzung in der
Beschleuniger-Zukunftsprojekt „Superconducting Super ColForschung führt außerdem dazu, dass das Institut in eine
lider“ (SSC). Der LHC und seine Experimente wurden dazum 4. Juli 1986 fand die „6th International Conference on
pp-Physics“ statt, organisiert von Karsten Eggert, Helmut
Faissner, Ernst Radermacher und deren Gruppenmitgliedern.
Im selben Jahr, vom 29. September bis zum 1. Oktober, organisierte Albrecht Böhm den LEP 200-Workshop des „European Committee for Future Accelerators“ (ECFA).
Außerdem wurde im Jahr 1988 der 25. Geburtstag des Instituts gemeinsam mit dem 60. Geburtstag von Prof. Faissner
gefeiert.
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HISTORISCHES
Reihe von Forschungsverbünden oder -Allianzen, ähnlich
Sonderforschungsbereichen, integriert ist: Seit 2006 sind alle
deutschen CMS-Gruppen im Forschungsschwerpunkt 102
des BMBF vereint, seit 2007 gibt es die Terascale-Allianz der
Helmholtz-Gemeinschaft, in der fast alle deutschen Teilchenphysik-Gruppen vertreten sind. Seit 2012 ist man auch
in die Helmholtz-Allianz für Astroteilchenphysik (HAP) und
den Bereich „Forces and Matter Experiments“ (FAME) der
„Jülich Aachen Research Alliance“ (JARA) integriert.
Wichtige Ereignisse und Meilensteine in der neueren Geschichte des Instituts waren die Ausrichtung der DPG-Frühjahrstagung vom 10.-13. März 2003 in Aachen, organisiert
durch Prof. Flügge, sowie die Veranstaltung der Hochenergiephysik-Konferenz der Europäischen Physikalischen Gesellschaft vom 17.-23. Juli desselben Jahres durch Prof. Berger vom I. Physikalischen Institut B und Mitgliedern des III.
Physikalischen Instituts.
Am 22. November 2004 wurden die beiden Nobelpreisträgern Prof. Samuel C. C. Ting und Prof. Carlo Rubbia, langjährige wissenschaftliche Weggefährten der Aachener Teilchenphysik, zu Ehrendoktoren der RWTH Aachen ernannt.
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Am 22. Juli 2013 schließlich wurde den beiden LHC-Experimenten ATLAS und CMS für die Entdeckung des lange
gesuchten Higgs-Bosons der „High Energy and Particle Physics Prize“ der EPS verliehen.
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TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN
Teilchenphysik an Beschleunigern
von Thomas Hebbeker mit Beiträgen der im Text genannten Autoren
Die großen Fortschritte der experimentellen Teilchenphysik
der letzten Jahrzehnte wurden nur möglich, weil immer wieder die Kollisionsenergie gesteigert werden konnte. Besonders wirkungsvoll sind Beschleuniger, in denen zwei Teilchen
kollidieren, die in entgegengesetzte Richtung aufeinander
zufliegen: Man spricht von „Collidern“. Zu den ersten Beschleunigern dieser Art gehörte der ISR am CERN, über
den bereits im vorherigen Kapitel berichtet wurde.
Das in den 1960er Jahren formulierte Standardmodell der
elektroschwachen Wechselwirkung sagte schwere Eichteilchen, die W- und Z-Bosonen voraus. Um diese erzeugen und
nachweisen zu können, schlug 1976 Prof. Carlo Rubbia den
Bau eines Proton-Antiproton-Colliders am CERN vor, Spp̄S
genannt, mit einer Schwerpunktsenergie von zunächst
600 GeV. Dieser wurde dann auch verwirklicht, und das III.
Physikalische Institut A beteiligte sich am zugehörigen UA1Experiment. 1983 wurden so die W- und Z-Teilchen entdeckt und Rubbia und der Beschleunigerphysiker Dr. Simon
Van de Meer dafür im Jahr 1984 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Parallel dazu wurden am DESY in Hamburg im PETRARingbeschleuniger Elektronen auf Positronen geschossen;
im Institut IIIA beteiligte sich ab 1976 die Gruppe von Prof.
Albrecht Böhm am Mark-J-Experiment. Zwar fand man
nicht das gesuchte Top-Quark, das zu schwer ist, aber die
Gluonen, die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung,
wurden zum ersten Mal klar nachgewiesen.
Die erfolgreiche Physik mit Elektron-Positron-Collidern
wurde dann am CERN mit dem LEP-Beschleuniger fortgesetzt. Die Eigenschaften der Z- und W-Bosonen konnten mit
beeindruckend hoher Präzision vermessen werden – und
damit wurde das Standardmodell als die Theorie des Mikrokosmos etabliert. Beide Lehrstühle des dritten Instituts waren
im L3-Experiment engagiert, das wie das Mark-J-Projekt
vom Nobelpreisträger Samuel C.C. Ting geleitet wurde, und
später gab es auch eine Beteiligung bei OPAL.
Das Top-Quark wurde schließlich 1995 am Tevatron, dem
Proton-Antiproton-Collider am Fermilab bei Chicago entdeckt. An einem der Experimente, D0, beteiligte sich ab
2001 auch das III. Physikalische Institut A.
Am DESY betrat man Neuland, indem man zum ersten Mal
einen Collider baute, die Hadron-Elektron-Ring-Anlage
HERA, der verschiedenartige Teilchen aufeinander schoss,
Protonen und Elektronen (oder Positronen). So konnte man
die Struktur des Protons mit bisher unerreichter Genauigkeit
vermessen. Am H1-Experiment beteiligte sich ab Anfang der
1990er Jahre das Institut IIIB unter Leitung von Prof. Günter Flügge.
Trotz vieler Erfolge war noch ein fundamentaler Baustein
des Standardmodells, das Higgs-Boson, unentdeckt geblieben. Auch wurden viele Theorien, zum Beispiel die Supersymmetrie, entwickelt, die schwere Teilchen mit Massen bis
1000 GeV oder mehr postulierten. Um diese Teilchen aufzuspüren, wurde der LHC gebaut, der 2008 seinen Betrieb aufnahm. Es ist der weltgrößte Teilchenbeschleuniger: die Proton-Proton-Kollisionen werden eine Schwerpunktsenergie
9
bis zu 14000 GeV erreichen. Alle drei Aachener Institute der
experimentellen Teilchenphysik (IB, IIIA, IIIB) sind seit vielen Jahren Mitglied der CMS-Kollaboration. Sie haben Teile
der inneren und äußeren Spurdetektoren gebaut und leisten
wichtige Beiträge zur Datenauswertung und zum Computing. Trotz der Größe der CMS-Kollaboration ist die internationale Sichtbarkeit unserer vielen Bachelor- und Masterstudenten und Promovenden hervorragend.
Wie diese Übersicht zeigt, stellte die Physik mit Collidern die
Hauptaktivität des III. Physikalischen Instituts der letzten 35
Jahre dar. Neutrinoexperimente an Beschleunigern sind separat im nachfolgenden Kapitel beschrieben.
Dank des großartigen Einsatzes der Mitarbeiter der mechanischen und elektronischen Werkstätten und der Physiker,
darunter viele Diplomanden und Doktoranden, waren alle
Projekte sehr erfolgreich und haben die Physik weitergebracht.
Das UA1-Experiment am Spp̄S-Beschleuniger des
CERN
von Thomas Hebbeker und Dieter Rein
In den 1970er Jahren wurde in Neutrinoexperimenten der
schwache Mischungswinkel gemessen, ein freier Parameter
der Glashow-Salam-Weinberg-Theorie, die wir heute das
Standardmodell der elektroschwachen Wechselwirkung nennen. Damit konnte man die Massen der geforderten Austauschteilchen W± und Z abschätzen: mit mindestens
70 GeV sollten sie deutlich schwerer als alle bisher bekannten Elementarteilchen sein.
Um dennoch W- und Z-Bosonen in einem Beschleuniger
erzeugen zu können, schlug Carlo Rubbia zusammen mit
Kollegen 1976 vor, einen Protonbeschleuniger in einen Proton-Antiproton-Collider umzubauen. Da das Super-Protonen-Synchrotron SPS am CERN 300 GeV erreichte, stünden damit als Schwerpunktsenergie 600 GeV zur Verfügung,
genug um bei hinreichend hohen Strahlintensitäten Entstehung und Zerfall von W- und Z-Teilchen nachweisen zu
können.
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Der Vorschlag war kühn, denn Antiprotonen mussten in
großer Zahl erzeugt und dann dicht gebündelt werden. Am
CERN wurde der Vorschlag akzeptiert und der Spp̄S genannte Hadroncollider gebaut. Dank der von Simon van der
Meer entwickelten Methode der stochastischen Kühlung
gelang es auch eine hinreichende Zahl von schweren Bosonen zu erzeugen, die 1983 nachgewiesen wurden.
Carlo Rubbia leitete auch eine der Detektorkollaborationen:
UA1 = Underground Area 1. Im Juli 1978 wurde die Kollaborationsvereinbarung zwischen den damals 11 teilnehmenden Instituten geschlossen, unter ihnen als einzige deutsche
Gruppe das III. Physikalische Institut A unter Leitung von
Prof. Helmut Faissner. Das Institut baute große Myondriftkammern, die bei der Entdeckung von W und Z in den myonischen Zerfallskanälen essentiell waren. Zudem entwickelte und baute das Institut Elektronik, die in weniger als einer
Mikrosekunde aus den Daten aller 6000 Driftzellen des Myondetektors den Myontrigger gebildete.
Einer der Detektoren, Mark-J, wurde unter Leitung von Prof.
Samuel C. C. Ting aufgebaut, der 1974 das Charm-Quark
als Konstituent des von ihm „J“ getauften Mesons entdeckt
hatte (gleichzeitig mit einer anderen Gruppe), wofür er 1976
den Nobelpreis erhielt. Aus Aachen beteiligte sich Prof. Albrecht Böhm mit seinem Team. Dieses konstruierte die sogenannten K-Zähler, Szintillationsdetektoren im Hadronkalorimeter, die dann in Hamburg eingebaut wurden.
Die Aachener Gruppe war federführend an zwei wichtigen
Analysen beteiligt:
- Jet-Physik: Bei kleineren Schwerpunktsenergien bildeten
sich klare 2-Jet-Strukturen aus, die aus den beiden erzeugten Quarks hervorgingen. Ab 30 GeV traten häufig drei
unterscheidbare Teilchenbündel auf: der dritte Jet wird
durch ein Gluon erzeugt. Auf diese Weise wurde das Austauschteilchen der starken Wechselwirkung entdeckt, mit
Mark-J und gleichzeitig auch mit anderen PETRA-Detektoren. Viele Physiker haben diese wichtige Entdeckung für
die Verleihung des Nobelpreises vorgeschlagen.
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Aachen beteiligte sich auch an den Datenanalysen, und trug
so mit zum großen und schnellen Erfolg bei. 1984 wurde der
Physiknobelpreis an Carlo Rubbia und Simon van der Meer
verliehen. Ein Jahr später erhielten vier Wissenschaftler den
Physikpreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, darunter die drei jungen Aachener Karsten Eggert, Traudl
Hansl-Kozanecka und Ernst Radermacher.
Das Mark-J-Experiment am PETRA-Beschleuniger
bei DESY
von Thomas Hebbeker
Nachdem im Jahr 1977 das etwa 5 GeV schwere BottomQuark am Beschleunigerzentrum Fermilab entdeckt worden
war, begann die Jagd auf das sechste Quark, von dem man
zunächst durch Extrapolation annahm, dass es eine Masse
von ca. 15 GeV haben sollte.
Am Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Hamburg
wurde der Elektron-Positron-Collider PETRA gebaut, insbesondere für die Suche nach dem Top-Quark. Bei seiner Fertigstellung im Jahr 1978 war er mit 2,3 km Umfang größter
Speicherring dieses Typs und auch viele Jahre lang die Maschine mit der höchsten Schwerpunktsenergie, bis maximal
46,78 GeV.
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- Messung der Interferenzeffekte von ausgetauschten Photonen und Z-Bosonen. So konnten die Eigenschaften des ZBosons noch vor seiner direkten Erzeugung am CERN
schon sehr genau bestimmt werden.
Das L3-Experiment am Elektron-Positron-Speicherring LEP des CERN
von Albrecht Böhm
Am Large Elektron-Positron Speicherring LEP sollte die
Physik der elektroschwachen und starken Wechselwirkungen
in einem weiten Bereich und mit hoher Genauigkeit erforscht werden. Dazu schien es uns notwendig, an der
RWTH Aachen eine starke Gruppe aus dem I. und III. Physikalischen Institut zusammenzustellen. Wir beschlossen am
L3-Experiment mitzuarbeiten, das der Nobelpreisträger
Prof. Samuel C. C. Ting koordinierte.
Das I. Physikalische Institut beteiligte sich am Hadron-Kalorimeter und am Photon/Elektron-Detektor mit BGO-Kristallen. Das III. Physikalische Institut entwarf und baute für
die innere Spurenkammer TEC die 100 MHz Read-out-
Elektronik und ein Gassystem, das den Gasdruck und die
Zusammensetzung des Gases auf besser als ein Promille konstant hielt. Weiterhin bauten wir die Szintillationszähler für
den Trigger zusammen mit Prof. Gregor Herten vom MIT,
und später noch die großen Myonkammern für die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zusammen mit der ETH Zürich und dem I. Physikalischen Institut Aachen. Im Bild sieht
man die innere Spurenkammer TEC, die von der ETH Zürich aufgebaut wurde und aus 2000 Signaldrähten und etwa
30000 Felddrähten besteht.
Die im L3-Experiment gemachten Erfahrungen konnten
auch zur Entwicklung neuer Software-Strategien für die
LHC Experimente eingebracht werden. Hierzu hat Harm
Fesefeldt in einer Arbeitsgruppe des CERN zusammen mit
Dr. René Brun u.a. einen Vorschlag zur Umstellung der
HEP Software auf objekt-orientierte Programmierung ausgearbeitet. Dieser Vorschlag wurde vom CERN als Forschungsprojekt RD44 genehmigt. Das daraus entstandene
GEANT4-Simulationsprogramm wird inzwischen auf der
ganzen Welt benutzt.
Messungen und Ergebnisse
Am LEP Speicherring am CERN wurden die e+e− -Reaktionen im Bereich von Schwerpunktsenergien zwischen 88 GeV
bis 208 GeV gemessen. In den Jahren 1990 bis 1995 wurden
das Z-Boson und seine Zerfälle in Leptonen und Hadronen
genau studiert. Schon nach einem Jahr zeigte sich, dass beim
Neutrinozerfall des Z-Bosons nur die drei bekannten Neutrinos νe, νμ und ντ und keine weiteren leichten Neutrinos auftreten. Die gesamten Messdaten ergaben eine außerordentlich präzise Bestimmung der Masse des Z-Bosons, nämlich
MZ = 91187,6 ± 2,1 MeV. Die Kopplungen des Z-Bosons an
Leptonen und Quarks und andere wichtige Größen wurden
mit Genauigkeiten von typisch 0,2% gemessen.
In den Jahren 1995 bis 2000 wurde die Schwerpunktsenergie
-20- /-2"-2"2"-0 !"7 `1 +739"25?7"2/11"7 T,3:3S von LEP durch den Einsatz von supraleitenden Hohlraumresonatoren schrittweise von 130 bis 208 GeV erhöht. Schon
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im Jahre 1986 hatten wir dafür den ECFA Workshop on
LEP200 an der RWTH Aachen veranstaltet. Die Mitglieder
der LEP-Beschleunigergruppe erläuterten die Schritte zu
hohen Energien und Mitglieder der vier Experimente diskutierten wie man das W-Boson erforscht und die Suche nach
neuen Teilchen, vor allem dem Higgs-Boson, bei hohen
Massen fortsetzt.
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Zur Analyse der Messdaten wurden Programme benutzt, die
die e+-e−-Reaktionen simulieren und darstellen, wie die Reaktionsprodukte im Detektor ablaufen. Herr Dr. Harm Fesefeldt hat das umfangreiche Programm GEISHA geschrieben,
das den Verlauf von Hadronen im Detektor simuliert. Dieses
Programm wurde in Zusammenarbeit mit SLAC und CERN
in das Programm GEANT eingebunden.
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Auch im L3 Detektor wurden Teile hinzugefügt:
a. Der Silizium-Mikrovertex-Detektor wurde um das
Strahlrohr von 10,6 cm Durchmesser angebracht.
b. Der Luminositätsmonitor wurde mit Silizium-Detektoren ausgestattet.
c. In die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung wurden 96 große Myonkammern eingebaut.
An den Detektoren b. und c. haben die Aachener Gruppen
des I. und III. Physikalischen Institutes stark mitgearbeitet.
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Im Jahr 1995 wurde das Top-Quark durch die Tevatron Experimente CDF und D0 entdeckt und damals zu
mt = 178,0 ± 4,4 GeV gemessen. Wir übernahmen diesen
Wert und konnten dann die Masse des Higgs-Bosons einschränken. Die direkte Suche nach dem Higgs-Boson ergab
"2+739"2+2":"2!"8b":"/:378"7/"22:122!"773:"2 bei LEP, dass dessen Masse größer als 114,4 GeV sein sollte.
7"T-"-22"7"2 ":"/:37"2"&2!"28- ,-2!"1 7+73,71-: Aus den Strahlungskorrekturen konnte man eine Kurve der
cQcd1?7 ,1"88"7 ?2!ba12+"T" ,:8A372" 8-",:12!-" Wahrscheinlichkeit erhalten, die eine Masse des Higgs-Bo:75"E#471-+"20?1-2-?150>"2!"7+"7!" "-2+"?:"2 D32X sons kleiner als 220 GeV verlangt. Das Higgs-Boson des
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Standardmodells sollte demnach eine niedrige Masse bevorzugen.
Als Beispiel zeigt die Abbildung die Messungen der Reaktion
e+ + e− → Hadronen, die wir mit L3 in den zwölf Jahren
aufgenommen haben.
Die Resultate der vier LEP Experimente ALEPH, DELPHI,
L3 und OPAL stimmten gut überein. Deshalb mittelten wir
Messungen der vier LEP Experimente und bestimmten damit die freien Parameter des Standardmodells noch genauer.
In dieser Arbeitsgruppe haben die früheren Aachener Wissenschaftler Prof. C. Paus (MIT), Prof. M. Grünewald (Uni
College Dublin) und Prof. J. Mnich (DESY u. Uni Hamburg)
führend mitgewirkt.
Bei LEP200 wurde das W-Boson detailliert untersucht und
die Masse zu 80376 ± 33 MeV gemessen. Aus allen Messungen von LEP und SLD/SLAC erhielt man über die Strahlungskorrekturen die Masse des Top-Quarks zu
168 +12-9 GeV.
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Mit LEP und unserem L3 Experiment wurde uns die Möglichkeit gegeben, die schwache, die elektromagnetische und
die starke Kraft in weiten Gebieten zu erforschen. Alle Damen und Herren von den Werkstätten, vom Studium bis zur
Promotion und weiter, haben mit guten Ideen, großem Einsatz und viel Arbeit dazu beigetragen, das L3 Experiment
aufzubauen und zu betreiben, die Messungen auszuwerten
und zu veröffentlichen. Ganz herzlichen Dank an Alle!
Das OPAL-Experiment am Elektron-Positron-Speicherring LEP des CERN
von Thomas Kreß
Nach der Emeritierung von Helmut Faissner 1993 konnten
wir Prof. Siegfried Bethke gewinnen, den Lehrstuhl des III.
Physikalischen Institut A zu übernehmen. Für das CMS-Experiment am LHC setzte er Entwicklung und Bau der großen Myonkammern fort und zugleich leitete er die Aachener
Analysen der Messdaten des OPAL-Experiments am LEPSpeicherring. Damit gab es ein zweites LEP-Experiment am
Institut und viele Kontakte zwischen OPAL und L3 bei der
Analyse der e+-e−- Daten. Die durch die Verpflichtungen
beim Betrieb des OPAL Silizium-Vertexdetektors gewonnene
Expertise konnte für die Analyse der Bottom-Quarkmasse
bei 91 GeV sowie zur Suche nach dem Higgs-Boson genutzt
werden. Zudem arbeitete die Gruppe anfänglich an 2-Photonreaktionen. Der Schwerpunkt der Analysetätigkeit lag
jedoch auf der Untersuchung der starken Wechselwirkung.
Mit Hilfe von Jet-Raten- und sog. Event Shape-Variablen
konnten die OPAL-Messdaten mit theoretischen Voraussagen der Störungstheorie in verschiedenen Ordnungen verglichen werden. Daraus ließen sich dann die wichtigen Kenngrößen der starken Wechselwirkung extrahieren. Obwohl das
JADE-Experiment am PETRA-Beschleuniger in Hamburg
schon viele Jahre abgeschaltet war, gelang es durch Anpassung auf Analyse- und Software-Tools der LEP-Ära die
JADE-Daten einer verbesserten Neuanalyse bezüglich präziseren theoretischen Vorhersagen zuzuführen. Mit Datenpunkten bei verschiedenen Schwerpunktsenergien von u.a.
OPAL (und anderen LEP-Experimenten wie L3) und aus
den neuen JADE-Analysen konnte die Energieabhängigkeit
der starken Kopplungskonstanten L eindrucksvoll demonstriert werden und quantitativ mit den theoretischen Vorhersagen verglichen werden.
Die Aktivität und Expertise auf dem Gebiet der starken
Wechselwirkung wurde 1995 durch den Gottfried-WilhelmLeibniz-Preis an Siegfried Bethke honoriert, welcher dann
1999 einen Ruf als Direktor des Max-Planck-Instituts für
Physik in München annahm.
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Das H1-Experiment am Speicherring HERA
von Günter Flügge
Mikroskope sind allgemein verbreitete Instrumente, um kleine Strukturen sichtbar zu machen. Dabei sind Elektronenmikroskope den Lichtmikroskopen überlegen. Das liegt daran, dass die kleinste auflösbare Struktur durch die benutzte
Wellenlänge gegeben ist, und die ist wiederum nach den Gesetzen der Quantenmechanik umso kleiner, je größer der
Impuls (oder die Energie) der Teilchen ist. In diesem Sinne
ist der Elektron-Proton-Speicherring HERA ein überdimensionales Elektronenmikroskop, das auf die Untersuchung der
Struktur der Protonen spezialisiert ist. Die benötigten hohen
Energien werden in zwei gegenläufigen Ringbeschleunigern
erreicht, die in einem unterirdischen Tunnel von 6 km Länge
untergebracht sind. Ungewöhnlich ist nicht nur die enorme
Energie, die schließlich zu einem Auflösungsvermögen von
1/1000 fm führt. Völlig neuartig ist auch, dass das untersuchte Proton den Hauptteil der Energie beiträgt, nämlich
920 GeV im Vergleich zu 30 GeV für das Elektron. Der
Grund ist einfach, dass sich Protonen in einem Ringbeschleuniger sehr viel höher beschleunigen lassen als Elektronen, was an den Strahlungsverlusten der leichteren Elektronen liegt. Die Aufgabe der Physiker bestand nun darin, an
den zwei Kollisionspunkten, an denen Protonen und Elektronen aufeinandertreffen, geeignete Detektoren für den
Nachweis der Reaktionsprodukte aufzubauen, die bei den
Zusammenstößen entstehen. Einer der beiden Detektoren,
H1, wurde unter starker Beteiligung von Aachener Gruppen
aufgebaut.
Die H1-Gruppe des III. Instituts unter Leitung von Prof.
Günter Flügge und Dr. Herbert Gräßler beteiligte sich vor
allem am Bau des elektromagnetischen Flüssig-Argon-Kalorimeters. Dank der hervorragenden Zusammenarbeit von
Dr. Wolfgang Schmitz mit der mechanischen Werkstatt von
K. Boffin und E. Bock wurde dies ein voller Erfolg.
Das CMS-Experiment am Large Hadron Collider
LHC des CERN
von Thomas Hebbeker und Oliver Pooth
Im Jahr 1990 war der LEP-Beschleuniger gerade erst eingeschaltet worden, aber viele Physiker dachten schon über ein
Nachfolgeprojekt am CERN nach, einen Proton-Proton-Collider, und trafen sich im Oktober diesen Jahres in Aachen
zum „ECFA Large Hadron Collider Workshop“. Hier wurden die Grundlagen für den etwa 10 Jahre später beginnenden Bau des LHC-Beschleunigers und der Detektoren gelegt.
Insbesondere die Aachener Physiker, die schon mit dem
SPS-Proton-Collider in Genf geforscht hatten, waren sehr
an einer Beteiligung interessiert, denn die geplante Erhöhung der Schwerpunktsenergie von max. 0,9 TeV am SPS
auf bis zu 14 TeV im LHC versprach viele fundamentale
neue Erkenntnisse. Heute ist der LHC der weltgrößte Teilchenbeschleuniger mit der höchsten Energie – er ist das
Flaggschiff der Hochenergiephysik und wird es auch noch
viele Jahre bleiben. Hauptaufgaben sind der Nachweis des
Higgs-Bosons und die Suche nach neuer Physik. Insbesondere supersymmetrische Teilchen stehen im Fokus, eines davon
könnte auch die dunkle Materie im Universum erklären.
Unter Leitung von Prof. Helmut Faissner beteiligte sich das
Institut IIIA Anfang der 1990er Jahre an einem der geplan300-8-328"7"-+2-8 -1 `X":"/:37T -2/8 8-",: 12 !"2 ":"/:37 ten Experimente, CMS, das für „Compact Muon Solenoid“
A32 !"7 "-:"Q 7" ,:8 3"2 0- /: 12 "2:02+ !"7 :7,0 ,8"T steht - der Name beschreibt also die Magnetgeometrie und
" ,:8?2:"28-",:12-2"-2"183+"222:"2"+3503:0/"2!"8 betont die Wichtigkeit der Messung von Myonen, langlebigen Elementarteilchen, die den gesamten Detektor durch":8?2!!"838-:7328T-0!S`
fliegen. Die nachfolgenden Institutsleiter Prof. Siegfried BetDas Bild zeigt eine schematische Darstellung des Detektors hke und Prof. Thomas Hebbeker führten dieses Projekt als
zusammen mit einem typischen Kollisionsereignis. Man er- Hauptbeitrag des Instituts IIIA erfolgreich fort. Das Institut
kennt, dass für die Untersuchung solcher Ereignisse neben IIIB und das I. Physikalische Institut in Aachen wurden 1994
Mitglied der CMS-Kollaboration. Institutsleiter des III. Phydem inneren Spurdetektor die umgebenden Kalorimeter
eine wichtige Rolle spielen. Unser Institut war vor allem am sik. Instituts B war seinerzeit Prof. Günter Flügge. Nach desBau dieser Instrumente beteiligt.
sen Emeritierung übernahm Prof. Achim Stahl ab 2005 die
1992 waren der Detektor und der Speicherring betriebsbe- Leitung des Instituts IIIB und das zugehörige CMS-Projekt.
reit, bis 2007 wurden wertvolle Daten genommen. So konnte Von 2000 bis 2004 beteiligte sich auch Prof. Joachim Mnich
die Struktur des Protons mit großer Genauigkeit ausgemes- am CMS-Experiment.
sen werden, was für die folgenden Experimente am LHC
von entscheidender Bedeutung war. Die Daten werden wei- Wegen der langjährigen Erfahrungen im Myondetektorbau
terhin ausgewertet. Das Bild zeigt die Massendifferenz von (für die Experimente UA1 am SPS und L3 am LEP) und den
dafür bestens gerüsteten Institutswerkstätten entschied man
D*-Kandidaten in tiefinelastischer Streuung.
sich im Institut IIIA, Myonkammern (so nennt man gasgefüllte Myondetektoren) für den CMS-Detektor zu entwickeln
und herzustellen. Nach der Emeritierung von Prof. Helmut
200
Faissner im Jahr 1993 übernahm Prof. Siegfried Bethke die
H1 D* (DIS)
Leitung des Instituts IIIA und des CMS-Myonprojektes in
Aachen. Parallel arbeitete er an der Bestimmung der starken
Kopplungskonstanten, wofür er 1995 mit dem renommierten
Leibniz-Preis ausgezeichnet wurde.
100
Zusammen mit Kollaborationspartnern insbesondere aus
Italien und Spanien wollte das Institut IIIA Myondetektoren
für den `Barrel‘-Bereich des CMS-Detektors bauen. In Aachen wurden ,Wall-less Drift Chambers‘ entwickelt, andere
Kollaboranten machten eigene Vorschläge. Diese Optionen
wurden im CMS ,Letter of Intent‘ im Jahr 1992 präsentiert.
0.14
0.15
0.16
Schließlich entschied sich die CMS-Kollaboration für ,Drift
ΔM (GeV)
Tube‘-Myonkammern (DT), wie 1997 im Detail im ,Myon
Technical Design Report‘ festgeschrieben wurde. Aachen
88"2!-%"7"2EImY O OZXY OZA32X2!-!:"2 baute verschiedene Drift-Tube-Prototyp-Detektoren, unter
Candidates / 0.5 MeV
Eine zweite wichtige Beteiligung unter Leitung des leider
früh verstorbenen Dr. Wolfgang Struczinski war der Bau
eines Übergangsstrahlungs-Radiators und des gesamten Gassystems für den Innendetektor.
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14
Leitung von Dr. Hans Reithler, der auch viele Zeichnungen
anfertigte, wie die im Bild zu sehende einzelne Driftzelle.
Nachdem 1999 Prof. Siegfried Bethke seinem Ruf zum MPI
für Physik nach München gefolgt war, übernahm Prof. Albrecht Böhm die Leitung des III. Physikalischen Instituts A,
bis Prof. Thomas Hebbeker im Jahr 2001 Institutsleiter wurde.
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8 ,2->Z
Eine Kammer besteht aus etwa 600 Zellen, verteilt über 12
Lagen. Die ersten Detektoren wurden mit kosmischen Myonen und mit Teststrahlen am CERN auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft. Da in Aachen insgesamt 70 von 250
DT-Myonkammern mit einer Gesamtfläche von etwa 20000
Quadratmetern gebaut werden sollten, mussten viele Vorbereitungen getroffen werden: große gusseiserne Produktionstische wurden beschafft, roboterartige Apparaturen zum Auftragen von Kleber und zur genauen Messung der Anodendrahtpositionen wurden in Zusammenarbeit der elektrischen
und mechanischen Werkstätten entwickelt, Maschinen zum
präzisen Ablängen der Drähte und zur in-situ-Bestimmung
der mechanischen Drahtspannung wurden konstruiert. Viele
dieser Aachener Einrichtungen wurden dann auch von den
europäischen Kollaboranten eingesetzt.
Im Sommer des gleichen Jahres begann dann der Bau der
Myonkammern in der Werkhalle am Physikzentrum; nachdem wir erste Erfahrungen mit dem komplexen Arbeitsablauf gesammelt hatten, lief die Produktion dann routinemäßig bis zum Jahr 2005, als die letzte Kammer termingerecht fertiggestellt wurde. Nachdem in der Werkhalle ein
Teststand aufgebaut worden war, wurde jede Kammer und
auch jede der drei Superlagen, aus denen sie besteht, akribisch mit kosmischen Myonen getestet. Die Sorgen dieser
Jahre (Hochspannungsfestigkeit, Zeitplanung, Komponentenbeschaffung) und die endlosen Meetings am CERN sind
heute weitgehend vergessen, da letztlich alle Probleme gelöst
werden konnten und die Detektoren bis heute einwandfrei
funktionieren. Dieser Erfolg ist insbesondere den ideenreichen und präzise arbeitenden Leitern der mechanischen und
elektrischen Werkstattbereiche von IIIA, Karl Bosseler und
später Barthel Philipps, sowie Günter Hilgers und seinem
Nachfolger Franz-Peter Zantis zu verdanken.
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,3:3ST3"5#2"7
15
Dieses Testsystem erlaubte einen schnellen und effizienten
Test der Frontend-Hybride und fertiger Detektor-Module
und war ein Riesenerfolg. Es wurde von der gesamten CMS
Tracker-Kollaboration eingesetzt. Zwischen 2001 und 2003
wurden unter der Leitung von Franz Beißel etwa 100 solcher
Systeme in Serie gebaut und an die gesamte Kollaboration
ausgeliefert.
Darüber hinaus beteiligte sich IIIB, in enger Zusammenarbeit mit den CMS-Kollegen des I. Instituts, vor allem an
Entwicklung und Bau des Vorwärtsdetektors. Die insgesamt
etwa 7000 Einzeldetektoren des Vorwärtstrackers wurden auf
automatischen Klebestationen zusammengebaut. Der Aufbau und Betrieb dieser sogenannten Gantries für verschiedene Detektor-Geometrien war eine große Herausforderung
"7 X":"/:37 B-7!-2 "-2"7 00" 2 !"7 "7( ," E?81X für die Kollaboration und auch unsere Werkstätten. Viele
1"2+"?:T ?9"7,0 !"7 ED0-2!"7#471-+"2 +2":85?0" 8-",: kritische Teile der Brüsseler Gantry-Station wurden unter
12!-" D32/11"72 ?8 0?1-2-?1Q !-" 8 ,32 -2 !873: 0X der Leitung von Dr. Reiner Schulte in unserer Werkstatt
/-"7:" -8"2.3 , "-2+"8 ,3"2 8-2!T 2 !"7 ->" !"8 ":"/:378 entworfen und gebaut.
B?7!"85:"7!"7-0-E-?185?7!":"/:37"-2+"?:T?"00"S
Nach der Zwischenlagerung und nochmaligem Testen in
einem alten Beschleunigertunnel am CERN konnten die
Kammern dann in den CMS-Detektor eingebaut werden,
zunächst zu Testzwecken an der Oberfläche, dann in der
unterirdischen Kaverne. Überschattet wurden diese Jahre
durch die lange schwere Krankheit von Dr. Dankfried Lanske, der er im Jahr 2008 erlag. Das Institut hat auch die
Drucksensoren zur Messung des Gasdruckes gebaut, sowie
ein komplettes System zur genauen Messung der Driftgeschwindigkeit entwickelt, siehe Kapitel über Detektorentwicklung unter VDC.
R2-S
R3
R1
R4
R6
R5-S
R7
R5
10 cm
-" A"78 ,-"!"2"2 3!?0"Q !-" -2 !"2 7 /"7X2!/55"2 E?1
-28:E/311"2T-0!ST33:,
Die präzise fertig gebauten Module wurden in mehreren
Instituten, u.a. auch im I. Institut in Aachen gebondet und
anschließend im Institut III B getestet. Unser Institut übernahm darüber hinaus die wichtige Aufgabe, alle schadhaften
oder grenzwertigen Module des Vorwärtstrackers zentral zu
erfassen und gegebenenfalls zu reparieren. Die Testprozeduren waren sehr aufwendig und enthielten mehrere Temperaturzyklen in eigens entwickelten Kälteboxen. Auch hier haben sich unsere ARC-Systeme bestens bewährt.
side A, front petal
bridge
Im Institut IIIB hatte man sich für eine Beteiligung am inneren Spurdetektor entschieden. Der ursprüngliche Plan von
CMS sah eine Kombination von Siliziumstreifen- und Mikrostreifengasdetektoren (MSGC) vor. In Aachen wurde daraufhin für viele Jahre in der Gruppe mit Dr. R. Schulte an
der großen Herausforderung mitgearbeitet, die MSGCTechnik für den CMS Detektor vorzubereiten (siehe auch
Abschnitt zur Detektorentwicklung). Schließlich wurde jedoch von der CMS-Kollaboration beschlossen, einen reinen
Silizium-Spurdetektor zu bauen. Glücklicherweise hatte das
Institut IIIB Auslesesysteme, Testsysteme und Prozeduren
entwickelt, die allgemein für Mikrostreifendetektoren von
CMS (Siliziumstreifen und MSGC) anwendbar waren, da
derselbe Frontendchip APV zum Einsatz kommen sollte.
Darauf aufbauend wurde das Testsystem ARC für die CMS
Tracker-Kollaboration entwickelt.
R2
R1-S
ring 1
ring 3
ring 5
ring 7
side B, front petal
CCU
CCU
cooling
manifold
bridge
ring 2
ring 4
ring 6
-" "-!"2 "-:"2 "-2"8 ":08Q A3008:2!-+ "8:@ /: 1-: -0-E-?1X
:7"-#"213!?0"2T "-2+"0!"2"8"-0 ,"2/22?2+"8","2588-"X
7"2T-0!ST33:,
D8:"1Q"!3?:2!32:730T?"00"S
16
73:32X73:32X300-8-328"7"-+2-8?8!"1 ,7 a_àQ "-!"1 A-"7
D32"2"2:8:2!"28-2!Y73:" -2-"2ZT4+0- ,"7B"-8" ,2!"0: "8
8- , ,-"7 ?1 "-2"2 -++8X"7#00-2EB"- X3832"2Q !-" ."B"-08 -2
"-2D3257E"7#00"28-2!SqqppppT?"00"S
CMS preliminary
Events / 3 GeV
Die Detektor-Module des Vorwärtstrackers wurden auf insgesamt 288 trapezförmige Tragestrukturen (Petals) montiert.
Hier übernahmen wir die Montage und den Test von 50
Petals. Die Abbildung zeigt ein Petal während der Montage
im Transportrahmen im Reinraum. Die Vorrichtungen für
die Petal-Integration und die Transportrahmen wurden im
Institut entwickelt und gebaut. Im Rahmen der engen Zusammenarbeit des I. und III. Physikalischen Instituts hat sich
IIIB am Zusammenbau und Test eines kompletten VorwärtsDetektors (TEC-) beteiligt. Der fertige Detektor ist im Bild
unten dargestellt. Der Detektor wurde Ende 2006/Anfang
2007 in den Gesamt-Tracker eingefügt.
Data
mH = 126 GeV
Zγ *, ZZ
Z+X
30
s = 7 TeV: L = 5.1 fb-1
s = 8 TeV: L = 19.6 fb-1
20
10
0
100
200
400
800
m4l [GeV]
-"-0!?2+E"-+:"-2"2/07"2"/-2!"7-2A7-2:"288"!"7
A-"7"5:32"2"- Tàe"Q!"788"!"82"?"238328T?"0X
0"S
-"2!/55"X?2! ,"2"7300"+"21T
,3:38ST33:,
Im Herbst 2008 rasten die ersten Protonen durch den LHC,
und alle freuten sich, dass es nach den vielen Vorbereitungsjahren endlich losging. Aber dann passierte ein Unfall: Helium im Kühlsystem der Beschleunigermagnete war an einer
Stelle verdampft und explosionsartig ausgetreten. Erst 2009
konnten wieder Proton-Proton-Kollisionen stattfinden. Im
Jahr 2011 war mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV der
halbe Designwert erreicht und im sehr erfolgreichen Folgejahr kam man auf 8 TeV und eine höhere Wechselwirkungsrate als an allen früheren Hadroncollidern. Mit dem sensationellen Nachweis eines „Higgs-ähnlichen Teilchens“ im
Sommer 2012 war dann klar, dass sich all die Mühen gelohnt
hatten! Beim Higgs-Zerfall in vier Myonen, dem ‚goldenen
Kanal‘, kamen natürlich auch unsere Kammern und auch
der oben beschriebene, teilweise in Aachen gebaute innere
Spurdetektor zum Einsatz.
17
Parallel zum Detektorbau wurden schon vor etwa 10 Jahren
auch Physik-Simulationen durchgeführt und so die LHC-Datenanalyse vorbereitet, die jetzt zur Hauptaktivität geworden
ist. Insgesamt forschen 15 Wissenschaftler und etwa 20 Doktoranden an CMS-Analysen, dazu kommt noch ein große
Zahl an Master- und Bachelorstudierenden. Unterstützung
bei der Auswertung und Interpretation erhalten wir dabei
aus der theoretischen Teilchenphysik in Aachen.
Diese Aktivitäten wurden im III. Physikalischen Institut A
durch Prof. Martin Erdmann verstärkt, der im Jahr 2004 als
Nachfolger von Prof. Albrecht Böhm nach Aachen kam. Da
am LHC eine riesige Datenmenge produziert wird, sind
Tausende Computer zur Auswertung nötig. Prof. Erdmann
baute zu diesem Zweck den ersten „Tier-2“ Computer-Cluster in Aachen auf und entwickelte das Analyseprogramm
VISPA. Um nicht zu lange auf Hadron-Collider-Daten warten zu müssen, hat sich IIIA parallel auch am D0-Experiment am amerikanischen Tevatron-Collider beteiligt, der,
wie der Name sagt, eine Strahlenergie von 1 TeV erreicht.
So entstanden einige Doktorarbeiten, die als Vorbild für spätere LHC-Analysen dienten. Themenbereiche waren und
s=7 TeV L=4.6 fb-1
CMS Preliminary
+2/3e (stat.)
-4/3e (stat.)
0.15
+2/3e (stat. + sys.)
-4/3e (stat + sys.)
0.1
Measured value
Probability density / 0.046
Das Institut IIIB legt im Bereich der Datenanalyse die
Schwerpunkte auf die Physik des Top-Quarks und die Physik
des τ-Leptons. Das Top-Quark wird in allen seinen Eigenschaften studiert. In den Anfangszeiten der Analyseaktivitäten unter der Leitung von Prof. Joachim Mnich beschäftigten
wir uns mit der Messung der Masse des Top-Quarks sowie
der Bestimmung von Wirkungsquerschnitten. In den letzten
Jahren konzentrierten wir uns auf speziellere Eigenschaften,
wie die elektrische Ladung und den Spin.
0.05
0
-2
-1
0
1
2
A
"88?2+!"7!?2+!"835X?7/8T -"+"1"88"2"2:"28-2!
-2+?:"7"7"-28<11?2+ 1-:!"7:2!7!13!"00X7B7:?2+A32
laWb " !"8 35X?7/8 ?2! 8 ,0-"9"2 "-2" "C3<8 ,"Q ,D53:,"<X
8 ," XcWb " !?2+ 1-: +739"7 ,78 ,"-20- ,/"-: ?8T ?"00"S
-"8" "7:"-0?2+ "2:,0: 73:32X73:32X300-8-328"7"-+2-88"Q -2
!"2"2Y2?7Z"-2,3 ,"2"7+"<8 ,"8D32"7E"?+:B?7!"T -"74X
9" -8: 573537<320 E?1 D32-15?08T 28-",:Q!88!-" "-X
!"2 ,D53:,"<8 ,"2 8 ,B"7"2 [X3832"2Q !-" -2 D32"2 ?2!
"?:7-238E"7#00"2Q1-:!"2X:"22- ,:A"7"-278-2!T?"0X
0"S
̴(pb)
sind Präzisionsmessungen an Top-Quarks und die Suche
nach neuer Physik. Eines der ersten von CMS im Jahr 2011
publizierten Ergebnisse war die Suche nach einem neuen
schweren Boson, dem W‘. Diese Analysen wurden weitgehend in Aachen durchgeführt, unter Leitung von Dr. Kerstin
Hoepfner, die vorher für Tests und Inbetriebnahme der Myonkammern verantwortlich war.
Auch nach noch exotischeren Dingen wurde unter Leitung
von Dr. Arnd Meyer bei D0 und LHC gesucht, bisher aber
nicht gefunden: ,Unparticles‘, zusätzliche Raumdimensionen; Supersymmetrie etc. Eine besondere Leistung war die
im Team von Prof. Erdmann gemessene Erzeugung einzelner Top-Quarks, zuerst mit D0 und dann noch genauer am
LHC. Das Lieblingsprojekt von Prof. Hebbeker ist MUSiC –
den Namen haben seine Doktoranden erfunden – die ,Model Unspecific Search in CMS‘, mit der wir hoffentlich viele
neue Teilchen entdecken werden…
CMS, 1.17/1.56 fb-1
ATLAS, 1.04 fb-1
102
D0, 5.4 fb-1
CDF, 7.5 fb-1
10
NLO QCD (5 flavour scheme)
theoretical uncertainty (scale ‫ܖ‬PDF)
Campbell, Frederix, Maltoni, Tramontano, JHEP 10 (2009) 042
approximate NNLO QCD
1
theoretical uncertainty (scale ‫ܖ‬PDF)
Kidonakis, Phys. Rev. D 83 (2011) 091503
0
2
4
6
8
10
s (TeV)
-7/?2+86?"78 ,2->#@7 !-"73!?/<32"-2E"02"735X?7/8S-"
X"88?2+ -8: "-!"7 X ,B"75?2/:"2"7+-" A32 f " 08
/7"-8#471-+"8D130+"E"-+:T?"00"S
18
Nach der Berufung von Prof. Achim Stahl ist die Physik des
τ-Leptons ein immer wichtigeres Arbeitsgebiet geworden.
Viele Jahre war er auf diesem Gebiet aktiv und hat mit seiner Habilitationsschrift zum τ-Lepton ein Standardwerk
geschrieben. Im Bereich der Physik des τ-Leptons bei CMS
beschäftigen wir uns hauptsächlich mit der kinematischen
Rekonstruktion von τ-Leptonen und der Suche nach neuen
Phänomenen in den Kanälen mit τ-Leptonen, z. B. dem
Zerfall des Higgs-Bosons in τ-Leptonen, H → τ + τ.
Auf dem Gebiet des GRID-Computings, das eng mit dem
Bereich der Datenanalyse verknüpft ist, leisten wir durch den
Betrieb eines Tier-2 Zentrums unter der Leitung von Dr.
Thomas Kreß wichtige und sichtbare Beiträge für die CMS
Kollaboration. Genaueres zum GRID Computing ist im
Computing-Kapitel beschrieben.
Präzisionsexperimente an Beschleunigern
Neben den Experimenten bei den höchsten Energien können auch hochpräzise Experimente durchgeführt werden,
die bei niedrigeren Energien Zugang zu spannenden Fragen
der Teilchenphysik bieten. An einigen dieser Experimente
war und ist das Institut beteiligt.
Die Sindrum Experimente
von Gerd Otter
Bei der Tagung der deutschen Hochenergiephysiker in
Karlsruhe im Jahr 1986 lernte ich Prof. Roland Engfer (Direktor des Physikalischen Institutes der Universität Zürich/
Schweiz) kennen. Er begeisterte mich für das Experiment
„Suche nach leptonflavourverletzenden Reaktionen“, das am
Paul Scherrer-Institut PSI (damals noch Schweizerisches
Institut für Nuklearforschung SIN genannt) durchgeführt
wurde, und bot mir an, in seiner Gruppe mitzuarbeiten. Das
PSI hatte zu dieser Zeit den weltweit geeignetsten μ-Strahl –
niederenergetische Myonen, die man in Targets stoppen
kann –, so dass hiermit die genauesten diesbezüglichen Experimente durchgeführt werden konnten.
Der Institutsdirektor unseres Instituts in Aachen, Prof. Günter Flügge, war von meinem Plan, am PSI nach diesen Reaktionen zu suchen, sehr angetan und unterstützte meinen Antrag auf ausreichende Mittel beim Bundesministerium für
Forschung und Technologie (BMFT) über die Koordinierungsstelle für Mittelenergiephysik. So konnte ich bereits
1986 mit den Arbeiten in Kollaboration mit den entsprechenden Gruppen an der ETH Zürich und am PSI beginnen.
Die Suche nach leptonflavourverletzenden Reaktionen ist
insofern interessant, da sie gemäß dem Standardmodell der
Elementarteilchenphysik eigentlich nicht auftreten sollten. Es
gab jedoch einige darüber hinaus gehende Theorien, die
diese Reaktionen mit sehr kleinen Verzweigungsverhältnissen
erlaubten. Insofern war die Motivation zur Untersuchung
solcher Reaktionen gegeben.
Experimente dieser Art, die das Nichtauftreten einer Reaktion zum Gegenstand haben, sind im allgemeinen ungewöhnlich. Es lassen sich jedoch aus den experimentellen Daten
obere Grenzen für das Nichtauftreten dieser Reaktion abschätzen, die zu weitreichenden Folgerungen führen können.
Die Kollaboration war vergleichsweise sehr klein und bestand nur aus etwa zehn Wissenschaftlern, Doktoranden und
Diplomanden. Für alle Beteiligten war die Arbeit äußerst
interessant, weil ein jeder sich bei allen Arbeiten einbringen
musste, sei es beim Aufbau der Strahlführung, bei Verbesserungen und Neuerungen des Spektrometers, bei den Rekonstruktions-Computerprogrammen für die Teilchenspuren
sowie bei der letzten Auswertung der Daten. Jeder Beteiligte
lernte somit den gesamten Ablauf des Experimentes kennen,
d.h. er musste sich sowohl mit Arbeiten bei der Hardware als
auch bei der Software befassen.
Das erste Experiment, an dem wir teilgenahmen, war im
Jahr 1986 die Suche nach der Reaktion μ+ → e+e+e- am alten
SINDRUM-Spektrometer. Es handelte sich hierbei also um
die Suche nach einer Myon-Elektron-Konversion, die aus
Gründen der Erhaltung der Leptonenzahl nicht vorkommen
19
sollte. Für genauere Ergebnisse musste jedoch ein neuer Detektor gebaut werden, das SINDRUM II-Spektrometer. Es
bestand im Wesentlichen aus zwei Driftkammern DC1 und
DC2, sowie aus Cherenkov- und Szintillatorhodoskopen, die
zylindrisch um ein Target angeordnet waren. Zur Krümmung der Teilchenspuren war der Detektor von einem supraleitenden Magneten umgeben. Aus der Krümmung der
Spuren konnte jeweils der Teilchenimpuls bestimmt werden.
Das Herzstück des Detektors war das Modul DC1, in dem
die geladenen Teilchen registriert und ausgemessen wurden.
Bei der Vorbereitung zum Bau der DC1-Kammer war unsere Gruppe besonders stark beteiligt. Dazu wurde in Aachen
eine ebene Testdriftkammer gebaut, mit welcher verschiedene Gaszusammensetzungen für das DC1-Modul getestet
werden konnten. Darüber hinaus wurde hiermit das Rekonstruktionsprogramm für die Impulsmessung der DC1 entwickelt und genauestens getestet.
Das erste Experiment mit dem SINDRUM II-Spektrometer
bestand in der Suche nach der leptonflavourverletzenden
Reaktion μ- Ti → e- Ti, also nach einer Myon-Elektron-Konversion mit Titan als Target, bei stoppenden μ-. Da die Ergebnisse dieser Untersuchung nicht zufriedenstellend waren,
wurde das Experiment später unter verbesserten Bedingungen wiederholt, aber auch mit anderen Targets durchgeführt,
so z. B. für die Reaktion μ- Pb → e- Pb. Es ergaben sich
schließlich extrem genaue obere Grenzen für das Verzweigungsverhältnis zu anderen erlaubten Prozessen, z. B. für die
μ- Ti-Reaktion die Grenze BR < 7.3 . 10-13 bei 90% Confidence Level.
Welche Bedeutung diese extreme Genauigkeit hat, wird
sichtbar, wenn man für die μ-e-Konversion den Austausch
eines virtuellen Z0-Bosons annimmt, das leptonflavourverletzend an den leptonischen Strom koppelt. Man kann dann
auf einen möglichen leptonflavourverletzenden Zerfall des
realen Z0-Bosons umrechnen und erhält damit das Verzweigungsverhältnis für die μ-e-Konversion von BR(Z0 → μ-e) <
3 . 10-15 (bei 95% Confidence Level). Dieser Wert ist um ca.
neun Größenordnungen genauer ist als die Ergebnisse der
direkten Messung des Z0-Boson-Zerfalls am LEP-Collider
des CERN.
Neben diesen Experimenten wurde innerhalb einer Kollaboration mit Gruppen der Universität Heidelberg, des PSI, der
Universität Zürich, den Forschungsgruppen von Dubna und
Tiflis und der Yale University eine andere, interessante leptonflavourverletzende Reaktion untersucht, nämlich die Suche nach der spontanen Konversion von Myonium, dem
gebundenen e-μ+-Zustand, in Antimyonium, dem gebundenen e+μ--Zustand. Auch in diesem Fall handelt es sich um
eine eigentlich verbotene μ-e-Konversion. Hierzu wurden
einfallende positive Myonen in einem Target gestoppt, wobei
sich durch Elektroneneinfang Myonium bildete. Normalerweise zerfällt dieses Gebilde spontan, es sei denn, es würde
sich in Antimyonium umwandeln. Zum Nachweis der Zerfallsprodukte von Myonium und von eventuell umgewandeltem Antimyonium diente ein Magnetspektrometer. Da bei
diesem Experiment das Antimyonium nicht gefunden wurde,
ergab sich aus den experimentellen Daten eine Obergrenze
für die Konversionswahrscheinlichkeit von P < 8.7 . 10-8 bei
90% Confidence Level.
Messung elektrischer Dipolmomente an Speicherringen
am Forschungszentrum in Jülich
von Jörg Pretz
In der jüngeren Geschichte des Instituts wurde die Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich im Rahmen
der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) intensiviert. Mit
der Gründung einer neuen Sektion JARA-FAME (Forces
And Matter Experiments) im Januar 2013 wurde auch formal der Grundstein für die Zusammenarbeit gelegt. Gegenstand der Forschung ist das Schicksal der Anti-Materie im
Universum. Nach unserem heutigen Verständnis sind beim
Urknall Materie und Anti-Materie in gleichem Maße
entstanden. Da sich Materie und Anti-Materie gegenseitig
auslöschen, verdanken wir unsere Existenz Mechanismen,
die dazu geführt haben, dass diese Auslöschung nicht
vollständig ablief, sondern ein kleiner Überschuss an Materie
überlebte. Das Standardmodell der Elementarteilchen kennt
solche Mechanismen, die u.a. die Verletzung der fundamentalen Symmetrien der Ladungskonjugation und Parität (CPVerletzung) erfordern. Diese sind jedoch nicht stark genug,
um den beobachteten Überschuss an Materie zu erklären.
Nach Quellen jenseits des Standardmodells wird daher gesucht. Sie könnten zu einem elektrischen Dipolmoment von
Elementarteilchen führen und in Speicherringen wie z. B.
am Kühlersynchrotron COSY in Jülich nachgewiesen werden. Elektrische Dipolmomente entstehen, wenn die positiven und negativen Ladungsträger unterschiedliche Schwerpunkte haben. Die Herausforderung liegt in der Kleinheit
des erwarteten Effekts: Wäre das Proton so groß wie die Erde, so wäre die Separation der Ladungen innerhalb des Protons kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares.
Seit 2012 werden dazu verschiedene Vorstudien am COSY
in Jülich durchgeführt, die langfristig auf das Design und den
Bau eines neuartigen Speicherrings zielen. Im Rahmen dieses Projekts wurde der Autor dieses Artikels zum 1. Januar
2012 auf eine Professur für Experimentalphysik an die
RWTH/Forschungszentrum Jülich berufen. Es folgten die
Berufungen von zwei Mitarbeitern des Forschungszentrums
Jülich: im Juni 2012 Prof. Dr. Sebastian Schmidt auf eine
Professor für das Fach Physik und im Juli 2013 Prof. Dr.
Andreas Lehrach auf eine Professur für die Physik der Teilchenbeschleuniger.
Eine weitere Erklärungsmöglichkeit für die auf der Erde
beobachtete Materie-Anti-Materie Asymmetrie wäre die
Existenz großer Mengen von Anti-Materie in entfernten
Bereichen des Universums. Dann sollte sich mit dem in der
Raumstation ISS installierten Alpha Magnetic Spectrometer
(AMS) Anti-Materie direkt nachweisen lassen. In der Aufbauphase war unser Institut im Rahmen der Ausleseelektronik an diesem Projekt beteiligt, das heute u.a. vom I. Physikalischen Institut betrieben wird.
20
"7 "8 ,0"?2-+"7 Y30"7 2 ,73:732Z1 378 ,?2+8E"2X
:7?1@0- ,T?"00"S@0- ,
Zukunft der Teilchenphysik an Beschleunigern
Trotz der vielen spannenden Ergebnisse bleiben noch offene
Fragen, die in der Zukunft mit Experimenten an Teilchenbeschleunigern beantwortet werden können. Hier werden zwei
komplementäre Wege verfolgt:
Einerseits kann man mit Präzisionsexperimenten an Niederenergie-Speicherringen Eigenschaften von Teilchen, wie z. B.
elektrische Dipolmomente vermessen, für die das Standardmodell der Elementarteilchen keine Erklärung liefert. Dies
wäre dann ein eindeutiger Hinweis auf neue, unbekannte
Wechselwirkungen und Teilchen.
Andererseits erfordert der direkte Nachweis dieser Teilchen
Beschleuniger mit höchsten Energien und Intensitäten wie
den LHC. Die Collider-Experimente am LHC werden ihre
höchste Sensitivität für Entdeckungen erst in etwa einer Dekade erreicht haben. Nach einem längeren Shutdown für
Reparaturen und Verbesserungen am Beschleuniger und an
den LHC-Detektoren wird die Datennahme spätestens Anfang des Jahres 2015 wieder aufgenommen werden, dann bei
der maximalen Schwerpunktsenergie von 13-14 TeV und bei
zunehmender Kollisionsrate.
In späteren Jahren wird es am CMS-Detektor größere Umbauten geben, um ihn für die Hochluminositätsphase des
LHC vorzubereiten. In unserem Institut arbeiten wir schon
jetzt an Verbesserungen von Myondetektor und Trigger. Insgesamt will man am LHC eine integrierte Luminosität (ein
Maß für die Zahl der Kollisionsereignisse) von 3000/fb erreichen, das ist 100 mal mehr als der bisher erreichte Wert
(bei etwa halber Maximalenergie). Bis Ende der 2020er Jahre
soll der LHC-Collider mehr als 100 Millionen Milliarden
Proton-Proton-Kollisionen erzeugt haben.
Die Chancen stehen also sehr gut, supersymmetrische Teilchen oder winzige schwarze Löcher oder etwas völlig Unvorhergesehenes zu entdecken!
NEUTRINOPHYSIK
Neutrinophysik
von Stefan Roth und Christopher Wiebusch
Neutrinos gehören zu den faszinierendsten Elementarteilchen in der Physik. Sie besitzen kaum Masse, verletzen elementare Symmetrien und wechselwirken nur über die
schwache Wechselwirkung. Dadurch sind sie zwar nur
schwer experimentell messbar, ermöglichen aber andererseits
sehr klare Messungen fundamentaler Naturgesetze. Die Untersuchung von Neutrino-Wechselwirkungen stellte schon in
den Anfangsjahren einen der Forschungsschwerpunkte des
Instituts dar. Neutrino-Wechselwirkungen waren zu jener
Zeit schon aus dem radioaktiven β-Zerfall der Atomkerne
und vielen Zerfällen im gerade entdeckten Teilchenzoo gut
bekannt. Im Experiment wurde das Neutrino durch die
Umwandlung in sein assoziiertes geladenes Lepton nachgewiesen, das Elektron-Neutrino also durch ein Elektron, das
Myon-Neutrino durch ein Myon.
Eine neue vereinheitlichte Theorie von schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkung, aufgestellt durch Glashow,
Weinberg und Salam in den 1960er Jahren, sagte jedoch die
Existenz „Neutraler Ströme“ voraus, also einer neuen Art
der schwachen Wechselwirkung, bei der die beteiligten Teilchen ihre Ladung nicht ändern. In Neutrino-Wechselwirkungen sollten sich diese durch das Fehlen des geladenen
Leptons im Endzustand zu erkennen geben. Dies weckte den
Ehrgeiz der Experimentalphysiker, unter ihnen Prof. Helmut
Faissner und Dr. Klaus Schultze, nach solchen Ereignissen
bei der Wechselwirkung von Neutrinostrahlen zu suchen.
Am CERN wurde die riesige, mit einem Magnetfeld ausgerüstete Blasenkammer Gargamelle in einem Myon-Antineutrino-Strahl installiert. Die Ereignisse wurden photographisch festgehalten und die Aufnahmen an den beteiligten
Instituten ausgewertet.
-" e 1 02+" 08"2/11"7 7+1"00" "- -,7"7 32:+" 1
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0?8 ,?0:E" ?2!"01?: -882"7 E?811"2 1-: -:7"-:"72
1 22-2+X-8 ,Q ?# !"2!-" 5,3:3+75,-8 ,"2 08"2/11"X
7?#2,1"2573.-E-"7:B?7!"2
Das gezeigte Ereignis aus der Blasenkammer Gargamelle
zeigt den relevanten Ausschnitt des berühmten „Aachen Event“, einem Ereignis der Reaktion ν̄μ + e- → ν̄μ + e-, der als
weltweit erster experimenteller Beleg für die Existenz des
neutralen schwachen Stroms gilt. Ein Myon-Antineutrino
(nicht messbar, aber durch roten Pfeil angedeutet) trifft auf
ein Elektron der Blasenkammer-Flüssigkeit Freon (CF3Br).
Die Elektron-Spur entsteht quasi „aus dem Nichts“. Man
erkennt das Elektron daran, dass es aufschauert, d.h. Bremsstrahlungsphotonen abstrahlt, die sich nach kurzer Flugstrecke als Elektron-Positron-Paare materialisieren.
,3:3+75,-8 ," ?#2,1" !"8V ,"2A"2:UY8-"," ? ,-:"0X
-0!ZQ !"8 "78:"2 ,B"-8"8 !"8 2"?:70"2 8 ,B ,"2 :7318T
,3:3S
Die Analyse von Teilchenreaktionen war zu damaliger Zeit
sehr viel aufwändiger als heute, wo die gemessenen Ereignisse direkt als Datensatz auf dem Computer vorliegen. Damals
mussten die vom CERN gelieferten photographischen Negativ-Filme auf einen Scanning-Tisch projiziert werden, die
Spuren vermessen und ihre Parameter in den Rechner eingegeben werden. Aachen war eines der Institute, in denen
solch eine Analyse der Blasenkammerbilder möglich war.
21
NEUTRINOPHYSIK
Aber auch zu Simulationen und Untergrundabschätzungen
trug das Institut entscheidend bei. Die Beiträge des Instituts
zur Entdeckung des Neutralen Stroms wurden auch durch
Preise gewürdigt. Faissners Schüler Dieter Haidt, der den
kritischen neutroneninduzierten Untergrund sicher abschätzen konnte, wurde dafür 1975 mit dem Physikpreis der
Deutschen Physikalischen Gesellschaft geehrt. Für die Entdeckung der berühmt gewordenen Reaktion
ν̄μ + e- → ν̄μ + e- erhielt Helmut Faissner mehrere Auszeichnungen, u.a. 1980 den Max-Born-Preis der Deutschen und
Englischen Physikalischen Gesellschaften. Die Entdeckung
der neutralen schwachen Ströme durch die Gargamelle-Kollaboration wurde 2009 mit der Vergabe des Physikpreises der
Europäischen Physikalischen Gesellschaft noch einmal gewürdigt. Auch die Ausrichtung der renommierten NeutrinoKonferenz des Jahres 1976 in Aachen ist den damaligen
wichtigen Beiträgen des Instituts zur Neutrinophysik zuzuschreiben.
sammen mit Dr. Dieter Rein, nämlich „Neutrino-Excitation
of Baryon Resonances and Single Pion Production“, ist als
„Rein-Sehgal-Modell“ weltweit bekannt geworden und wird
auch von heutigen Neutrino-Experimenten noch zitiert. Im
Jahr 1992 sagte Lalit Sehgal korrekt voraus, dass man in
Kaon-Zerfällen die Verletzung einer fundamentalen Symmetrie, nämlich der Zeitumkehrinvarianz messen kann.
-""-!"2,"37"</"7 -":"7"-2Y0TZ?2!0-:T",+0 Y7TZ1-:
!"7!10-+"2V7>7 ,:UT,3:3ST",+0
In der Gargamelle-Blasenkammer wurden insgesamt drei
Neutrino-Elektron-Streuereignisse nachgewiesen, zu wenige,
um daraus quantitative Schlüsse ziehen zu können. Helmut
Faissner entwarf daher zusammen mit Kollegen aus Padua
einen großen Funkenkammerdetektor. Schon 1974 war der
Detektor mit Aachener Werkstatthilfe fertig gestellt. Gegen
den Trend zu immer größeren Kollaborationen stellte das
von nur zwei Universitäten getragene Aachen-Padua-Experiment AC-PD eine bemerkenswerte Ausnahme dar. Für
seinen entscheidenden Anteil an der Entdeckung und Messung der Streuung von Myon-Neutrinos an Elektronen erhielt Dr. Hans Reithler im Jahr 1979 den Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft.
-":"7-!:`hffT,3:3S
"01?: -882"7 Y0-2/8Z -2 ,"-:"7"1 "857 , 1-: !?8 01
Y7" ,:8ZB,7"2!!"7 ,"2"7 "?:7-23X32#"7"2E-1,7`hfeT
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Die Einwerbung von Drittmitteln durch Profs. Rudolf Rodenberg und Martin Deutschmann erlaubte den Aufbau
einer Theoretikergruppe am III. Physikalischen Institut, die
auch und vor allem in der Neutrinophysik die experimentellen Arbeiten des Instituts unterstützte. Prof. Lalit Sehgal
konnte in seinem Artikel „A Determination of the Neutral
Current Coupling Constants from Inclusive and Semi-Inclusive Neutrino Data“ im Jahr 1973 das Salam-Weinberg-Modell bestätigen und mit sin2 θW ≈ 0,3 eine erste Abschätzung
für den Weinberg-Winkel liefern. Eine Veröffentlichung zu-
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NEUTRINOPHYSIK
der Nahdetektor, der im Jahr 2014 in Betrieb gehen soll. Da
dieser Detektor den Fluss vor Einsetzen der Oszillation misst,
kann so der Effekt über Differenzbildung beider Detektoren
sehr präzise bestimmt werden. Unter der Leitung unseres im
Jahr 2012 verstorbenen Ingenieurs Franz Beißel wurde die
auf hohe Zuverlässigkeit optimierte Triggerelektronik für
Double-Chooz entwickelt, produziert und vor Ort am Experiment installiert. Nach seiner Berufung beteiligte sich auch
Prof. Christopher Wiebusch an diesem Experiment, wodurch
zusätzlich eine Beteiligung am Test und der Installation des
Photomultiplier-Systems möglich wurde.
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Danach wandte sich das Institut anderen Experimenten zu.
Hierzu zählte auch das Experiment L3 am Large Electron
Positron Collider LEP, von dem in einem früheren Kapitel
bereits berichtet wurde. Auch dort konnten Informationen
über die Neutrinos gesammelt werden, allen voran der Beweis, dass es drei Neutrinoarten gibt, welcher aus der Messung der Breite der Z-Resonanz erbracht werden konnte.
Das Double-Chooz-Experiment
Nach der Berufung von Prof. Achim Stahl auf den Lehrstuhl
IIIB wurde das Augenmerk wieder vermehrt auf die Neutrinophysik gelegt. Mit der Entdeckung von Neutrinooszillation, das heißt der Umwandlung von verschiedenen Neutrinosorten ineinander, im Jahr 1998 war nicht nur klar geworden, dass Neutrinos eine Masse besitzen, sondern auch, dass
die Leptonen-Flavorzahl verletzt ist. Neben den Massenunterschieden der Neutrinos wird die Umwandlung durch drei
fundamentale Naturkonstanten, die sogenannten Mischungswinkel beschrieben. Zwei dieser Winkel sind groß
und konnten daher durch bisherige Messungen gut bestimmt
werden. Für den dritten Winkel θ13 jedoch waren alle vorherigen Messversuche fehlgeschlagen und es existierten nur
obere Ausschlussgrenzen. Eine wichtige Frage war hierbei,
ob der Winkel überhaupt von Null verschieden und damit
messbar ist. Das erste neue Neutrino-Projekt des Instituts,
das Double-Chooz-Experiment in Frankreich, sollte genau
diese Frage klären. Das Experiment befindet sich an einem
Kernkraftwerk in der Nähe der Ortschaft Chooz am Oberlauf der Maas. Kernreaktoren stellen über die große Zahl
der in ihnen stattfindenen Kernzerfälle eine starke Quelle an
Elektron-Antineutrinos dar. Zusammen mit einer internationalen Kollaboration aus etwa 150 Wissenschaftlern werden
zwei identische Neutrinodetektoren in Abständen von ca.
400 m und 1050 m von den Reaktorkernen installiert. Der
ferne Detektor ist fertiggestellt und misst seit 2011 den Neutrinofluss. Das beobachtete Defizit an detektierten Neutrinos
lässt darauf schließen, dass sich ein Teil der Elektron-Antineutrinos in ein Antineutrino der anderen beiden Neutrinosorten verwandelt hat. Die Stärke dieses Verschwindens von
Elektron-Antineutrinos hängt unmittelbar von diesem unbekannten Mischungswinkel θ13 ab und erlaubt so seine Messung. Eine Herausforderung ist, dass nur wenige Prozent der
Neutrinos verschwinden, so dass absolute Fehlerquellen sehr
gut kontrolliert werden müssen. Dies erlaubt insbesondere
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Mit den ersten Daten von Double-Chooz konnte Ende 2011
ein unerwartet großer Wert für den Winkel θ13 von etwa 9°
gemessen werden und in Kombination mit dem im Folgenden beschrieben T2K Experiment ein Wert von 0° mit mehr
als 99.7% Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Obwohl mit den folgenden Daten die Genauigkeit laufend verbessert wird, haben zwei ähnliche Experimente in China und
Korea inzwischen noch genauere Messungen veröffentlicht,
da dort mehrere Detektoren in Reaktornähe in Betrieb sind.
Deshalb wird nun mit Spannung die Inbetriebnahme des
zweiten Double-Chooz Detektors erwartet. Der Winkel θ13
ist inzwischen, nur 1,5 Jahre nach seiner Entdeckung, der
NEUTRINOPHYSIK
mit der besten absoluten Genauigkeit gemessene Oszillationswinkel. Das Double-Chooz-Experiment ist nur etwa
180 km von Aachen entfernt. Dadurch waren natürlich Aachener Physiker sehr stark beim Aufbau präsent und sind
natürlich immer gefragt, wenn es um kurzfristigen Einsatz
vor Ort geht, sei es bei der Installation des Detektors oder
bei den Schichten zur Datennahme. Auch bei der Analyse,
die zur erstmaligen Messung einer neuen Naturkonstante
geführt hat, wurden wichtige Beiträge geleistet. Schwerpunkt
war hier die Bestimmung der Neutrino-Detektionseffizienz,
deren Genauigkeit für die Messung eines Defizits entscheidend ist.
Aachen waren genau zu jener Zeit vor Ort am Experiment,
als das große Tohoku-Erdbeben vom 11. März 2011 und die
daraus resultierende Fukushima-Katastrophe stattfanden.
Trotz Ausfall der Mobilfunknetze gelang es in nur drei Tagen, sie mit Hilfe japanischer Kollegen im dortigen Chaos
zum internationalen Flughafen Narita zu befördern, von wo
sie mit einem von Aachen aus gebuchten Flug die Heimreise
antreten konnten.
Das T2K-Experiment
Als nächster Schritt zur Verstärkung der Neutrinophysik
beteiligt sich das Institut am Neutrinoexperiment T2K (Tokai to Kamioka) seit dem Jahr 2007. Physikalisch erweitert
das Projekt die Fragestellung des Double-Chooz Experimentes, indem nun nicht das Verschwinden einer Neutrinoart
gemessen werden soll, sondern diesmal das Erscheinen von
umgewandelten Neutrinos. Methodisch führt das Experiment wieder an die Anfänge der Neutrinoexperimente des
Instituts zurück. Es werden nämlich an einem Beschleuniger
erzeugte Myon-Neutrinos verwendet und zunächst auf einen
Nahdetektor gerichtet. Dort registriert man die gleichen
Neutrinoreaktionen wie in der Gargamelle-Blasenkammer:
Neutral-Current- und Charged-Current-Ereignisse. Der erste Beitrag des Instituts zu diesem Experiment war insofern
die Beschreibung der Neutrinoreaktionen mit dem oben
schon genannten Rein-Sehgal-Modell. In 295 Kilometern
Entfernung vom Erzeugungsort in Tokai an der Ostküste
Japans wird der Neutrinostrahl dann im Ferndetektor, dem
Superkamiokande-Detektor in einem Bergwerk in der Nähe
der japanischen Stadt Kamioka, nachgewiesen. Ein kleiner
Teil der ursprünglichen Myon-Neutrinos hat sich in Elektron-Neutrinos umgewandelt. Aus den Unterschieden zwischen Nah- und Ferndetektor lässt sich auch hier die Oszillationswahrscheinlichkeit messen. Unter anderem gelang T2K
die erste direkte Beobachtung der Umwandlung von einer
Neutrinosorte in eine andere durch den zweifelsfreien
Nachweis von Elektron-Neutrinos im Ferndetektor, obwohl
der ausgesandte Strahl fast ausschließlich aus Myon-Neutrinos besteht.
Als Beitrag zum Nahdetektor stellte eine Gruppe um Dr.
Stefan Roth Monitorkammern zur Verfügung, die kontinuierlich das Gas kontrollieren, mit dem die Spurenkammern
betrieben werden. Das Monitorkammersystem wurde in Aachen vorgefertigt und in Japan in das Gassystem integriert
und in Betrieb genommen. Ein weiterer wichtiger Beitrag
war das Fahrwerk für den ca. 1000 t schweren Experimentiermagneten. Dabei wurde das Magnetfahrwerk des HERAB-Experiments wiederverwendet. Die Logistik forderte von
allen großes Engagement. Der ehemalige Werkstattleiter des
Instituts IIIA Karl Bossler koordinierte dabei die Arbeiten in
Aachen, der Werkstattleiter von IIIB Dieter Jahn die Installation in Japan. Die weite Anreise zum Experiment in Japan
(mindestens 11 Stunden Flug und oft bis zu 24 Stunden von
Institut zu Experiment) machen natürlich eine vorausschauende Reiseplanung unabdingbar. Eine der Reisen nach Japan wird dabei unserer Gruppe noch lange Zeit im Gedächtnis bleiben. Zwei Doktoranden und ein Diplomand aus
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Das T2K-Experiment ist nicht nur auf die Umwandlung
von Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos sensitiv, sondern
auch auf das Verschwinden von Myon-Neutrinos aus dem
Strahl durch Oszillation in Tau-Neutrinos. Hier wurde kürzlich die bisher weltweit genaueste Vermessung dieser Oszillation durchgeführt. Auch mit der Niederenergieerweiterung
NEUTRINOPHYSIK
DeepCore von IceCube (siehe Kapitel über Astroteilchenphysik) ist diese Oszillationsmessung möglich. Hierbei nutzt
man Neutrinos, die in der Atmosphäre rund um die Erde
erzeugt werden, als Neutrinoquelle und misst das energieund winkelabhängige Verschwinden von Myon-Neutrinos.
Eine erste Analyse der Daten ist konsistent mit den bisherigen Messungen von T2K, erreicht aber noch nicht die notwendige Genauigkeit für eine Verbesserung. Diese Analysen
werden sehr intensiv von der Aachener IceCube Gruppe
verfolgt. In ersten Ergebnissen zeigt sich hier, dass noch deutliche Verbesserungen der Messgenauigkeit zu erwarten sind.
Ähnliche Analysen in Aachen suchen auch nach Hinweisen
auf Oszillationen in zusätzliche aber bisher unbekannte
Neutrinosorten. An diesen Beispielen wird die starke Synergie zwischen Neutrinophysik und der Astroteilchenphysik
deutlich.
Ausblick
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Neutrinophysik seit den Anfängen des Instituts bis heute ein wichtiger
Bestandteil unserer Forschungsaktivitäten war und ist. Während in der ersten Phase das Verständnis der elektroschwachen Wechselwirkung im Vordergrund stand, sind es aktuell
Fragen, die mit den Neutrinooszillationen zusammenhängen.
In den letzten Jahren hat das Institut wichtige Messungen
zur quantitativen Bestimmung der zugrundeliegenden Parameter beigetragen. Besonders wichtig ist hierbei die Entdeckung des Winkels θ13. Auch hier verbleiben einige offene
Fragen. Besonders wichtig ist die Frage, ob bei Neutrinos,
ähnlich wie bei Quarks eine Verletzung der fundamentalen
Symmetrie CP vorliegt. Im Gegensatz zu Quarks könnte die
CP-Verletzung bei den Neutrinos viel stärker ausgeprägt
sein. Mit dieser Symmetrieverletzung könnte eines der
grundlegendsten Rätsel in den Naturwissenschaften erklärt
werden: warum das Universum überwiegend aus Materie
und nicht aus Antimaterie besteht bzw. warum sich kurz
nach dem Urknall Materie und Anti-Materie nicht vollständig ausgelöscht haben und wir deshalb existieren. Die Messung dieses Effektes scheint über Neutrinooszillationen möglich. Die Messbarkeit hängt von dem Wert von θ13 ab, aber
auch von der noch unbekannten Hierarchie der absoluten
Neutrinomassen.
Im ersten Schritt wurde nun glücklicherweise ein relativ großer Wert von θ13 gefunden, so dass nun die Hierarchiemessung der nächste Schritt ist. Für die Zukunft sind zwei vielversprechende Projekte in Planung, mit denen diese Messung
möglich ist. Zum einen könnte die Messgenauigkeit atmosphärischer Neutrinos mit IceCube durch eine deutlich stärkere Instrumentierung des zentralen Bereichs verbessert
werden. Dieser sogenannte PINGU Detektor könnte innerhalb weniger Jahre gebaut werden und erste Studien, auch
aus Aachen, zeigen, dass eine Messung der Hierarchie nach
2-5 Jahren Messzeit möglich sein sollte.
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Im zweiten Ansatz, dem LENA Detektor, könnten die Erfahrung mit der Flüssigszintillatortechnologie von DoubleChooz genutzt werden. Hier soll in einer riesigen Kaverne
ein großer Detektor mit etwa 50 kt Targetmasse gebaut werden. Die Hierarchie könnte z. B. über die Messung von Reaktorneutrinos aus entfernten Reaktoren, über einen künstlichen Neutrinostrahl, oder wie bei PINGU über atmosphärische Neutrinos erfolgen. Eine Besonderheit von LENA ist
das breite Physikprogramm, das mit diesem Detektor möglich ist. Zusätzlich zu den Messungen zur Neutrino Physik
wäre LENA ein einzigartiges Observatorium für Neutrinos
mit Energien von nur wenigen MeV. Neben konkurrenzlosen
Messungen von Neutrinos aus der Sonne und Supernovae,
könnten z. B. auch Neutrinos aus radioaktiven Zerfällen im
Erdinneren erstmalig entdeckt werden. Ein Standort für
LENA steht noch nicht fest. Zur Diskussion steht eine Mine
in Pyhäsalmi (Finnland), jedoch ist hier die Finanzierung
noch nicht geklärt. Daher wird augenblicklich auch eine Beteiligung des Institutes am etwas kleineren Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in China diskutiert.
Das Institut hat in der Vergangenheit entscheidende Beiträge
zum Verständnis der Neutrinos, dieser am schwersten fassbaren Sorte von Elementarteilchen, erbracht. Dafür, dass dies
auch in Zukunft gelingt, bürgen vor allem die Studierenden,
die sich für dieses Teilgebiet der Teilchenphysik begeistern.
In den beiden Zukunftsprojekten PINGU und LENA lassen
sich die Stärken des Instituts in der Astroteilchenphysik und
der Neutrinophysik ideal verbinden.
ASTROTEILCHENPHYSIK
Astroteilchenphysik
von Christopher Wiebusch mit Beiträgen der im Text genannten Autoren
Der Beginn der Astroteilchenphysik ist eng verknüpft mit der
Entdeckung der kosmischen Strahlung vor über 100 Jahren
in Ballonflügen von Victor Hess. Seither werden ihre Eigenschaften erforscht. Die bis heute ungeklärte Frage der Herkunft dieser Strahlung gibt uns ein noch zu lösendes Jahrhundert-Rätsel auf.
Hauptsächlich besteht die Strahlung aus geladenen Hadronen: Protonen und schwerere Atomkerne. Gigantische Energien, weit jenseits terrestrischer Beschleuniger, von über
1020 eV wurden gemessen und über das Energiespektrum
kann man auf einen nicht-thermischen Ursprung schließen.
Als Quellen kommen extreme astrophysikalische Umgebungen wie z. B. Schwarze Löcher und Supernova-Explosionen
in Frage, bei denen die Beschleunigung durch Schockwellen
in turbulentem Plasma über Magnetfelder erfolgen kann.
Neben der direkten Messung der geladenen Komponente
kann das hochenergetische Universum auch über neutrale
Botenteilchen wie Photonen und Neutrinos erforscht werden
(siehe Abbildung 1). Die Messung aller Komponenten der
kosmischen Strahlung ist auch in Hinblick auf die Suche
nach der Teilchennatur der rätselhaften dunklen Materie
interessant. Dunkle Materie könnte z. B. über Vernichtungsprozesse für einen Teil dieser Strahlung verantwortlich sein.
höherer Luminosität unter definierten Laborbedingungen
ermöglichte. Eine Renaissance erlebte die Astroteilchenphysik um die Jahrtausendwende, als es mit neuartigen Experimenten möglich wurde, die Messgenauigkeit und Sensitivität
enorm zu steigern. Ein wichtiges Beispiel ist hierbei die Messung von Neutrinos aus der Erdatmosphäre und der Sonne,
die zur Entdeckung von Neutrinooszillationen geführt haben. Dies ist neben der vermuteten Existenz von Dunkler
Materie ein vielversprechender Hinweis auf neue Physik
jenseits des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.
Auch das III. Physikalische Institut beteiligte sich neben dem
auf Beschleuniger ausgerichteten Forschungsprogramm
schon in den 80er und 90er Jahren immer wieder an Projekten zur Astroteilchenphysik.
Ein Pionier der Astroteilchenphysik war der im Jahr 2012
verstorbene Prof. Peter Bosetti, der sich visionär für das Forschungsfeld einsetzte. Hierbei beteiligte sich das III. Institut
am DUMAND Neutrinoteleskop mit der Entwicklung optischer Sensoren. Obwohl DUMAND, das im pazifischen
Ozean vor Hawaii gebaut werden sollte, letztlich an technologischen Schwierigkeiten scheiterte, stellte es den Prototyp
für die späteren erfolgreichen Unterwasserexperimente Baikal und ANTARES dar.
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Die ersten Messungen der kosmischen Strahlung stellen auch
die Geburtsstunde der Elementarteilchenphysik dar. Viele
der heute bekannten Teilchen, wie Myonen oder Pionen,
wurden zunächst in der kosmischen Strahlung entdeckt. Erst
als in der Mitte des letzten Jahrhunderts leistungsfähige Teilchenbeschleuniger entwickelt wurden, ging die Bedeutung
der Astroteilchenphysik für die Grundlagenforschung zurück, da die terrestrische Beschleunigung Messungen mit
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ASTROTEILCHENPHYSIK
Ein Höhepunkt der Aachener Arbeiten hierzu war das JULIA Projekt, das im Jahr 1991 unter der Leitung von Peter
Bosetti und Doris Samm (jetzt Professorin an der FH Aachen) gemeinsam von beiden Lehrstühlen durchgeführt wurde. JULIA war ein Testexperiment auf dem Forschungsschiff
Sonne, bei dem optische Sensoren für den Neutrinonachweis
in der Tiefsee im Atlantik vor den kanarischen Inseln getestet
wurden. Ursprünglich waren die Messungen vor Griechenland im Mittelmeer geplant, aber in Folge des Golfkrieges
wurde die Route des aus dem Indischen Ozean kommenden
Schiffes kurzfristig um Afrika herum verlegt. Daher musste
innerhalb weniger Wochen das komplette Projekt neu geplant werden, was zu zahlreichen schlaflosen Nächten führte.
Zur Lösung der erheblichen administrativen Hindernisse,
wie Genehmigungsverfahren, Zollformalitäten und Finanzierungslücken hat besonders der im Jahr 2008 verstorbene
akademische Direktor des Instituts IIIA, Hubert Geller, beigetragen. Die endgültige Erlaubnis der spanischen Behörden, optische Sensoren in den Atlantik vor Gomera lassen zu
dürfen, erreichte die Crew erst vor Ort auf See.
Weiterhin erwähnenswert ist die Entwicklung des Programms GEISHA von Harm Fesefeldt Mitte der 80er Jahre
zur Simulation hadronischer Wechselwirkungen, das auch
heute noch als Teil des Luftschauersimulationsprogramms
CORSIKA zum Einsatz kommt. Ende der 90er Jahren wurde am Institut IIIB Elektronik für das AMS Projekt entwickelt. AMS ist ein Spektrometer zur Suche nach kosmischer
Antimaterie, das inzwischen, unter maßgeblicher Beteiligung
des I. Instituts, auf der internationalen Raumstation (ISS)
installiert wurde und seit 2011 hervorragende Messungen
der geladenen kosmischen Strahlung liefert.
Nach der Jahrtausendwende wurde die Astroteilchenphysik
als weiteres Standbein des Instituts systematisch gestärkt. Am
Lehrstuhl A beteiligen sich seit 2005 die Arbeitsgruppen von
Prof. Thomas Hebbeker und Prof. Martin Erdmann am
Pierre Auger-Observatorium in Argentinien, einem
3000 km2 großen Luftschauerdetektor für die Messung
höchstenergetischer kosmischer Strahlung; am Lehrstuhl B
beteiligt sich seit 2006 die Arbeitsgruppe von Prof. Christopher Wiebusch am IceCube Neutrino-Observatorium, einem 1 km3 großen Neutrinodetektor im Antarktischen Eis
am geographischen Südpol. Beide Projekte sind weltweit
führend in ihren Forschungsgebieten. Nicht nur über die
Verknüpfung ähnlicher wissenschaftlicher Fragestellungen
wie dem Ursprung der kosmischen Strahlung ergeben sich
große Synergien zwischen den Arbeitsgruppen sondern auch
über die Detektorphysik. Auger ist bei höchsten Energien
ebenfalls ein sensitiver Neutrinodetektor und IceCube hat
sich inzwischen als ausgezeichneter Detektor für die geladene kosmische Strahlung etabliert.
Zusätzlich wurde die Astroteilchenphysik durch den Masterschwerpunkt „Astroteilchenphysik und Kosmologie“ fest im
Lehrcurriculum verankert. Beide Experimente begeistern
viele Studierende und können bereits auf über 100 Abschlussarbeiten verweisen, viele davon mit international
sichtbaren Resultaten.
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Das Pierre Auger Observatorium
von Martin Erdmann, Matthias Plum und Christopher Wiebusch
Das Pierre Auger Observatorium ist der weltgrößte erdgebundene Detektor für kosmische Strahlung. Er wurde für die
Messung kosmischer Strahlung mit Energien über 1018 eV
optimiert und im Jahr 2007 fertiggestellt. Die Messung erfolgt über den Nachweis sekundärer ausgedehnter Luftschauer, die in Folge der Kollision der hochenergetischen
Primärteilchen mit der Erdatmosphäre entstehen. Insgesamt
ist eine Fläche von ca. 3000 km², etwa der Fläche des Saarlandes entsprechend, in der argentinischen Pampa Amarilla
nahe der Stadt Malargüe mit Detektoren instrumentiert.
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Eine Besonderheit des Experimentes im Gegensatz zu vorherigen Detektoren ist nicht nur die enorme Größe, sondern
auch der Nachweis der Luftschauer mit der sogenannten
Hybridtechnik.
Hierbei wird ein Luftschauer gleichzeitig von zwei unterschiedlichen Detektorsystemen aufgezeichnet. Zum einen
werden die Luftschauerteilchen, die den Boden erreichen, in
1660 Wasser-Cherenkov-Tanks mit einem typischen Abstand
von 1,5 km gemessen. Aus den Ankunftszeiten und der Ortsverteilung registrierter Schauerteilchen kann die Geometrie
und Energie des Luftschauers bestimmt werden. Zum anderen wird mit 27 optischen Teleskopen das Fluoreszenzlicht,
das bei der Entwicklung des Luftschauers entsteht, direkt
beobachtet. Dabei können die Geometrie und besonders gut
die Energie gemessen werden. Zusätzlich kann über die Eindringtiefe der Schauer in die Atmosphäre die Art des Primärteilchens untersucht werden. Die Teleskope können nur
in klaren mondlosen Nächten arbeiten, was ungefähr 12%
der Messzeit beträgt. Der Oberflächendetektor jedoch kann
mit annähernd 100% der Zeit messen. Mit Ereignissen, die
simultan in beiden Detektorsystemen gemessen werden, wird
eine absolute Kalibration für die Energiemessung des Oberflächendetektors durchgeführt.
ASTROTEILCHENPHYSIK
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Das III. Physikalische Institut ist ein wichtiger Partner in der
großen internationalen Auger-Kollaboration mit über 500
Wissenschaftlern. Es ist in vielen Bereichen aktiv, die von
Detektorentwicklung und Aufbau bis zu Datenanalyse reichen. Diese Analysen beschäftigen sich mit der Rekonstruktion von Luftschauern, galaktischen/extragalaktischen Magnetfeldern, Anisotropie der kosmischen Strahlung in großen
Strukturen, der Suche nach Punktquellen und der Suche
nach neuer Physik.
Wichtige Ergebnisse des Auger-Experimentes sind die Messung des Energiespektrums der primären kosmischen Strahlung und besonders die erstmalige Bestätigung, dass das
Spektrum oberhalb von etwa 1020 eV stark abfällt, sowie die
Messung deren chemischer Zusammensetzung mit einem
Trend zu schwereren Elementen bei zunehmenden Energien.
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In den registrierten höchstenergetischen Ereignissen konnten
bisher keine Anzeichen für Photonen gefunden werden, wodurch eine ganze Reihe theoretischer Modelle zur Erklärung
der dunklen Materie über superschwere exotische Teilchen
der Frühphase des Urknalls ausgeschlossen wurden.
Die kosmische Strahlung ist nicht gleichmäßig über den
Himmel verteilt, da einige höchstenergetische Ereignisse mit
aktiven galaktischen Kernen (Galaxien mit super-massiven
Schwarzen Löchern) korreliert sind.
ASTROTEILCHENPHYSIK
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Diese Analysen umfassen vor allem die chemische Zusammensetzung und das Energiespektrum.
Weitere wichtige Arbeiten umfassen die Messung von Luftschauern mit Radioantennen und die Weiterentwicklung der
Fluoreszenzmessungen mit auf Silizium-Photomultipliern
basierenden Teleskopen (FAMOUS). Diese werden im Kapi-: !"1 -"77" ?+"7 8"7A:37-?1 +"1"88"2" 2-83:735-" !"7 tel Detektorentwicklung beschrieben.
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Beim Aufbau des Experimentes hat sich das III. Institut A
besonders im Bereich des High Elevation Auger Telescopes
(HEAT) Systems engagiert. HEAT ist eine von zwei Niederenergie-Erweiterungen des Pierre Auger Observatoriums
und erniedrigt die Detektionsschwelle für Luftschauer bis zu
einer Energie von nur 1017 eV. In diesem Energiebereich
wird der Übergang von galaktischer zu extragalaktischer
kosmischer Strahlung vermutet, welcher sich in einer Änderung des Energiespektrums und der chemischen Komposition bemerkbar macht. Dazu wurden drei Fluoreszenz-Teleskope gebaut, welche mechanisch höher in den Himmel geneigt werden um das Sichtfeld der normalen Teleskope zu
erweitern. Damit können auch sehr lichtschwache Luftschauer in kurzer Entfernung aber größerer Höhe in der
Atmosphäre genau vermessen werden. Das III. Physikalische
Institut und besonders die mechanische Werkstatt waren
stark an der Planung und dem Bau dieser Teleskope beteiligt.
Hier wurden der mechanische Kippmechanismus und die
Hydrauliksysteme gebaut, sowie Abstandssensoren entwickelt, welche die mechanische Stabilität der Teleskope überwachen. Seit 2010 werden Daten mit HEAT aufgenommen.
Die Aachener Auger-Gruppe arbeitet intensiv an der Auswertung der mit HEAT genommen Daten.
29
Simulationen des höchstenergetischen Universums
Die Messungen zur geladenen kosmischen Strahlung geben
Hinweise auf verschiedene Einzelaspekte unseres Universums. Um die Beobachtungen in einem konsistenten Bild
zusammenzufügen, entwickelt die Arbeitsgruppe von Professor Erdmann Simulationsprogramme, die Teilchen von ihrer
Quelle bis zur Detektion auf der Erde verfolgen.
Im Rahmen einer internationalen Kooperation ist dabei das
Programmpaket CRPropa 3 entstanden, in dem alle relevanten physikalischen Komponenten zusammengebracht werden: Zum Beispiel ergeben neue Simulationen der kosmischen Strukturbildung die Massenverteilung des lokalen
Universums und enthalten dynamisch erzeugte Magnetfelder. Geladene kosmische Teilchen werden auf ihrem Weg
zur Erde in diesen Magnetfeldern abgelenkt.
In einem typischen Simulationsszenario für kosmische Teilchen werden zunächst Quellen ausgewählt und von dort
Kerne mit verschiedenen Energien losgeschickt. Die Kerne
erfahren Ablenkungen in Magnetfeldern, verlieren Energie
durch Wechselwirkung mit den Photonen der Hintergrundstrahlung und können dabei aufspalten. Die geladene kosmische Strahlung wird bei ihrem Eintritt in unserer Galaxie
auch durch das galaktische Magnetfeld abgelenkt, das durch
Beobachtungen der Faraday-Rotation und Sternlichtpolarisation vermessen wurde.
Ein möglicher Mechanismus zur Erzeugung von Neutrinos
und Photonen ist der sogenannte GZK-Effekt, der in Laborexperimenten mit hochenergetischen Photonen vorgemacht
wurde: Durch Wechselwirkung eines sehr hochenergetischen
Protons mit einem Photon der Untergrundstrahlung entstehen Pionen. Diese zerfallen in hochenergetische Neutrinos
und Photonen. Dadurch eignen sich die Programme für die
simultane Simulation verschiedener Botenteilchen und er-
ASTROTEILCHENPHYSIK
möglichen sogenannte „Multimessenger“-Untersuchungen
des hochenergetischen Universums.
Jedes Simulationsszenario wird mit genügend Statistik produziert, um die gemessenen Verteilungen der Ankunftsrichtung, Teilchenenergie und Komposition der großen Observatorien zu simulieren. Viele der besonders einfachen Vorstellungen vom Universum sind mit den Messungen nicht
kompatibel. Nach dem Prinzip des Ausschlusses arbeitet sich
diese Projektgruppe an realistische Szenarien heran, mit denen die Beobachtungen des höchstenergetischen Universums
konsistent interpretiert werden können.
Die Lichtsensoren sind in Druckgehäuse eingebaut und wurden in 2,5 km tiefe Bohrlöcher ins Eis eingebracht und eingefroren. Mit Hilfe von Kabeltrossen zur Oberfläche werden
kontinuierlich Daten gemessen. Insgesamt besteht IceCube
aus drei Untersystemen: An der Oberfläche ist dies ein 1 km2
großer Luftschauerdetektor (IceTop). Der Neutrino-Detektor
im Eis besteht aus insgesamt 86 Kabeln, von denen 78 im
horizontalen Abstand von etwa 125 m angeordnet sind. Der
zentrale Bereich ist mit acht zusätzlichen Kabeln dichter
instrumentiert und bildet den sogenannten DeepCore Detektor, an dessen Bau sich besonders unser Institut beteiligt hat.
Der optische Sensor von IceCube ist in der nächsten Abbildung gezeigt. Die Sensoren sind den in den 90er Jahren in
Aachen entwickelten Sensoren sehr ähnlich, jedoch hat auch
hier inzwischen die Digitaltechnik Einzug gehalten: in den
Photo-Sensoren wird für jedes aufgefangene Photon das
vollständige Signal vor Ort digitalisiert und mit Nanosekunden-Genauigkeit an die Oberfläche übermittelt.
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Das IceCube Neutrino-Observatorium
von Christopher Wiebusch
Das IceCube Neutrino-Observatorium ist ein gigantischer
Neutrinodetektor, für den 1 km3 des antarktischen Gletschereises am geographischen Südpol mit Licht-Sensoren instrumentiert wurden. Neutrinos werden über Cherenkovlicht
gemessen, das von den Sekundärteilchen bei Wechselwirkungen emittiert wird.
Eine Detektorskizze ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
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Nach knapp sechs Jahren Bauzeit und einem Jahrzehnt Vorbereitung wurde im Dezember 2010 der Detektor vervollständigt. Die instrumentierte Target-Masse von mehr als
einer Milliarde Tonnen macht IceCube zum mit Abstand
größten Teilchendetektor weltweit. Das Projekt wurde von
einer internationalen Kollaboration von etwa 250 Wissenschaftlern von 40 Institutionen aus 9 Ländern aufgebaut.
Das III. Physikalische Institut stellt die zurzeit drittgrößte
Arbeitsgruppe in diesem Verbund und nimmt damit eine
wichtige Stellung insbesondere im Bereich der Datenanalyse
ein.
Schwerpunkte der Aachener Arbeitsgruppe sind neben der
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Detektorentwicklung die Suche nach Quellen extraterrestri:7-23!":"/:37 -8:!8-8-2"-2"7-"#" A32`cd_1 -8acd_11-:
scher Neutrinos, Neutrinos aus Dunkler Materie, Neutrinoge "0:7388"2Q 2 !"2"2 ."B"-08 e_ 35<8 ," "2837"2 2+"X
physik und Oszillationsmessungen mit Neutrinos aus der
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Atmosphäre und die Suche nach neuer Physik, z. B. magne?)8 ,?"7!":"/:37
"35T-:-28+"81:èaQ!"1-"77"X?+"7X
tischen Monopolen.
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30
ASTROTEILCHENPHYSIK
net, die nicht mit gegenwärtigen Modellen terrestrischen
Ursprungs vereinbar sind. Die zwei höchstenergetischsten
Ereignisse wurden wegen ihrer großen Ähnlichkeit scherzhaft „Bert“ und „Ernie“ genannt (siehe Abbildung). Diese
starken Hinweise auf ein kosmisches Neutrinosignal werden
mit großer Spannung weiterverfolgt und sollten mit den neuesten Daten von IceCube erhärtet werden. Diese Messungen
könnten, wenn ihre kosmischen Quellen identifiziert werden
können, das Jahrhunderträtsel des Ursprungs der kosmischen Strahlung lösen.
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IceCube misst Neutrinos mit hoher Statistik: etwa alle 5 Minuten wird ein hochenergetisches Neutrino detektiert, etwa
100.000 pro Jahr. Das Energiespektrum dieser Neutrinos ist
in der Abbildung oben gezeigt. Die meisten dieser Neutrinos
sind sehr gut verträglich mit der Entstehung in Luftschauern
in der Erdatmosphäre, jedoch wurden in den ersten zwei
Jahren des Betriebs des vollständigen IceCube-Detektors 28
spektakulär hochenergetische Neutrinoereignisse aufgezeich-
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31
ASTROTEILCHENPHYSIK
sen bei einer Größenordnung höherer Energie als dem LHC
betrieben werden. Da das Pierre Auger Observatorium auf
der Südhalbkugel liegt, kann nur der südliche Teil des Himmels beobachtet werden, was für viele Analysen wie z. B. die
Suche nach Anisotropie in der kosmischen Strahlung von
großem Nachteil ist. Durch eine im Jahr 2012 begonnene
Kooperation mit dem kleineren Observatorium „Telescope
Array“ in den USA wird es möglich sein, eine globale Himmelsabdeckung für zukünftige Analysen der kosmischen
Strahlung zur Verfügung zu stellen. In einem weiteren
Schritt wäre der Bau eines großen Observatoriums „AugerNext“ in der nördlichen Hemisphäre wünschenswert, bei
dem auch zahlreiche in Aachen entwickelte Detektoren, z.B
Radioantennen zum Einsatz kommen könnten. Der
vollständige Betrieb von IceCube hat gerade erst begonnen
und ein Ende der Messungen ist noch nicht abzusehen. Vorsichtige Schätzungen, basierend auf der sehr niedrigen Ausfallrate der Sensoren im Eis, lassen erwarten, dass nach 15
Jahren Betrieb (2025) noch mehr als 97% aller Sensoren
einsatzfähig sind. Als nächster Schritt wird der PINGU-Detektor geplant (siehe auch Kapitel Neutrinophysik). Hier soll,
analog zum erfolgreichen DeepCore-Konzept, die Instrumentierung des zentralen Bereichs von IceCube mit 20-40
zusätzlichen Detektorketten noch weiter verdichtet werden.
Hauptziele dieses Detektors sind die mögliche Messung der
unbekannten Massenhierarchie der Neutrinos über Masseneffekte bei der Oszillation von atmosphärischen Neutrinos in
der Erdmaterie und die Verbesserung der Sensitivität auf
Dunkle Materie. Der Bau von PINGU könnte im Jahr 2016/
17 beginnen und innerhalb von 2 Jahren abgeschlossen sein.
Falls sich die jetzigen Anzeichen für kosmische Neutrinos
"1"88"2" 2-83:735-" !"7 /381-8 ,"2 :7,0?2+T -" -0!?2X erhärten, ergibt sich als offensichtliche Konsequenz der
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2:"28-::8?2:"78 ,-"!"!"7 2/?2)87- ,X Wunsch, dieses Signal mit einem größeren Detektor zu mes:?2+"2-26?:37-0"2337!-2:"2T8- ,!"7 ":"/:371+"3X sen. Bei den Studien, wie ein solcher, bis zu 10 km3 großer
+75,-8 ,"2@!530 "&2!":Q 8-2! 2?7 ?)8 ,?"7 ?8 !"7 8@!0-X Detektor aussehen sollte, ist unser Institut führend beteiligt.
,"2 "1-85,7" 1"887T -" 3"7" 7:" E"-+: !-" +"1"88"2" Die im Kapitel Detektorentwicklung beschriebenen Arbeiten
2-83:735-"T -" ?2:"7" 7:" "7+-: 8- , ?8 !"7 3"7"2 7:" zum Radionachweis von Luftschauern und dem akustischen
2 , ?:7/<32 !"7 -530X ?2! ?!7?530/31532"2:"2 ?2! Neutrinonachweis könnten in einen vergrößerten Oberflä1 ,:!-" @"70+"7:" 2-83:735-" ?#/0"-2"2-2/"08/0"28- ,:X chendetektor und eine Hochenergie-Erweiterung von IceCube einfließen.
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Ein Beispiel für die Leistungsfähigkeit von IceCube als Detektor für kosmische Strahlung zeigen die nachfolgenden
Abbildungen. Mit der hohen Statistik an detektierten Luftschauern konnte oberhalb von 10 TeV bis zu einigen PeV
eine ausgedehnte Anisotropie der kosmischen Strahlung auf
dem Niveau einiger Promille nachgewiesen und präzise vermessen werden. Interessanterweise ändert sich die Struktur
dieser Anisotropie stark mit der Energie und es wird neben
der großskaligen Anisotropie auch eine überlagerte feinere
Struktur beobachtet. Diese Messungen können als Hinweis
auf einen kosmischen Teilchenbeschleuniger in nicht zu großer Entfernung zum Sonnensystem gedeutet werden und die
neuesten Daten von IceCube werden mit Spannung erwartet.
Die Zukunft
von Matthias Plum und Christopher Wiebusch
Für beide erfolgreichen Projekte Pierre Auger und IceCube
stellt sich die Frage, wie Messungen in der Zukunft weiter
verbessert werden können.
Das Pierre Auger Observatorium soll in Argentinien bis
mindestens 2023 betrieben werden. Besonders um den Ursprung des starken Abfalls des Flusses der höchstenergetischen kosmischen Strahlung zu verstehen, werden mehr Statistik und eine genaue Messung der chemischen Zusammensetzung in diesem Energiebereich gebraucht. Ein Schlüssel
dafür ist die Unterscheidung der elektromagnetischen und
myonischen Komponenten des Luftschauers. Bis 2015 soll
deswegen die Elektronik der Wasser-Cherenkov-Tanks verbessert werden. Eine weitere Verbesserung wird von zusätzlichen Detektoren zur direkten Messung von Myonen bei den
Wasser-Cherenkov-Tanks erwartet.
Mit diesen Daten können verschiedene theoretische kosmologische Modelle getestet werden und Teilchenphysik-Analy-
32
DETEKTORENTWICKLUNGEN
Detektorentwicklungen
von Oliver Pooth mit Beiträgen der im Text genannten Autoren
Seit den Gründungstagen unseres Instituts ist die Entwicklung von innovativen Teilchendetektoren ein zentrales Forschungs- und Ausbildungsfeld. Von der Idee bis zum Bau
von großen Detektorsystemen sind alle, Ingenieure, Mechaniker, Elektroniker, Verwaltungsangestellte, Wissenschaftler
und Studierende im Rahmen von Abschlussarbeiten an der
Umsetzung beteiligt. Gerade in der F&E-Phase neuartiger
Detektoren bieten sich hervorragende Möglichkeiten für
vielfältige Bachelor-, Master- und früher Diplomarbeiten in
den Laboren des Instituts. In diesem Kapitel wollen wir uns
den Detektoren widmen, die von uns entwickelt wurden und
werden und die (noch) nicht in den Abschnitten zu den
Großprojekten beschrieben werden, wo sie Großartiges leisten und zu wichtigen physikalischen Resultaten geführt haben.
Die frühen Detektorentwicklungen
von Dieter Rein und Oliver Pooth
Prof. Deutschmann hat früh in Aachen selbst eine kleine
Blasenkammer entwickelt, die für Testmessungen gute
Dienste leistete. Die wirklich leistungsfähigen Blasenkammern wurden natürlich in den Beschleunigerzentren gebaut.
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Die Vermessung der Strahlungsspektren kann zur Unterscheidung zwischen hochenergetischen Teilchen mit verschiedenen Massen herangezogen werden. Ein darauf beruhender TRD (Transition Radiation Detector) zur Identifikation von Pionen, Kaonen und Protonen wurde in Aachen
entwickelt und fand ab 1980 Einsatz in Experimenten am
CERN (European Hybrid Spectrometer EHS) und später
am Fermilab (Experiment Nr. 745). Mit dem Abdruck der
Titelseite einer Publikation aus den Anfangszeiten des EHSExperiments soll dieser bemerkenswerten Aktivität des Instituts Respekt gezollt werden.
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Die ersten der vier Ω--Ereignisse der Aachen-Berlin-CERNLondon-Wien-Kollaboration wurden 1967 bei der Auswertung von Blasenkammerfilmen im Aachener Labor von Martin Deutschmann gefunden.
Ab 1975 wandte sich Deutschmann mit seinen Mitarbeitern
der elektromagnetischen Übergangsstrahlung zu, die beim
Durchtritt schneller geladener Teilchen durch Grenzflächen
zwischen verschiedenen Materialien (z. B. Luft und Mylarfolien) entsteht.
33
Prof. Faissner entwarf und realisierte zusammen mit Kollegen aus Padua einen großen Funkenkammerdetektor aus
282 hintereinander aufgehängten Aluminiumplatten, der
optisch ausgelesen werden konnte. Schon 1974 war der Detektor mit Aachener Werkstatthilfe fertiggestellt. Der Apparat war auf den Nachweis von Elektronen und π0-Mesonen
optimiert, die über Bremsstrahlung e- → e- + γ oder Zerfall
π0 → 2γ elektromagnetische Schauer produzieren.
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Mit mehr als zwei Dutzend νμ e/ν̄μ e-Reaktionen war das
AC-PD-Experiment erfolgreich und wurde mit einem DPGPreis an Hans Reithler gewürdigt. Siehe auch Kapitel zur
Neutrinophysik.
Bereits 1975 fand man in der Gargamelle-Blasenkammer ein
Ereignis, bei dem im Neutrino-Nukleon-Stoß neben einer
Anzahl geladener Pionen ein ungleichartiges Leptonpaar
e+μ- und ein K0 entstanden waren, ein klares Indiz für die
Produktion eines „charmanten“ D-Mesons, das semileptonisch zerfallen war.
Ein Blasenkammer-Ereignis in Brookhaven zeigte zur etwa
gleichen Zeit unwiderlegbare Anzeichen für die Produktion
eines „charmanten“ Baryons. In beiden Fällen jedoch konnten weder genau Art noch Masse der Teilchen bestimmt
werden. Das gelang erst 1978 in einem CERN Experiment
mit BEBC, der großen europäischen Blasenkammer, dem
Nachfolgeinstrument von Gargamelle. Beide Lehrstühle des
III. Physikalischen Instituts der RWTH waren an der Aachen-Bonn-CERN-München-Oxford-Kollaboration beteiligt. Dr. Danni Lanske aus der Schultzschen Blasenkammergruppe stieß bei der Durchmusterung der BEBC-Aufnahmen für seine Doktorarbeit auf ein νp-Streuereignis, das
umgehend vom CERN-Courier als Bilderbuch-Ereignis für
die Erzeugung eines charm-tragenden Teilchens ausgerufen
wurde. Waren die Blasenkammeraufnahmen der Gargamelle-Kollaboration noch auf serienmäßigen Scantischen des
schwedischen Automobilherstellers Saab manuell vermessen
worden, so kamen bei den AC-PD- und BEBC-Analysen
halbautomatische Messtische zum Einsatz, welche eine erhebliche Erleichterung bei der Verfolgung der Teilchenspuren auf den Blasenkammerfilmen mit sich brachten.
34
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m-+?735"2?0",1"7T,3:3S
Sie waren eine Entwicklung von Dr. Volker Commichau, Dr.
Klaus Hangarter und ihren Kollegen und führten zu einer
Erhöhung der Messkapazität und zu einem Zugewinn an
Messpräzision. So sind auch immer wieder apparative Innovationen vom III. Physikalischen Institut ausgegangen, die
insbesondere in der Folge den Übergang in die Zeit der elektronischen Detektoren ermöglichte. Detektorentwicklungen in den Experimenten am DESY und CERN sind im
Kapitel „Teilchenphysik an Beschleunigern“ beschrieben.
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Moderne Detektorkonzepte
Micropattern-Gasdetektoren
Im Technical Design Report des CMS-Experiments sind
Mikrostreifengasdetektoren (MSGCs) als äußerer Teil des
inneren Spurkammersystems vorgesehen gewesen. Das Institut B unter Leitung von Günter Flügge ist der Tracker End
Cap Community beigetreten, die bananenförmige MSGCModule für die beiden Endkappen des CMS Trackers vorschlug. Nach einigen Jahren Entwicklungsarbeit an MSGCs
traten bei Teststrahlexperimenten im Jahr 1998 Probleme
bei der Strahlenhärte von MSGCs auf. Es gab Weiterentwicklungen, wie die sogenannte ,advanced passivation‘ der
Elektrodenkanten zum Schutz vor Schäden nach Funkenüberschlägen und der Einsatz von zusätzlichen Gasverstärkungsstufen in Form von metallisierten, durchlöcherten Folien (Gas Electron Multipliers, GEM), die intensiv studiert
wurden. Im Jahr 1999 hat sich die CMS-Kollaboration trotz
erfolgreicher Milestone-Experimente am PSI mit gasbasierten Prototypsystemen auf MSGC-Basis für den Bau eines
All-Silicon-Trackers entschieden, der auf Grund fallender
Siliziumpreise möglich wurde und den Vorteil eines homogeneren Subdetektorsystems in CMS bot. Unser Institut hat
auch hier in der End Cap Community gemeinsam mit dem
I. Institut wesentlich zur Qualifikation der Einzel-Detektormodule (ARC System, entwickelt von Volker Commichau
und Franz Beißel), größeren Substrukturen (TEC petals) und
dem Bau der Endkappe TEC- beigetragen. Ausführlicheres
hierzu findet sich im CMS-Teil des Beschleuniger-Kapitels in
dieser Festschrift.
TPC-Entwicklung
von Stefan Roth
Aufbauend auf den eben beschriebenen Forschungen zu
Micropattern-Gasdetektoren wurden auf Initiative von Joachim Mnich die Erfahrungen des Instituts genutzt, um diese
im Rahmen der Entwicklung einer neuartigen Auslese von
Time-Projection-Chambers (TPC) zu nutzen. Hierbei sollte
die Machbarkeit einer TPC als zentrale Spurkammer beim
geplanten zukünftigen Elektron-Positron-Linearcollider
TESLA des DESY gezeigt werden. Dabei wurde vor allem
die Gasverstärkung mit Hilfe von Systemen, die aus mehreren GEM-Folien bestehen, untersucht und bei diesen insbesondere der Ladungstransfer gemessen. Wichtig hierbei sind
eine möglichst hohe Transparenz der Strukturen für die
Elektronen sowie eine möglichst geringe Ionenrückdrift in
das Detektionsvolumen der TPC. Beides konnte durch geeignete Wahl der elektrischen Felder und Spannungen realisiert und verifiziert werden. Für die aktuellen Studien für
einen Detektor am International Linear Collider gelten die
GEM-Folien weiterhin als eine mögliche Technologie, ebenso wie für den Vorwärtsbereich des CMS Myonsystems am
geplanten high luminosity (HL)-LHC.
Um das Know-how im Bereich der TPC-Entwicklung bei
einem existierenden Detektor einsetzen zu können, trat das
Institut im Jahr 2007 der T2K-Kollaboration bei. Nähere
Informationen zu den Zielen des T2K-Experiments findet
man im Kapitel zur Neutrinophysik. Für das T2K-Experiment beteiligten wir uns am TPC-Kammer-System und lieferten vor allem zwei Monitorkammern, die das Driftgas
35
kontinuierlich kontrollieren und Daten für deren Kalibration
zur Verfügung stellen. Diese Monitorkammern nutzen die
identische Technologie wie die großen TPC-Kammern,
nämlich Gasverstärkung in einem ca. 0,1 mm großen Zwischenraum zwischen einem Drahtgitter und der Anodenfläche (MICROMEGAS = Micro-MEsh GAseous Structure).
Zum weiteren systematischen Studium von MicropatternGasdetektoren erschien es sinnvoll, ein Gassystem zu konstruieren und zu bauen, das Driftgase in beliebiger Zusammensetzung und Mischung zur Verfügung stellt. Dieses wurde kürzlich fertig gestellt und steht nicht nur den Entwicklungen neuer Gasdetektoren in Aachen, sondern auch im
Rahmen der sogenannten Helmholtz-Allianz anderen
Gruppen in Deutschland zur Verfügung
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Detektorentwicklung um Silizium Photomultiplier
als Photondetektor für aktuelle und zukünftige Experimente
von Oliver Pooth
Seit 2009 studieren wir den möglichen Einsatz von SiPMs
(Siliziumphotomultiplier) als attraktive Alternative zu herkömmlichen Photomultipliern. Der geringere Preis, die
kompaktere Bauweise und eine hohe Photondetektionseffizienz sind die herausragenden Eigenschaften von SiPMs, die
durch eine hohe Dunkelzählrate bezahlt werden müssen.
Der Bau von schnellen Vorverstärkern und die Stabilisierung
der Verstärkung unabhängig von der Umgebungstemperatur
waren die anfänglichen Herausforderungen. Heute können
Detektoren für die Medizinphysik-Gruppe und Prototypen
für das vorgeschlagene Upgradeprojekt Myon fast Track Tag
(MTT) des CMS-Experiments für den Betrieb am geplanten
HL-LHC mit zehnfach erhöhter Luminosität ab ca. 2023
gebaut werden.
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Mit dem VDC System (vD-Chamber) bei CMS betreibt das
Institut IIIA auch heute schon ein System, das SiPMs als
Photodetektoren verwendet. Mit dem vollständig in Aachen
unter der Leitung von Dr. Hans Reithler entwickelten und
getesteten VDC-System kann man u. a. Verunreinigungen
im Gas aufspüren. Das komplette Stand-alone-System mit
sechs Kammern ist seit Anfang 2011 am CERN in Betrieb.
Es misst alle zehn Minuten die Driftgeschwindigkeit des aus
den fünf CMS-Rädern abfließenden DT-Myonkammergases. Für die VDCs wurden in Aachen spezielle VME-Module
entwickelt (Koinzidenzen, Pulser, Diskriminatoren), die auch
universell eingesetzt werden können. Das VDC-System ist
vollständig in Aachener Verantwortung und erlaubt mit zugehörigen Programmen die Messung der Driftgeschwindigkeit mit einer relativen Genauigkeit von ca. 1 Promille.
che Elektronik für die Analyse der Spannungsspur der Antenne schnell genug bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten und Leistungsverbrauch.
Seit 2006 wurden im III. Physikalischen Institut Antennen
entwickelt, die für die Detektion kosmischer Teilchen über
Teilchenschauer in der Atmosphäre geeignet sind. Anfangs
standen Gütekriterien für breitbandige Antennen im
50 MHz-Bereich im Vordergrund der Forschungsaktivitäten:
Die Antenne soll eine direktionale Empfangscharakteristik
z. B. ähnlich der des Pierre-Auger-Observatoriums aufweisen
(siehe unten). Ebenso soll die Antenne die Form des empfangenen Signals möglichst originalgetreu an die Elektronik
weitergeben, um Untergrundsignale separieren zu können.
Außerdem muss die Antenne harschen Umweltbedingungen
standhalten können und dabei z. B. am Pierre-Auger-Observatorium in der argentinischen Pampa der starken Sonneneinstrahlung und den zum Teil sturmartigen Windgeschwindigkeiten widerstehen.
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Detektorentwicklung für den Luftschauer-Nachweis
Radioantennen zur Messung kosmischer Strahlung
von Martin Erdmann und Christopher Wiebusch
Kosmische Strahlung bei den höchsten Energien kann wegen der seltenen Ereignisse nur mit sehr großen Detektorvolumina beobachtet werden. Findet eine Kollision eines kosmischen Teilchens in der oberen Atmosphäre statt, aus der
sich dann ein Schauer aus Milliarden von Teilchen entwickelt, so gibt es verschiedene Möglichkeiten das „Kalorimeter“ der Erdatmosphäre auszulesen.
Die bekannteste Auslese des Atmosphärenkalorimeters ist die
Teilchendetektion – insbesondere Myonen – auf der Erdoberfläche, die zu den Ausläufern des riesigen Teilchenschauers gehören. Auch eine direkte Beobachtung des
Schauers im dreidimensionalen Raum ist durch elektromagnetische Wellen möglich. Dabei werden u.a. Radiowellen mit
einem breiten Frequenzspektrum um 50 MHz gemessen, die
durch die Ablenkung der Elektronen und Positronen des
Teilchenschauers im Erdmagnetfeld entstehen.
Die Messtechnik über Radiowellen hat nach ihren ersten
Erfolgen in den 1960-er Jahren vor ca. zehn Jahren eine Renaissance in der Detektionstechnik von Teilchenschauern
erlebt. Erst um die Jahrtausendwende wurde die erforderli-
36
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Im Jahr 2012 wurden vier in Aachen gebaute Antennen im
sogenannten Radio Air-Shower Test Array (RASTA) am
Südpol installiert. Neben dem Test des Betriebs von Antennen in dieser harschen Umgebung war ein wichtiges Ziel die
Messung des Rauschuntergrundes in Hinblick auf den
Nachweis von Luftschauern. Als Ergebnis konnte die Radiostrahlung der Galaxie mit großer Genauigkeit gemessen
werden, da auf Grund der niedrigen Temperaturen thermisches Rauschen klein und auch kaum terrestrische Störsignale gefunden wurden. Damit zeigt sich der Südpol als ein idealer Standort für den Luftschauernachweis mit Antennen
besonders in Hinblick auf zukünftige Erweiterungen von
IceCube.
benden Bodenstationen von Wasser-Cherenkov-Detektoren
war es bereits kurz nach Fertigstellung des Antennen-Messfelds möglich, Signale hochenergetischer kosmischer Teilchen zweifelsfrei nachzuweisen.
Neuerdings werden die Empfangseigenschaften der Radiostationen durch Flüge per Oktokopter untersucht, der mit
einer kalibrierten Sendeantenne ausgestattet ist und zehn
Minuten in der Luft bleibt. In mehreren Flügen wird der
Octokopter per GPS an vordefinierte Positionen geflogen,
um die Sensitivität der Antenne richtungsabhängig zu vermessen. Für solche Kalibrationskampagnen werden möglichst windstille Tage ausgesucht.
In der Analyse der Radiomessungen konzentrieren wir uns
in Aachen auf die präzise Rekonstruktion der Amplitude
-2" 73:3:D5X2:"22" #@7 !"2 ?)8 ,?"72 ,B"-8 1-: und Polarisation des elektrischen Felds, um damit die AnB-7!1@!5302+"8 ,0388"2T?"00"SXC5"7-1"2:
kunftsrichtung und Energie des primären kosmischen Teilchens möglichst genau zu rekonstruieren. Eine unserer
Im Frühjahr 2013 wurde am Pierre-Auger-Observatorium nächsten Herausforderungen ist die Masse des kosmischen
die dritte Generation von Antennenstationen aufgebaut.
Primärteilchens aus den Radiosignalen zu extrahieren:
Dabei handelt es sich um 124 Radiostationen auf einer Flä- Handelt es sich um Protonen, Helium oder massivere Kerche von 6 km², die das zurzeit größte Antennenmessfeld für ne?
ultrahochenergetische kosmische Strahlung bilden.
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FAMOUS
von Matthias Plum und Christopher Wiebusch
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Alle Stationen wurden mit einer in Aachen gebauten Antenne versehen, ihre Elektronik funktioniert mit einer autarken
Stromversorgung über ein Solarpanel mit angeschlossener
Batterie. Kontrolliert und ausgelesen werden die neuen Radiostationen über einen 2 GHz-Wifi-Link. Durch die umge-
37
Um die Sensitivität von zukünftigen Fluoreszenz-Teleskopen
zu steigern, untersucht die Aachener Auger-Gruppe wie
Fluoreszenz-Teleskope zukünftig verbessert werden können.
Besonders vielversprechend ist der Ansatz, neuartige Silizium-Photomultiplier (SiPM) als lichtsensitive Detektorkomponenten zu nutzen, und damit herkömmliche Photomultiplier in den Kameras von Fluoreszenzteleskopen zu ersetzen. SiPMs zeichnen sich gegenüber Photomultipliern durch
eine höhere Detektions-Effizienz aus und benötigen für den
Betrieb keine Hochspannung. Dazu wurde von der Aachener
Gruppe das Projekt FAMOUS (First Auger Multi Pixel Photon Counter Camera for the Observation of Ultra-High-Energy Cosmic Ray Showers) initiiert, an dem inzwischen
auch Arbeitsgruppen aus Lissabon und Grenada arbeiten.
Die Aachener Gruppe beschäftigt sich besonders mit der
Charakterisierung von SiPM-Eigenschaften und dem Design
eines Prototyp-Teleskops und der dazugehörigen Ausleseelektronik. Anfang 2013 wurde der erste Prototyp FAMOUS-7 (7-Pixel-Teleskop) in Zusammenarbeit mit der
mechanischen und elektrischen Werkstatt fertig gestellt und
hat schon erste Daten aufgenommen. Basierend auf diesen
Ergebnissen sowie Simulationen und Messungen mit einem
Newton-Teleskop, will man herausfinden wie gut SiPMs für
die Beobachtung von Luftschauern geeignet sind. In naher
Zukunft soll der bestehende Prototyp auf 64 Pixel aufgerüstet werden, womit dann die geometrische Rekonstruktion
von Luftschauern möglich wird.
stehen. Im thermoakustischen Effekt entsteht eine Druckwelle auf Grund der thermischen Ausdehnung des Eises, bedingt durch den Energieeintrag der Neutrinowechselwirkung.
Beide Nachweis-Methoden scheinen geeignet, da die Abschwächungslänge im Eis für Schall und Radiosignale sehr
groß ist: ca. 300 m für Schall und 1 km für Radio im Vergleich zu 50 m für Licht. Daher könnten Sensoren in sehr
großen Abständen in das Eis eingebracht werden. Zusätzlich
können akustische Sensoren oder Antennen deutlich kostengünstiger als komplexe optische Sensoren gebaut werden.
Nachteil dieser neuen Methoden sind aber deutlich höhere
Energieschwellen von typisch 1016 eV.
Im III. Physikalischen Institut wurde die Machbarkeit solcher Detektoren untersucht und hierfür akustische Sensoren
entwickelt, die thermoakustische Schallerzeugung im Labor
studiert und die in situ akustischen Eigenschaften des Antarktischen Eises gemessen. Zentrale Infrastruktur hierfür ist
das Aachen Akustik Labor (AAL) mit einem großen Kühlcontainer.
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Sensoren für den Nachweis von Neutrinos mit Ultraschall
von Christopher Wiebusch
Im Neutrinoteleskop IceCube werden Neutrinoreaktionen
über den optischen Nachweis von Cherenkovlicht im Klareis
des Südpols gemessen. Trotz der beeindruckenden Targetmasse von etwa 1 Milliarden Tonnen Eis für 1 km3 instrumentiertes Volumen gibt es Überlegungen, ob nicht mit alternativen Methoden noch erheblich größere Detektoren mit
etwa 100 km3 erzielt werden können. Hierbei kommen zwei
Technologien in Frage: der Nachweis von kohärenter Radiostrahlung im Bereich von einigen 100 MHz, die über den
sogenannten Askaryan-Effekt entsteht, und der Nachweis
von akustischen Signalen von einigen 10 kHz, die über den
thermoakustischen Effekt in Neutrinowechselwirkungen ent-
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In diesem ist es möglich ein großes Eisvolumen mit Sensoren
zu instrumentieren und blasenfrei zu frieren. Laserpulse
können in das Eis eingekoppelt werden, um die Energiedeposition hochenergetischer Neutrinowechselwirkungen zu
simulieren.
Einen Sensor für den Einsatz am Südpol (Glaziophone) zeigt
die Abbildung unten. An insgesamt vier Ketten wurden im
South Pole Acoustic Test Setup 28 Glaziophone in das Eis
des Südpols eingebracht und werden seit 2008 kontinuierlich
betrieben. Als Ergebnis konnte die Schallgeschwindigkeit
und erstmalig die akustische Abschwächungslänge gemessen
werden. Das Rauschen im Eis ist sehr niedrig. Neben dem
Rauschen werden im Eis nur wenige Neutrino-ähnliche
Knackser registriert, die ursächlich auf Bohrlöcher zurückgeführt werden können. Die Akustik scheint somit eine geeignete Nachweismethode für zukünftige Neutrinodetektoren
zu sein.
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Als Resultat der Entwicklung akustischer Detektoren ergibt
sich seit 2012 ein spannendes interdisziplinäres Forschungsprojekt für das Institut: Enceladus Explorer (EnEx). Hierbei
geht es um die Suche nach außerirdischem Leben, das man
z. B. unter dem dicken Eispanzer von Monden des äußeren
Sonnensystems vermutet. Besonders in den Fokus für zukünftige Raummissionen ist hierbei der Saturnmond Enceladus gerückt, bei dem durch Gezeitenkräfte erwärmtes Wasser über Spalten im Eis an die Oberfläche dringt. Die mögliche Probenentnahme aus einer solchen Spalte ist eine der
größten Herausforderungen für die irdische Raumfahrt und
erfordert zwingend die Entwicklung eines im Eis navigierbaren robotischen Bohrers. Ziel des durch die DLR geförderten
EnEx Projektes ist die Entwicklung eines derartigen Bohrsystems. In einem Testszenario soll eine Probenentnahme aus
einer subglazialen Spalte am Taylor Gletscher in der Antarktis im Jahr 2015 erfolgen. Unter diesem Gletscher wird ein
seit Millionen Jahren von der Außenwelt abgeschlossenes
Ökosystem vermutet.
Basis des Bohr-Systems ist der an der FH Aachen entwickelte
„IceMole“. Hier wird eine klassische Schmelzsonde mit einer
synchronisierten Eisschraube kombiniert, die für Vortrieb
sorgt. Durch differenzielle Heizelemente sind Kurvenfahrten
im Eis möglich. In den Bohrkopf sind Akustiksensoren eingebaut, die Signale von Pingern an der Oberfläche messen.
Über die gemessenen Laufzeiten kann die Position bestimmt
werden. Zusätzlich sind in den Bohrkopf phasengesteuerte
Ultraschall Piezo-Arrays eingebaut. Diese messen die von
der Eisspalte oder etwaigen Hindernissen im Eis reflektierten
Signale und erlauben die Korrektur der Bahnkurve während
des Bohrens. Neben der neuartigen akustischen Navigation
kommen im IceMole auch klassische Navigationskonzepte
der Luftfahrt zum Einsatz. An diesem Projekt sind neben
Physikern Ingenieure der Luft und Raumfahrtechnik, Biologen und Mathematiker beteiligt. Hier ein Bild des EnEx
Teams während eines Feldtestes.
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Detektorentwicklung für die Medizinphysik
von Gisela Hürtgen, Karim Laihem und Ronja Lewke
Ein wichtiger Anwendungsbereich für Methoden der Teilchenphysik ist die Strahlentherapie zur Krebsbehandlung.
Unsere Gruppe unter der Leitung von Achim Stahl beschäftigt sich mit unterschiedlichen Aspekten dieses Themas.
Gemeinsam ist allen der Einsatz des Monte-Carlo-Toolkits
Geant4 zur Simulation von Teilcheninteraktionen und das
Ziel, gegenwärtige Strahlentherapie-Verfahren zu verbessern.
Zwei Projekte befassen sich mit der Therapie mittels geladener Hadronen wie Protonen oder schwereren Kernen. Diese
sogenannte Teilchentherapie hat unter anderem den Vorteil,
dass in einer definierten Tiefe im Patienten ein ausgeprägtes
Dosismaximum, der sogenannte Bragg-Peak, auftritt. Bei
dieser Form der Bestrahlung kommen neben den physikalisch sehr gut verstandenen elektromagnetischen Wechselwirkungen der Strahlteilchen mit dem Gewebe des Patienten
auch Kernreaktionen vor. Diese sind gerade in dem für die
Strahlentherapie relevanten Energiebereich von einigen
100 MeV pro Nukleon nur unzureichend verstanden und
ihre Wirkungsquerschnitte nur relativ ungenau bekannt. In
der Behandlungsplanung, die einer jeden Patientenbestrahlung vorausgeht, werden sie derzeit meist gar nicht berücksichtigt.
Aus diesem Grund entwickelt unsere Arbeitsgruppe ein
Flugzeitspektrometer, mit welchem zunächst die Reaktion
von Protonen mit Kohlenstoff untersucht und die Wirkungsquerschnitte mit einer Genauigkeit von 10% bestimmt werden soll.
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39
Es werden Szintillationsdetektoren verwendet, die mit Photodioden oder Silizium-Photomultipliern (SiPMs) ausgelesen
werden. Diese Detektoren werden an unserem Institut in
Zusammenarbeit mit den Werkstätten entwickelt. Dabei findet auch ein aktiver Austausch mit anderen Gruppen statt,
wie etwa die SiPM-Gruppe bei CMS. Zeitgleich wird der
gesamte Aufbau in Geant4 simuliert, um den Detektor zu
modellieren und die gemessenen Wirkungsquerschnitte mit
denen der Simulation vergleichen zu können.
Eine weitere Herausforderung bei der Bestrahlung eines Patienten ist die Überwachung der longitudinalen Position des
Braggpeaks in Echtzeit. Dazu müssen die prompten Gammastrahlen detektiert werden, die durch Kernreaktionen in
der bestrahlten Region entstehen. Eines der Ziele unserer
Gruppe ist zunächst die Untersuchung der prompten Gammastrahlung mit Hilfe eines Germaniumdetektors und eines
Anti-Compton-Shield (ACS) Detektors. Der ACS-Detektor
besteht aus anorganischen Szintillatorkristallen. Acht BGOKristalle und ein NaI(Tl) Ring sind um einen Germaniumkristall herum angeordnet. Messprinzip und experimenteller
Aufbau sind in der Abbildung gezeigt.
Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Einfluss von Tumorbewegungen während einer Strahlentherapie. Einige Tumore unterliegen einer ständigen Bewegung, z. B. der Atembewegung. Diese muss sowohl für die Bildgebung sowie die
Planung und Durchführung einer Therapie berücksichtigt
werden.
Um Energiedepositionen bewegungsabhängig berechnen zu
können, wird eine 4D-Monte-Carlo Simulation verwendet.
Mit Hilfe des Toolkits Geant4 werden ein klinischer Linearbeschleuniger und bewegliche Geometrien modelliert. Die
Simulation wird anhand von statischen und bewegten Messungen validiert. Es werden Dosisberechungen mit Patientendaten durchgeführt und Bewegungseinflüsse patientenindividuell untersucht. Weiterhin soll aus der Untersuchung
des Bewegungseinflusses ein Konzept zur Wahl eines bewegungskompensierenden Sicherheitssaums abgeleitet werden.
Dafür werden mit einer Bestrahlungsplanungs-Software
Atembewegungen im Bestrahlungsplan eines Patienten simuliert. In der Abbildung ist die simulierte Geometrie dargestellt.
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Mit Geant4 Simulationen werden die Detektorantworten
untersucht und auf bestmögliche Leistung optimiert. In einem zweiten Schritt des Projekts wird eine sogenannte
Compton-Kamera entwickelt, mit der die Position des
Braggpeaks rekonstruiert werden kann.
In Kooperation mit der Klinik für Radioonkologie und
Strahlentherapie der Uniklinik RWTH Aachen werden klinisch angewandte Forschungsthemen untersucht. Unsere
40
COMPUTING
Computing
von Thomas Kreß mit Beiträgen der im Text genannten Autoren
Zur Geschichte der Elektronischen Datenverarbeitung im III. Institut
In den sechziger und siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts war die Analyse und Interpretation von Blasenkammeraufnahmen das dominierende wissenschaftliche Betätigungsgebiet der beiden Aachener III. Institute. Zu dieser
Zeit wurden Teilchenreaktionen an den großen Blasenkammerexperimenten von mehreren Kameras unter verschiedenen räumlichen Winkeln auf Filmen festgehalten. Mit Hilfe
der Spurkrümmung, Spurdichte, Zerfallsvertices und anderen Informationen kann ein Ereignis kinematisch rekonstruiert und interpretiert werden. Ein immenser Fortschritt in
der Analyse der unzähligen aufgezeichneten Einzelereignissen lieferte die Einführung selbstentwickelter automatisierter
Erfassungsgeräte durch Dr. Volker Commichau und Mitarbeiter und die dann folgende Online-Weiterverarbeitung der
Blasenkammeraufnahmen mit elektronischen Rechenanlagen.
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Ein Sample von x/y-Koordinaten jeder Spur der von den
Filmen in Aachen auf Tische projizierten Ereignisaufnahmen konnte nun von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der
Institute per Klicks mit einem Speedball-Eingabegerät an
eine Rechenanlage weitergegeben werden. Nun erfolgte mit
dem verbundenen Rechner direkt eine Berechnung der geometrischen Kenndaten der Spur und daraus letztendlich die
Impulsinformation. Dabei erfolgte online eine Rückmeldung
für eine mögliche Korrektur der Eingabe des Spurpunktes,
wenn einzelne Spurkoordinaten inkonsistent zum berechneten Spurverlauf eingegeben wurden. Später war auch die
automatisierte Bestimmung der Teilchenart des Mutterteilchens eines Zerfalls möglich.
Der erste Großrechner für solche Aufgaben und auch zur
weiteren elektronischen Verarbeitung der damit aufbereiteten Daten durch die Nutzer war eine PDP-6 des Instituts
IIIB in der Charlottenstraße, die dann später ins Physikzentrum Melaten überführt wurde. Die PDP-6 was die erste
„große Maschine“ der Firma DEC, wovon insgesamt 23
Stück weltweit verkauft wurden. Hinsichtlich Rechnerarchitektur, modularer und vielfältiger Anschluss- und Erweite-
41
rungsmöglichkeiten sowie Software und Bedienung kann
dieser Großrechner als revolutionär in der Computergeschichte bezeichnet werden, mit bedeutenden positiven Auswirkungen für die Teilchenphysik. Insgesamt unterstützte
dieses Großgerät über zehn Jahre lang die Aachener Physiker bei der täglichen Arbeit, ergänzt durch das fast eine
Größenordnung leistungsfähigere Nachfolgemodell PDP-10
sowie im III. Institut A u.a. durch die Rechenanlage C.I.I.
10070 der französischen Firma C.I.I. und DEC-VAX-Systemen. Der Betrieb von solchen Großrechenanlagen stellte
besondere Anforderungen an entsprechend große Räumlichkeiten sowie eine ausreichend gut dimensionierte Stromund Kühlversorgung. Noch zur jetzigen Zeit werden die damaligen Aufstellungsorte „Tanzsaal“ als Laborbereich und
„CIP-Pool“ mit einer großen Menge an PCs für die Studierenden wegen solcher Eigenschaften gerne genutzt.
Nach der Ära der Großrechner eroberten Workstations das
III. Physikalische Institut. DEC-ALPHA-Tischgeräte mit
eigener Rechenkapazität und grafischen Terminals in den
Büros in Verbindung mit leistungsfähigen ALPHA-Servern
und interner Vernetzung und Anbindung nach draußen sowie leistungsfähige Analyse-Softwarepakete (z. B. PAW,
HBOOK vom CERN) erlaubten die effiziente Analyse der
LEP-Daten.
Bedingt durch die Verbreitung auf dem Consumer-Markt
beginnen sich gegen Ende der LEP- und bei den HERAAnalysen PCs gegenüber den Workstations am III. Institut
durchzusetzen.
Über vierzig Jahre wurden diese für die Aachener Physik
immens wichtigen und erfolgreichen Pionier-Entwicklungen
im Computing-Bereich primär von Dr. Rolf Steinberg und
seinen Mitarbeitern koordiniert und betreut, nach dessen
Pensionierung 2003 übernahm Dr. Thomas Kreß die Leitung des Computings für die III. Institute und für die zentralen EDV-Dienste der gesamten Aachener Physik, maßgeblich
unterstützt von Dr. Andreas Nowack und weiteren Mitarbeitern.
Nach dem Jahrtausendwechsel erforderten die immensen
Simulations- und Beschleuniger-Datenmengen von LHC ein
neues Computing-Konzept. Daten- und Rechenpower sind
nun weltweit an einigen Hundert Rechenzentren mit sehr
guter Datenvernetzung untereinander verteilt.
COMPUTING
dem DESY. In diesem Konzept des verteilten Rechnens und
verteilter Datenspeicherung profitieren wir enorm von der
exzellenten Netzwerkanbindung der RWTH an die Wissenschaftsnetze.
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Der Nutzer schickt seine Analyse-Jobs ins „Grid“. Die Experimente und die Grid-Software verteilen für den Nutzer
transparent Daten und dynamisch die Jobs an die Rechnerstandorte, am Ende bekommt der Nutzer seinen AnalyseOutput vom Grid zurück. Die Bedeutung des Grid-Konzepts
für die Analyse der LHC-Experimentdaten ist so groß, dass
man beim LHC-Grid von dem „fünften“ (Groß)-Experiment
bei LHC sprechen kann. Die Industrie und der EDV-Alltagsbereich übernehmen im zunehmenden Ausmaß vom
Grid adaptierte Konzepte von „nicht-lokalen Daten“ und
„remote Rechenleistung“. In Zukunft wird dieses Konzept
der „Cloud“ sicher weiter an Bedeutung gewinnen.
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Aachen ist mit signifikanten Hardware-Ressourcen (im Jahr
2013 ca. 4300 CPU-Cores und mehr als 2000 TBytes Festplattenspeicher), die im RWTH-Rechenzentrum im Wendlingweg untergebracht sind, und starkem Manpower-Anteil
an dem Worlwide LHC Computing-Grid für das CMS-Experiment beteiligt und unterstützt auch die beiden Astroteilchenexperimente Auger und Icecube mit Rechenleistung
und Datenspeicher. Beim CMS-Grid-Computing erfolgt eine
enge Zusammenarbeit mit den anderen deutschen CMSGruppen der Universitäten Karlsruhe und Hamburg und
42
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Im Bereich der Endanalysen, die dann auf die kompakteren
Datenformate zugreifen, die über die Grid-Jobs vom Nutzer
aus den Primärdaten extrahiert wurden, sind die Arbeitsplätze der Physiker mit leistungsfähigen PCs unter dem freien
Betriebssystem Linux ausgestattet. Das gesamte Aachener
Desktop-Cluster (einschliesslich Institut Ib und Studentenarbeitsplätzen im CIP-Pool) besteht z.Z. aus mehr als 250 PCs
und Servern für Daten und Services. Parallel zu den PCs
werden nun auch in zunehmendem Maße private Notebooks
benutzt, die über das Netzwerk dann auf die anderen Ressourcen zugreifen können. Unsere Werkstätten, Verwaltung
und Sekretariate verwenden i.d.R. Rechner mit einem
Windows-Betriebssystem.
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Am Beispiel von Hauptspeicher ist eine zunehmende Miniaturisierung der Bauteile ersichtlich. Besonders durch die
nun alltägliche weltweite Nutzung von Computern im Geschäfts- und Alltagsbereich entwickeln sich die Kosten für
einen Rechner günstig. Dem gegenüber steht jedoch ein immer weiter anwachsendes Datenvolumen mit neuen Experimenten sowie oft eine erhöhte Komplexität der Einzelereignisse und dadurch Bedarf für entsprechend „viel“ Hardware.
Dem Autor des Artikels erscheinen deshalb die Kosten für
benötigte Hardware und für das Personal zum Betrieb der
Rechenanlagen für eine exzellente Unterstützung der Datenanalysen in für den Nutzer vertretbarer Zeit über die letzten
50 Jahre als im Großen und Ganzen invariant gegenüber
den immensen Veränderungen in der EDV.
Von Anfang an bis heute waren Aachener Institute immer
maßgeblich an Entwicklungen und dem Betrieb von Großrechenanlagen und Peripherie zur besseren Unterstützung der
Experimentdatenanalysen beteiligt. Dies erforderte zu jeder
Zeit strategische Entscheidungen der Institutsleitungen für
eine beträchtliche Investition von Geld und auch langfristigem Personaleinsatz für EDV-Experten. Die Kreativität und
das Engagement aller beteiligen Personen im Computingund Automatisierungsbereich hat sicher immens zum Erfolg
und dem exzellentem Ruf der Aachener Physik beigetragen.
VISPA - Forschungsprojekt über Entwicklung von
Datenanalysen
von Martin Erdmann
Messdaten analysieren ist eine der zentralen Aufgaben in der
Experimentalphysik: „Das können alle Physikstudierende“
heißt es, denn im Studium führen wir frühzeitig in die wichtigsten statistischen Methoden ein. In den Laborpraktika
haben Studierende reichlich Gelegenheit physikalische Gesetzmäßigkeiten durch vergleichsweise einfache Datenanalysen zu verifizieren. Für Datenanalysen beim CMS-Experiment liegen die methodischen Anforderungen allerdings
noch einmal erheblich höher, um in den Arbeitsgruppen auf
Publikationsniveau beizutragen.
Vor 11 Jahren startete ein Forschungsprojekt zum Thema,
wie Physik-Datenanalysen zukünftig aussehen können. Heute ist das Projekt unter dem Namen „VISPA“ bekannt, was
für Visual Physics Analysis steht. Das Ziel des Projekts ist die
Bereitstellung einer Arbeitsumgebung für Physiker, in der sie
ihre eigenen kreativen Ideen zur Analyse von Daten komfortabel umsetzen können.
43
Wesentliche Bestandteile dieser Bibliothek sind „Platzhalter“,
die als Klassen der Programmiersprache C++ realisiert sind.
Beispiele für die physikalisch motivierten Platzhalter sind
„Teilchen“, in die sich alle Teilcheneigenschaften einfüllen
lassen, oder „Teilchenkollisionen“, die alle Teilchen einer
Wechselwirkung aufnehmen können. Dazu können „MutterTochter-Relationen“ der Teilchen für die Rekonstruktion von
Teilchenkaskaden verwendet werden. Highlight unter den
Platzhaltern ist der Alleskönner „UserRecord“, mit dem
Physiker praktisch jede erforderliche Information (Zahl, Matrix, Wort, Histogramm…) unter einem selbstgewählten
Namen speichern und wieder abrufen können. Die Platzhalter lassen sich aus jedem C++-Programm oder alternativ
über die Skriptsprache Python ansprechen.
Visualisierung von Datenanalysen wurde 2008 das zentrale
Thema des VISPA-Projekts. In dieser Projektphase entstand
eine grafische Arbeitsumgebung, um Physiker bei der Entwicklung und Verwaltung komplexer Datenanalysen visuell
zu unterstützen. Zur Vermeidung von „Spaghetti-Code“ ist
heutzutage die Datenverarbeitung von Teilchenkollisionen in
Form von Algorithmen mit abgegrenzten Aufgabenstellungen üblich.
In der VISPA-Arbeitsumgebung werden diese Algorithmen
als Baukastenmodule vom Benutzer programmiert und als
Modulkette visualisiert. Damit werden die Struktur und der
Ablauf einer Datenanalyse für den Physiker und seine Kollegen schnell ersichtlich. Die Analyse kann über die VISPAArbeitsumgebung ausgeführt und die Ergebnisse in den bewährten ROOT-Histogrammen validiert werden.
Das CMS-Experiment profitierte von dieser Entwicklung:
Die Visualisierung der Konfiguration der CMS-Software für
Physikanalysen ist auf der zentralen grafischen Komponente
von VISPA aufgebaut. Jeder CMS-Physiker nutzt dieses
Spin-Off aus dem VISPA-Projekt. In Aachen wurden auf
der Basis der VISPA-Arbeitsumgebung mehrere CMS-Datenanalysen entwickelt und publiziert. Dazu gehören insbesondere Datenanalysen im Bereich der Top-Quark-Physik.
Auch in der Astroteilchenphysik und beim Pierre-Auger-Observatorium wird die VISPA-Arbeitsumgebung z. B. für Simulationen kosmischer Teilchen genutzt.
In der neusten Entwicklungsstufe des VISPA-Projekts werden Datenanalysen im Web-Browser durchgeführt. Damit
steht jederzeit weltweit eine Arbeitsumgebung für Physik-Datenanalysen für alle Endgeräte mit Web-Browser zur Verfügung, ohne dass eine dedizierte Software installiert werden
muss. Wie zuvor können Physiker ihre Analysen im WebBrowser zusammenstellen, Algorithmen programmieren,
Analysen ausführen und Histogramme anschauen.
Als Praxistest dieser neusten Entwicklung wurde im WS
2012/13 ein Teil der Übungsaufgaben der Physik 5 „Teilchen- und Astrophysik“ als Datenanalyseaufgaben gestellt.
Dafür wurde ein Rechencluster aufgebaut und gemeinsam
mit lokalen Computing-Experten ein Sicherheitskonzept
erstellt und umgesetzt. Schließlich soll der weltweit sichtbare
Web-Server nur für Datenanalysen und nicht für ungute
Ideen genutzt werden.
Die über 100 Studierenden wurden in die VISPA-Arbeitsumgebung eingeführt und lösten dann Aufgaben wie
z. B.: Die Bestimmung der Masse des Z-Bosons, der Quark-
COMPUTING
ladungen, der Hubble-Konstanten, die Identifikation von
Teilchen mit Cherenkov-Zählern. Das Monitoring-System
des Rechenclusters registrierte besonders großes Engagement der Studierenden zeitnah vor der Abgabe montags um
10:00. Über das Wochenende verteilt fanden sich Aktive bis
in die Sonntagnacht oder sogar Montag morgens um 7:00.
Die Evaluation der Physik 5 zeigte sehr positives Feedback
für diese Form der Einführung in die aktuelle Forschung.
In den kommenden Jahren ist das primäre Ziel des VISPAProjekts gemeinsame Physik-Datenanalysen internationaler
Wissenschaftlerteams über das Web durchzuführen.
44
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LEHRE UND ÖFFENTLICHKEITSARBEIT
Lehre und Öffentlichkeitsarbeit
von Günter Flügge mit Beiträgen der im Text genannten Autoren
Ausbildung am III. Physikalischen Institut
Seit Wilhelm von Humboldt sind an deutschen Universitäten
Forschung und Lehre eng miteinander verknüpft. Das gilt in
besonderem Maße für die Grundlagenforschung und damit
auch für unser Institut. In unseren Forschungsgebieten werden fast alle wissenschaftlichen Ergebnisse von Diplomanden
(heute Bachelor- und Masterstudierenden) und Doktoranden
erarbeitet oder zumindest vorbereitet. Im Anhang ist eine
Liste der Dissertationen des Instituts zusammengestellt mit
einer beachtlichen Zahl von 249 Promotionen in 50 Jahren.
Damit wird klar, wie wichtig eine gute Ausbildung der Studierenden schon als Selbstzweck für unsere eigene Forschung
ist. Da aber nur die wenigsten Studierenden nach ihrer Ausbildung in der Grundlagenforschung bleiben, ist die Argumentation eigentlich ganz anders: Eine gute Lehre muss die
Studierenden motivieren, bei uns zu forschen, aber diese
Forschung muss sie gleichzeitig zu Physikerinnen und Physikern ausbilden, die als „Alleskönner“, wie es kürzlich die
„Süddeutsche Zeitung“ formuliert hat, hervorragende
Chancen auf dem Arbeitsmarkt haben.
An unserem Institut nahm und nimmt die Lehre dementsprechend immer einen sehr großen Raum ein, insbesondere
auch die Grundvorlesungen in Experimentalphysik. Als Professor verbringt man etwa ein Drittel seiner Arbeitszeit mit
Lehraufgaben, dasselbe gilt für viele Assistenten und selbst
fortgeschrittene Studierende tragen einen großen Teil zur
Lehre bei.
Als ich Ende der 1980er Jahre meinen ersten Zyklus „Physik
I bis IV“ las, konnten ich und Klaus Schultze, mit dem ich
meine Vorlesungen häufig geteilt habe, glücklicherweise auf
einen großen Fundus von Vorlesungsskripten von Profs.
Deutschmann, Faissner, Otter und Böhm zurückgreifen. Das
hat mir damals sehr geholfen, die Vorlesungen zu strukturieren. Unser Institut hat mit seinen Professoren praktisch über
die ganzen 50 Jahre den Vorlesungsbetrieb bis zum Vordiplom abgedeckt, in Zahlen sind das ungefähr 10.000 Studienanfänger. Leider hat nur etwa jeder zweite das Vordiplom
geschafft. Das lag aber eher an den anderen Fächern oder
eigener Einsicht der Studierenden, dass sie für das Fach nicht
geeignet sind.
Auch im Hauptstudium hat das Institut einen großen Anteil
an den Vorlesungen zur Atom-, Kern- und Teilchenphysik.
Die „AMOK“-Vorlesungen (Atome-Moleküle-Kerne) von
Prof. Otter waren Legende. In den letzten Jahren wurde das
Studium vom Diplom auf Bachelor und Master umgestellt.
Auch hier waren die Dozenten unseres Instituts, vor allem
„die jungen“ Professoren Martin Erdmann, Thomas Hebbeker, Jörg Pretz, Achim Stahl, Christopher Wiebusch und die
Privatdozenten Stefan Roth und Oliver Pooth stark gefordert. Der Umbau ist inzwischen hervorragend gelungen.
Auch die Lehrbücher, die im III. Physikalischen Institut
entstanden sind, zeigen das Engagement für die Studierenden. Wir erwähnen hier die beiden „Klassiker“ zur AMOKVorlesung (Otter/Honecker) und die neuen Lehrbücher z. B.
„Elektrizität & Magnetismus“ (Erdmann/Flügge) und „Moderne Methoden der Datenanalyse“ (Erdmann/Hebbeker)
aus der Serie „Physik Denken“.
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Einen wichtigen Aspekt der Experimentalphysik-Vorlesungen haben viele von uns in den Demonstrationsexperimenten gesehen. Die Bilder zeigen Prof. Albrecht Böhm und
Prof. Thomas Hebbeker in voller Aktion. Man beachte den
Spaß, den nicht nur die Studierenden sondern auch sie selbst
dabei hatten.
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Etwa die Hälfte unserer Diplomanden (neuerdings Masteranden) bleibt für eine Promotion. Hier wird aus dem Betreuungsverhältnis endgültig eine enge Zusammenarbeit zwischen Professoren, Assistenten und Doktoranden, in die natürlich auch die jüngeren Studierenden am Institut möglichst
gut eingebunden sein sollten. Häufig führt dies zur engen
Zusammenarbeit in kleinen Gruppen und wöchentlichen
Zusammenkünften (Meetings) in denen über die Fortschritte
der letzten Zeit berichtet wird. Eine Besonderheit sind dabei
die Videokonferenzen, in denen die Kollegen zugeschaltet
werden, die z.B. am CERN oder DESY arbeiten. Diese Tätigkeit in internationalen Forschungsinstituten ist meines
Erachtens übrigens ein ganz wichtiger Aspekt unserer Ausbildung, weil hier die häufig gerühmten „Softskills“ wie Zusammenarbeit, Vielsprachigkeit, Weltoffenheit ganz nebenbei erworben werden.
Selbst in dieser letzten Phase der Ausbildung gibt es vielfältige Weiterbildungsprogramme. Da sind zunächst während
der Vorlesungszeit wöchentliche Seminare und Kolloquien,
zu denen der fleißige Student regelmäßig gehen sollte. Darüber hinaus gibt es aber auch sogenannte Sommerschulen für
fortgeschrittene Studierenden und Doktoranden. Unser Institut hat speziell eine Sommerschule zusammen mit belgi0@88-+"7 < /8:3% A"7!15) ?# !"1 " /"2 !"7 ?71857-2+"7
schen und niederländischen Kollegen ins Leben gerufen
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(BND school), die im jährlichen Wechsel in den drei Ländern
ausgetragen wird und der sich auch in Deutschland inzwiÄhnlich den Demonstrationsversuchen wurde auch die prak- schen weitere Universitäten angeschlossen haben. Auch ein
tische Ausbildung der Studierenden sehr wichtig genommen. seit 20 Jahren wiederkehrendes Winterseminar für DiploUnser Institut betreut die Fortgeschrittenenpraktika der manden und Doktoranden geht auf eine Initiative des III.
Kern- und Teilchenphysik, derzeit geleitet von Dr. Kerstin Physikalischen Instituts zurück. Schließlich sollte noch das
Hoepfner und Dr. Oliver Pooth. Ich selbst habe leider erst jährliche Graduiertenseminar der Aachener Teilchenphysik
nach meiner Pensionierung Zeit gefunden, im Praktikum in Bad Honnef erwähnt werden, welches seinen Ursprung
mitzuarbeiten. Mit umso größerem Engagement mache ich auch in einer Veranstaltung unseres Instituts hat.
es jetzt.
In den Diplom- und Doktorarbeiten kann schließlich das
Institut gleichermaßen wie die Studierenden von guter Betreuung profitieren. Wie schon erwähnt, findet hier die eigentliche Forschungsarbeit statt.
In den letzten Jahren sind noch die Bachelorarbeiten hinzugekommen. Nicht Wenige von uns haben diese Entwicklung
zunächst mit Argwohn betrachtet. Inzwischen scheint jedoch
klar zu sein, dass die frühe Einbindung der Studierenden in
das Institutsleben für alle Seiten vorteilhaft ist. Das gilt auch
für die Masterarbeiten; die Studierenden werden früher mit
den Instituten und ihrem Arbeitsstil vertraut und können
meist schon nach kurzer Einarbeitung ihre Themen häufig
mit sehr guten Ergebnissen bearbeiten. Manchmal führen
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schon Masterarbeiten zu Veröffentlichungen.
Auch zu den Theorie-Vorlesungen hat das Institut mit den
Professoren Rudolf Rodenberg und Lalit Seghal vor allem
im Hauptstudium beigetragen.
Es gab natürlich auch Karnevals- und Weihnachtsvorlesungen. Besonders viel Vergnügen hat mir eine von den Studierenden angeregte „alternative Vorlesung“ in der Schwimmhalle West gemacht. Das Schlussbild geriet recht spektakulär.
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46
Studienberatung
Öffentlichkeitsarbeit
von Oliver Pooth
Im Jahr 2005 übernahm Stefan Roth die Studienberatung
der Fachgruppe Physik. Neben der persönlichen Beratung
der Studierenden in regelmäßigen Sprechstunden, die von
Zeit zu Zeit den Flur 26 C in ein Wartezimmer verwandeln,
stand am Anfang die Konzeption und Einführung des neuen
Bachelor- und Masterstudiengangs im Vordergrund. Ab dem
Jahr 2007 wurden Studieninformationstage über das Physikstudium für alle Studienbewerber verpflichtend eingeführt,
die seitdem von unserem Institut organisiert werden. Insbesondere für das Sekretariat III B ist die Vorbereitung eines
dieser Informationstage jeweils mit sehr viel Arbeit verbunden. Es müssen Email-Anmeldungen bestätigt, Informationsmappen gepackt und Anmeldelisten gepflegt werden.
Bisher haben an jährlich ca. zehn Informationstagen insgesamt über 2000 Studienbewerber teilgenommen und mit
Vortrag, Studieneingangstest, Institutsführung und Diskussionen das Physikstudium besser kennen gelernt. Seit ca. einem Jahr steht auf Initiative von Prof. Achim Stahl die Einführung des englischsprachigen Masterstudiengangs als neues Projekt auf der Agenda.
Erasmus
von Martin Erdmann
Das Erasmus-Programm bietet Studierenden ab dem 2. Jahr
einen 1- oder 2-semestrigen Aufenthalt an einer unserer
Partnerhochschulen im europäischen Ausland. Unsere Verbindungen reichen von Spanien, Italien, Schweiz, Frankreich, Großbritannien über Schweden, Norwegen und Finnland bis nach Polen und in die Tschechei.
Seit 2006 führen wir in jedem Jahr eine Informations- und
Bewerbungsveranstaltung durch und beantworten hundert
drängende Fragen. Unser Motto: "Es ist nicht leicht, einen
solchen Auslandsaufenthalt ins Physikstudium einzufügen.
Machen Sie es auf jeden Fall trotzdem!" Jeder, der im Ausland war, weiß es: Die eigene Persönlichkeitsentwicklung
erfährt einen Boost.
Aus 60 Bewerbungen wählen wir die Studierenden für unsere über 30 Erasmus-Plätze aus und unterstützen sie bei ihren
fachlichen Vorbereitungen. Jeder Studierende entwirft passend zum Angebot der jeweiligen Universität seinen individuellen Studienplan und muss vor Semesterbeginn Mindestkenntnisse in der Landessprache nachweisen.
Während die Studierenden dann im Auslandsjahr sind, sind
wir ihre fachlichen Ansprechpartner, genauso wie wir für die
"incoming" Studierenden unserer Partneruniversitäten fachliche Ansprechpartner sind. So begleiten wir in jedem Jahr
70 Physik-Studierende des Programms: die zu uns kommen,
die gerade weg sind, und die, die nächstes Jahr gehen wollen.
Wenn sie zurückkommen, gibt es viele differenzierte Eindrücke zu berichten. Unser Eindruck: Sie sind daran gewachsen
und viele merken es selbst.
Wie schon oben erwähnt: Ziel all dieser Bemühungen sollte
sein, Physiker heranzubilden, die auf dem Arbeitsmarkt gute
Chancen auf einen interessanten Arbeitsplatz haben. Mir
sind in den letzten Jahren häufig ehemalige Studierende begegnet, die mir erzählten, dass sie in den verschiedensten
Bereichen von Wirtschaft und Technik genau das erreicht
haben: einen Arbeitsplatz in einem spannenden Umfeld.
47
Unsere Forschungsthemen, die teilweise erst durch großen
finanziellen Einsatz, in der Regel Steuermittel, möglich werden, müssen wir gut begründen. Deshalb ist es sehr wichtig
die Öffentlichkeit über den Stand unserer Forschung zu informieren und möglichst schon bei Schülerinnen und Schülern Begeisterung für unsere Arbeit zu wecken. Meiner Meinung nach ist die Teilchen- und Astroteilchenphysik dafür
bestens geeignet, da wir sehr grundlegende Fragen stellen
und die Antworten mit den spektakulärsten Maschinen suchen.
Wir beteiligen uns regelmäßig an zahlreichen Veranstaltungsreihen wie „Uni im Rathaus“, das Seniorenstudium
und Schülerunis der RWTH und organisieren die Novembervorlesungen der Fachgruppe Physik. Dadurch informieren wir die interessierte Öffentlichkeit gerne und merken
dabei immer wieder, dass unsere spannenden Themen Phantasie wecken und begeistern.
Die Experimente, die viele unserer jungen Wissenschaftler
jedes Jahr für den Physikjahrmarkt in der Nacht der Wissenschaften aufbauen, gehören seit Jahren zu den Attraktionen
der Veranstaltung.
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Bei Schülerinnen und Schülern sowie deren Lehrkräften
können wir mit der Durchführung von „Masterclasses“ große Begeisterung wecken. Die Teilnehmer analysieren für
einen Tag echte CMS/LHC Daten, studieren dabei das Innere des Protons und finden in Massenverteilungen QuarkAntiquark Resonanzen, das Z-Boson und Higgs-Boson Kandidaten.
Bei den sogenannten „International Masterclasses“ wird die
ganztägige Veranstaltung mit einer internationalen Videokonferenz, geleitet vom CERN, abgeschlossen. Die Schülerinnen und Schüler stellen dabei ihre Ergebnisse vor, die
anschließend mit denen der weltweit verteilten anderen
Gruppen kombiniert werden. Dies vermittelt einen phantastischen Einblick in unseren Alltag in internationalen Kollaboration und ist jedes Mal ein großer Spass!
Seit 2010 ist das III. Physikalische Institut Mitglied im Netzwerk Teilchenwelt. In diesem werden Jugendlichen und
Lehrkräften Teilchen- und Astroteilchenphysik vermittelt,
mit der Möglichkeit zur aktiven Teilnahme. Dies geschieht
im Rahmen der Teilchenphysik über eintägige Masterclasses,
die an Schulen durchgeführt werden, und über die Ausleihe
von Experimenten zur Astroteilchenphysik. Drei solcher Experimente wurden durch das Netzwerk Teilchenwelt zur
Verfügung gestellt und werden regelmäßig an Schulen oder
Privatpersonen ausgeliehen, die damit eigenständige Experimente durchführen können: Mit Photomultipliern ausgestattete Thermoskannen (Kamiokanne), Szintillatoren mit
Silizium-Photomultipliern (CosMo-Experiment) und ein Set
von zehn Nebelkammern, die mit Trockeneis betrieben werden können. Insgesamt haben etwa vierzig Schüler, Lehrer,
Referendare und andere Interessierte das Angebot bereits
genutzt.
Die Mitarbeit bei den Unihits für Kids, den jährlichen Girl‘s
Days und im Mädchen-Schnupperstudium runden unsere
Öffentlichkeitsarbeit ab.
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48
VERWALTUNG UND WERKSTÄTTEN
Verwaltung und Werkstätten
von Markus Merschmeyer
Verwaltung, Sekretariate und Buchhaltung
Der Forschungs- und Lehrbetrieb erzeugt ganz nebenbei
auch eine Vielzahl an Verwaltungsvorgängen: Projektmittel
müssen angefordert und Verwendungsnachweise erstellt,
Personal angeworben und eingestellt, Dienstreisen vorbereitet und abgerechnet werden. Bauteile für die Detektorkonstruktion müssen bestellt, Messgeräte beschafft, größere Investitionen getätigt und alle daraus resultierenden Rechnungen bezahlt werden. Die laufenden Vorlesungen brauchen
studentische Hilfskräfte und Skripte, Bachelor-, Master- und
Doktorarbeiten werden angemeldet, Scheine an die Studierenden ausgehändigt und Prüfungsnoten dokumentiert. Dazu kommt immer jede Menge Korrespondenz und selbst
damit ist diese Liste noch lange nicht vollständig.
Gelegentlich allerdings stößt man hier aber auch an seine
Grenzen. So begab es sich zum Beispiel, dass ein Student,
dem die Sekretärin gerade mitgeteilt hatte, dass seine Bewerbung um einen Erasmus-Studienplatz an einer Hochschule
im europäischen Ausland erfolgreich war, tatsächlich fragte:
„Und, wie komme ich jetzt dahin?“ Nach einem Augenblick
der Stille kam die verdutzte Antwort: „Ich bin doch kein
Reisebüro!“ Wir hoffen, dass der Student seinen Zielort auch
aus eigener Kraft erreicht hat.
Die aktuell laufenden nationalen und internationalen Forschungsprojekte in Aachen und Jülich, Frankreich, Schweiz,
Argentinien, Japan und am Südpol entsprechen einem jährlichen Drittmittelvolumen von etwa 2,5 Millionen Euro. Von
diesen Drittmitteln werden typischerweise 5-10 Wissenschaftler und mehr als 40 Doktoranden sowie einige studentische
Hilfskräfte bezahlt, weit mehr als 500 Dienstreisen pro Jahr
durchgeführt und etwa ebenso viele Bestellungen und Beschaffungen getätigt. Seit Gründung des Instituts werden all
diese Arbeiten stets von einem kleinen Team erledigt. Es
bildet das Rückgrat des Instituts, hier laufen alle Fäden zusammen. Im Jahr 2007 übernahm ich die Leitung der Verwaltung, in der Vergangenheit lag diese in den Händen von
Hubert Geller, Dr. Raimund Honecker, Dr. Dieter Rein und
Dr. Danni Lankse.
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Neben der Verwaltungs- und Sekretariatsarbeit gibt es weitere Aufgaben, die zu bewältigen sind. Wissenschaft funktioniert noch besser, wenn die Versorgung mit Kaffee und Gebäck sichergestellt ist. Verirrte Studierende oder Lieferanten
müssen wieder auf den richtigen Weg gebracht werden,
manchmal suchen sie einfach nur nach dem Ausgang. Wartende Prüflinge sind dankbar für ein paar beruhigende Worte und bedienen sich gerne am bereitgestellten Gebäck.
49
Die Leistungen unserer Institutsverwaltung wurden anlässlich einer Vor-Ort-Prüfung im vergangenen Jahr durch den
Projektträger DESY ausdrücklich gelobt. Die Mittelverwendung entsprach den Vorgaben, alles war ordentlich dokumentiert und alle Belege waren leicht auffindbar. Die zuverlässige Dokumentation wesentlicher Dinge durch alle Generationen der Institutsverwaltung hindurch war auch ein
Glücksfall für die Vorbereitungen zum 50. Jubiläum. Sehr
vieles aus der Institutsgeschichte lässt sich anhand des Archivs noch wiederfinden oder rekonstruieren.
Werkstätten
Wie es sich für ein experimentell arbeitendes Physikinstitut
an einer technischen Hochschule gehört, verfügt das III.
Physikalische Institut über Mechanik- und Elektronikwerkstätten. Hier gibt es sehr gut ausgebildete Experten, die den
Ideen der Wissenschaftler Form und Funktion geben und
dafür sorgen, dass alles zuverlässig funktioniert.
VERWALTUNG UND WERKSTÄTTEN
der mechanischen Werkstatt und der Konstruktion, für seine
Verdienste am 13. Juli 1995 mit der Hochschulmedaille der
RWTH ausgezeichnet. Im Jahr 2010 empfing Günter Hilgers, Leiter der IIIA-Elektronikwerkstatt, den ,Achievement
Award‘ des CMS-Experiments am CERN für „herausragende Beiträge zur DT-Hochspannungsversorgung und zum
VDC-System“. Auch die Beiträge zum Bau des CMS-Experiments wurden von den Drittmittelgebern sehr gelobt. Detektorkonstruktion und -bau in solcher Größenordnung und
Qualität sei für die Werkstätten eines Universitätsinstitutes
außergewöhnlich, Projekte dieser Güte fände man sonst nur
bei großen außeruniversitären Forschungseinrichtungen.
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Bei fast allen Experimenten an denen das Institut in den
vergangenen 50 Jahren wesentlich beteiligt war, wurden von
den Werkstätten und Wissenschaftlern immer auch signifikante Beiträge zum jeweiligen Detektor geleistet. Mit dem
Übergangsstrahlungsdetektor („Transition Radiation Detector“ (TRD)) wurde hier durch Prof. Deutschmann sogar ein
gänzlich neuer Detektortyp erfunden, gebaut und weiterentwickelt.
Großprojekte der jüngeren Vergangenheit waren Entwicklung und Bau sehr unterschiedlicher Detektorsysteme, dazu
gehören Myondriftkammern und eine Endkappe des Spurdetektors für das CMS-Experiment am CERN, Antennen
für das Auger-Experiment in Argentinien sowie Detektoren
zur Messung der Driftgeschwindigkeit im Detektorgas der
CMS-Myondriftkammern oder Detektoren für die Medizinphysik. Darüber hinaus gibt es laufend Bedarf für die Konstruktion und den Aufbau vieler kleinerer Geräte und Schaltungen für Doktor-, Master- und Bachelorarbeiten sowie für
das physikalische Praktikum.
Dieses Umfeld ist natürlich auch ideal, um viel zu lernen und
praktisches Wissen zu erlangen, sowohl die mechanische als
auch die elektronische Werkstatt bilden daher Industriemechaniker bzw. Elektroniker aus. In den letzten 50 Jahren haben hier mehr als 50 Nachwuchskräfte eine Ausbildung abgeschlossen. Dazu kommen noch viele Schüler- und Berufspraktikanten.
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Mit solchen Würdigungen der geleisteten Arbeit kann man
zuversichtlich in die Zukunft gehen, laufende Detektoren
verbessern und sich neuen Projekten widmen. So wird zum
Beispiel das CMS-Experiment in mehreren Phasen erweitert
und verbessert werden. Die erste Phase läuft bereits und die
Werkstätten des Instituts sind dabei. Durch die Beteiligung
an neuen Projekten wie dem Raumfahrtprojekt „Enceladus
Explorer“ eröffnen sich zudem spannende Möglichkeiten zur
Entwicklung neuer Detektorsysteme.
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Die Leistungen unserer Werkstätten wurden vielfach gewürdigt. So wurde Karl Bosseler, Ingenieur und Betriebsleiter
50
INSTITUTSLEBEN
Institutsleben
von Markus Merschmeyer mit Beiträgen von Raimund Honecker, Thomas Kreß und Dieter Rein
Was wäre die physikalische Forschung ohne kreative Pausen
und ohne das Feiern wichtiger Ereignisse? Der erfolgreiche
Aufbau oder die Durchführung eines Experiments, das
Erzielen wichtiger Ergebnisse in den Arbeitsgruppen, bestandene Doktorprüfungen sowie der Eintritt oder das Ausscheiden von Mitarbeitern sollen nicht sang- und klanglos im
Institutsalltag untergehen. Auch gemeinsame Aktivitäten wie
Weihnachtsfeiern, Betriebsausflüge und sportliche Aktivitäten gehören dazu, erst so entsteht ein Institutsleben.
Kreative Pausen
Der wichtigste Termin (wohl noch vor dem freitäglichen
Institutsseminar) ist die 11-Uhr-Kaffeepause, die es seit dem
Umzug ins Physikzentrum gibt. Der Bauherr hatte seinerzeit
eine geplante Cafeteria auf der 5. Etage des Physikzentrums
gestrichen, daher hatte man sich mit einer improvisierten
Cafeteria auf der gemeinsamen Verkehrsfläche im 2. Stock
des Turms 26 beholfen. Wohl wissend, dass solch eine Einrichtung in einer Forschungsanlage stets zum Urquell wichtiger physikalischer Ideen wird hatte man dort zu diesem
Zweck auch ein paar passende Holzmöbel bereitgestellt. Dies
wurde aber schon kurz darauf bei einer Begehung durch das
Gewerbeaufsichtsamt beanstandet, so behalf man sich notgedrungen mit Metalltischen und -stühlen.
Heute ist die Kaffeepause nicht nur Umschlagplatz für Informationen aller Art sondern auch für Unmengen von
Backwerk, welches die Institutsmitglieder anlässlich ihrer
Geburtstage (oder, wie es kürzlich jemand ausdrückte „anlässlich einer weiteren erfolgreichen Umrundung des Zentralgestirns“) oder auch anderer Anlässe dort anbieten.
winnung von Knallgas durchgeführt wurden. Möglicherweise gab es weitere Experimente, die dem Verfasser dieser Zeilen noch nicht zu Ohren gekommen sind.
Promotionsfeiern
Die Forschungsarbeiten führen nicht selten auch zu einer
Promotion, seit der Institutsgründung wurden insgesamt
stolze 249 Promotionen durchgeführt (eine Liste davon findet
sich weiter hinten in der Festschrift). Die Art und Weise der
Promotion hat sich über die Jahre offenbar ein wenig geändert, dies zeigt die Abbildung vor der Liste.
Unmittelbar nach der erfolgreichen Prüfung ist der Promovend normalerweise zu nicht viel mehr in der Lage, als einen
Doktorhut aufzusetzen und zu tragen, alles weitere muss von
anderen besorgt werden. Dieser Tatsache wurde früher dadurch Rechnung getragen, dass die Professoren selbst Hand
anlegten und die erschöpften Promovenden vom Prüfungsort
zur anschließenden Feier geleiteten.
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Seit sowohl IIIA und IIIB über moderne Kaffeevollautomaten verfügen, ist der Konsum des von der Verwaltung zubereiteten Filterkaffees deutlich zurückgegangen. Dafür verrät
ein Blick auf die Tassenzähler der Geräte, dass 50-60 Tassen
pro Tag keine Seltenheit sind. Manche Forschungsarbeit
konnte vielleicht erst dadurch zu einem guten Abschluss gebracht werden.
In jüngerer Zeit hat sich bei einigen „Hallenbewohnern“
auch eine 16-Uhr-Kuchenpause etabliert. Diese scheint die
Kreativität besonders zu beflügeln, so dass im Anschluss daran gelegentlich fortgeschrittene Versuche zum Rösten von
Brot mit Hilfe einer Fresnellinse sowie Elektrolysen zur Ge-
51
Heute, wo Prüfung und Feier im Physikzentrum stattfinden,
wird dieses Phänomen nicht mehr beobachtet. Mit sehr viel
Mühe basteln heute die Mitarbeiter Doktorhüte, die wesentliche Aspekte der Dissertation und der Eigenheiten der frisch
Promovierten symbolisieren.
Weihnachtsfeiern
Den Abschluss eines jeden Jahres bildet die Weihnachtsfeier.
Man blickt auf das Erreichte zurück und lässt es sich gut
gehen. Dies fällt nicht schwer, da die Institutsmitglieder ihre
vielseitigen Talente außerhalb von Physik und Technik einbringen, vor allem im kulinarischen und unterhalterischen
Bereich. So verfügt das Institut durch alle Gruppen hinweg
über gut ausgebildete Instrumentalisten und Sänger, die gerne bereit sind (manchmal zusätzlich motiviert durch ein beherztes Wort des Gruppenleiters), mit ihrem Können zur
Gestaltung der Feier beizutragen.
INSTITUTSLEBEN
Haus der deutschen Geschichte in Bonn. Anlässlich eines
Besuchs beim WDR in Köln traf man sich mit Ranga Yogeshwar, der früher ebenfalls im III. Physikalischen Institut
gearbeitet und im Jahr 1985 seine Diplomarbeit über Axionsuchen bei Professor Faissner angefertigt hatte.
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Besonders rhetorisch oder schauspielerisch veranlagte Institutsmitglieder halten kurze Vorträge oder organisieren unterhaltsame Spiele. Gelegentlich kam auch Knecht Ruprecht
in engelhafter Begleitung zu Besuch, um nach dem Betragen
von Professoren und Verwaltung zu fragen. Danach feiert
man oft bis in die Nacht hinein, in jüngerer Zeit wurden
dabei aber, wie noch in der Festschrift zum 25. Instituts-Jubiläum überliefert, keine Führerscheine mehr entzogen.
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Betriebsausflüge
Betriebsausflüge fanden seit der Gründung des Instituts mit
wenigen Ausnahmen jährlich statt. Da man sich meistens
schon früh morgens zur gemeinsamen Abfahrt mit dem Bus
(in jüngerer Zeit oft unter der Kontrolle unseres bewährten
Mechanikers und Busfahrers Hans Frohn) am Physikzentrum
Melaten trifft, bieten solche Unternehmungen insbesondere
dem jüngeren wissenschaftlichen Personal die Möglichkeit,
auch mal etwas früher als gewöhnlich aufzustehen. Nicht
selten entführen solche Ausflüge die Teilnehmer in ungewohnte Umgebungen.
Die Ausflüge der Anfangszeit lassen sich nur bruchstückhaft
rekonstruieren, in den späteren Jahren wurden viele lohnenswerte Ziele in der näheren und ferneren Umgebung von
Aachen erkundet. So besuchte man unter anderem das Radioteleskop Effelsberg, den Bundestag in Bonn, die FordWerke in Köln-Niehl, das DLR in Köln, einen Bio-Bauernhof im Selfkant-Gebiet, die Ordensburg Vogelsang, das
52
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INSTITUTSLEBEN
In der Anfangsphase der Aufbauarbeiten für den Beschleuniger „Large Hadron Collider“ (LHC) und das „Compact
Muon Solenoid“ (CMS) -Experiment am CERN nutzte man
die Ausflüge auch, um daran beteiligte Industrieunternehmen zu besichtigen. Diese hatten z. B. Tunnelbohrmaschinen für den LEP-Tunnel hergestellt (Wirth, Erkelenz), Beschleunigerkomponenten für CERN und DESY gebaut
(ACCEL, Bergisch-Gladbach) oder die Klebetische und Honeycomb-Spacer für den Myonkammerbau für CMS angefertigt (Stolle, Bonn bzw. Hexcel, Welkenraedt).
Sport: Lousberglauf und Fußballpiel
Seit dem Jahr 2004 beteiligen sich auf Anregung von Prof.
Hebbeker viele Institutsmitglieder am Aachener Lousberglauf. Diese Sportveranstaltung ist sehr populär, jedes Jahr
gehen bis zu 2000 Läuferinnen und Läufer an den Start. Die
etwa 5.500 m lange Laufstrecke ist wegen mehrerer steiler
Anstiege und den mehr als 60 Höhenmetern durchaus anspruchsvoll.
Für die Teilnahme wurde ein Laufteam mit dem Namen
„Großkanonisches Ensemble“ gegründet, an dem sich auch
die Mitglieder weiterer Physik-Institute beteiligen. Spätestens
ab dem Frühjahr bis zum Tag des Wettkampfs Anfang Juli
wird dann beim wöchentlichen Lauftreff fleissig trainiert.
Das Hinterland des Physikzentrums bietet dazu ausreichend
Möglichkeiten.
Darüber hinaus gibt es auch eine Fußballgruppe, die sich
jeden Mittwoch trifft. Wegen der regen Bautätigkeit auch um
das Physikzentrum herum (Modulbau 1 & 2) musste mehrere
Male ein neues Spielfeld gefunden werden. Zur Zeit trifft
man sich auf der Rasenfläche neben der Elektrotechnik, hier
kommt man auch in den Genuss stabiler Tore.
Sportliches Vorbild ist Albrecht Böhm, über viele Jahre ältester Teilnehmer der Physik beim Lousberglauf und ebenfalls
lange Zeit in der Fußballgruppe aktiv.
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53
Saas Grund
von Thomas Kreß
Zur fachlichen Kommunikation und zum Kennenlernen
über die verschiedenen Arbeitsgruppen hinweg hat das Winterseminar in Saas Grund im Wallis seinen festen Platz im
Institutsleben.
Hervorgegangen aus einem Mitarbeitertreffen von Prof.
Schultze in seinem Privathaus in Saas Fee wurde das jährliche Treffen außerhalb von Aachen auf Anregung von Prof.
Flügge bald arbeitsgruppenübergreifend in ein größeres Ferienhaus in Saas Grund verlagert. Im geräumigen Ferienhaus
Mon Bijou in angenehmer Atmosphäre umsorgt und verwöhnt uns nun schon seit 20 Jahren Familie Burgener.
INSTITUTSLEBEN
kussionen gibt es auch noch andere interessante Vorträge mit
Bezug zur Physik, wie z.B. über die Entstehung und Ausbreitung von Lawinen (aus gutem Grund am letzten Vortragsabend des Seminars), der Physik und Physiologie der Höhenakklimatisation oder über die höchsten Gipfel unseres
Sonnensystems und die Besonderheiten (z.B. hinsichtlich der
jeweiligen "Erdbeschleunigung" und Klimabedingungen)
einer (eher) potentiellen Besteigung.
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Die ursprüngliche Organisation (Orginalton Günter Flügge
bei einem Ausflug nach Zermatt: „manchmal wie einen Sack
Flöhe hüten“) lag in der Hand von Herbert Gräßler, Wolfgang Struczinski und Danni Lanske, ab 2003 dann bei
Thomas Kreß.
Nach eher "weißen Aktivitäten" am Tag beginnt nach dem
Abendessen unser Vortragsprogramm, das sich oft bis nahe
der Mitternachtsstunde erstreckt.
Neben Vorträgen der Teilnehmer über ihre eigenen Arbeiten
und Experimente mit ausreichend Zeit für Fragen und Dis-
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Liste aller Doktorarbeiten am III. Physikalischen Institut A
Name
Titel der Arbeit
Tag der
mündlichen Prüfung
1
Martin Holder
Analyse von Neutrinoreaktionen in Funkenkammern
25.07.1967
Faissner
Deutschmann
2
Arnold Staude
Elastische Neutrinoreaktionen in Funkenkammern
14.06.1968
Faissner
Deutschmann
3
Dietmar Bröcking
Erzeugung neutraler Mesonen durch negative Pionen an komplexen
Kernen
16.06.1969
Faissner
Deutschmann
4
Norbert Lehnart
Ein Drahtfunkenkammer-Spektrometer zur Analyse der Zerfälle
neutaler K-Mesonen
07.07.1969
Faissner
Lueg
5
Albrecht Böhm
Messung der Phase des CP-verletzenden Zerfalls des langlebigen
neutralen Kaons in zwei geladene Pionen
01.12.1969
Faissner
Deutschmann
6
Jürgen Stein
Die Polarisation des Myons im Zerfall K* → π0 μ+ νμ
17.12.1969
Faissner
Deutschmann
7
Dieter Haidt
Messung der Formfaktoren aus den Spektren des Zerfalles
K* → π 0 μ+ ν μ
18.12.1969
Faissner
Rodenberg
8
Peter Zerwas
Beschreibung der Spin-0-Messungen im Rahmen der gebrochenen
chiralen SU(3) x SU(3) Symmetrie
13.02.1970
Rodenberg
Faissner
9
Ulrich Günther
Die Polarisation der Rückstoßprotonen bei der elastischen ElektronProton-Streuung
03.07.1970
Rodenberg
Faissner
55
Gutachter
Zweitgutachter
10
Helmut Karl
Automatische Analyse von Schauern in Vielplattenfunkenkammern
11.12.1970
Faissner
Deutschmann
11
Udo Brall
Isovektor-Nukleon-Formfaktoren
18.12.1970
Rodenberg
Deutschmann
12
Henrik Foeth
Regeneration kurzlebiger neutraler K-Mesonen an Kernen und
Elektronen
09.02.1971
Faissner
Rodenberg
13
Udo Heeren
Messung der relativen Zerfallswahrscheinlichkeiten von langlebigem
und kurzlebigem neutralem Kaon in zwei neutrale Pionen
09.02.1971
Faissner
Rodenberg
14
Hansjörg Umbach
Suche nach Quarks der Ladung e/3 in der kosmischen Ultrastrahlung
21.06.1971
Faissner
Rodenberg
15
Claus Stolze
Vollautomatische Messung von Streamerkammerbildern
01.02.1972
Faissner
Lueg
16
Ziad Zawaf
Monte Carlo Untersuchungen der räumlichen Entwicklung kosmischer Luftschauer im Energiebereich 1012 - 1015 eV
01.02.1972
Faissner
Rodenberg
17
Werner Krenz
Messung der Energieabhängigkeit des Matrixelementes für den Zerfall KL0 → π+ π- π0
01.02.1972
Faissner
Rodenberg
18
Hans Reithler
Messung der Rate des CP-verletzenden Zerfalls des langlebigen neutralen Kaons in zwei neutrale Pionen durch Vergleich zu dem erlaubten in drei neutrale Pionen
06.07.1972
Faissner
Staude
19
Klaus-Heinz Maull
Suche nach Quarks in hochenergetischen Ultrastrahlungsschauern
08.02.1973
Faissner
Rodenberg
20
Hansjörg Steiner
Bestimmung des Formfaktors im K+e3 -Zerfall
09.02.1973
Faissner
Schultze
21
Ernst Radermacher
Präzisionsmessung der relativen Zerfallsrate des langlebigen neutralen K-Mesons in zwei neutrale bzw. geladene Pionen
05.02.1974
Faissner
Rodenberg
22
Hans-Georg Fasold
Über die Durchführbarkeit eines Antineutrino-Elektron-Streuexperiments
05.02.1974
Faissner
Rodenberg
23
Karsten Eggert
Messung der Ionisation von relativistischen Teilchen mit einer
Streamerkammer
11.02.1974
Faissner
Schultze
24
Hans-Ulrich Martyn
Messung des Formfaktors im Zerfall K+ → π0 e+ νe
11.02.1974
Faissner
Schultze
25
Theo Eichten
Messung und Kontrolle des CERN Neutrinoexperiments durch Registrierung der Begleitmyonen in Halbleiterdetektoren
13.02.1974
Faissner
Schultze
26
Klaus Krisor
Suche nach hochrelativistischen Teilchen gebrochener Ladung in der
kosmischen Ultrastrahlung
12.07.1974
Faissner
Rodenberg
27
Laszlo Baksay
Messung des totalen Proton-Proton-Wirkungsquerschnitts an den
CERN-Speicherringen im Schwerpunktsenergiebereich von 23 bis
63 GeV
02.02.1978
Böhm
Faissner
28
Martin Pohl
Die Isospinstruktur der schwachen Ströme in exklusiven Neutrinoreaktionen
04.07.1979
Schultze
Faissner
29
Dieter Hoffmann
Beobachtung von Myon-Elektron-Paaren in Neutrinoreaktionen
01.02.1980
Faissner
Böhm
30
Wilfried Thomé
Ska1en-Verhalten in inelastischen Proton-Proton-Wechselwirkungen
bei Speicherringenergien von 23 bis 63 GeV
11.02.1980
Faissner
Krenz
31
Karl-Ludwig Giboni
Nachweis eines Baryons ΛC mit freiem Charm in diffraktiven ProtonProton Wechselwirkungen
11.02.1980
Böhm
Faissner
32
Franz-Josef Hasert
Nachweis schwacher neutraler Ströme in inklusiven Neutrinoreaktionen
02.07.1980
Faissner
Schultze
33
Helmut Deden
Messung des elektroschwachen Mischungswinkels aus inklusiven
Neutrinoreaktionen
02.07.1980
Schultze
Faissner
56
34
Dankfried Lanske
Erste Messung der semi-inklusiven D*+-Meson-Erzeugungsrate in
Neutrino-Proton-Reaktionen
10.02.1981
Schultze
Deutschmann
35
Ulrich Samm
Elastische Streuung von Myon-Neutrinos und Myon-Antineutrinos
an Protonen und Neutronen
19.05.1981
Faissner
Böhm
36
Hans Rykaczewski
Suche nach dem sechsten Quark in hadronischen Endzuständen der
Elektron-Positron-Vernichtung bei PETRA
26.06.1981
Böhm
Faissner
37
Harry Weerts
Messung der Strukturfunktionen der tief inelastischen NeutrinoNukleon-Streuung bei Impulsüberträgen bis zu 50 GeV2
20.11.1981
Schultze
Faissner
38
Helmut de Witt
Untersuchungen an schwach erzeugten neutralen Mesonen
16.07.1982
Faissner
Böhm
39
Peter Fritze
Untersuchung der Struktur des Nukleons bei Impulsüberträgen bis
100 GeV2
23.11.1982
Schultze
Deutschmann
40
Gregor Herten
Messung der Ladungsasymmetrie in der Reaktion e+ e- → μ+ μ- mit
dem Mark-J-Detektor bei PETRA
05.07.1983
Böhm
Faissner
41
Wolfgang Heinrigs
Beobachtung des Zerfalls eines leichten, durchdringenden Teilchens
in 2 Photonen
05.07.1983
Faissner
Berger
42
Frank-Peter
Poschmann
Hadronische Ereignisse mit Myonen im MARK-J-Detektor bei PETRA
04.06.1985
Böhm
Faissner
43
Andreas Preufiger
Suche nach dem Zerfall des Axions in zwei Photonen
14.07.1986
Faissner
Krenz
44
Dieter Linnhofer
Hadronische Ereignisse im Mark-J-Detektor bei PETRA
21.11.1986
Böhm
Deutschmann
45
Peter Hawelka
Entwicklung und Test einer hochauflösenden Driftkammer in Zylindergeometrie
25.05.1987
Deutschmann
Tonutti
46
Eberhard Eich
Elastische und inelastische Formfaktoren von Baryonen in einem
Quark-Potential-Modell
10.07.1987
Rodenberg
Sehgal
47
Joachim Mnich
Test der elektroschwachen Wechselwirkung in der Reaktion e+ e- → μ
+ μ-
10.07.1987
Böhm
Faissner
48
Hans-Christoph
Stamm
Massen und Wechselwirkungen von Higgs-Bosonen unter besonderer
Berücksichtigung axionartiger Teilchen
13.07.1987
Rodenberg
Zerwas
49
Hans-Günther Moser
Dimuon Production at the CERN pp Col1ider
13.07.1987
Eggert
Faissner
50
Michael Düren
Messung des EMC-Effekts an Kernen unterschiedlicher Massenzahlen
22.11.1987
Schultze
Faissner
51
Thomas Redelberger
Suche nach diffraktiver Produktion schwerer Quarks in der ProtonAntiproton-Streuung
30.11.1987
Eggert
Faissner
52
Doris Samm
Suche nach skalaren und pseudoskalaren Teilchen am Kernreaktor
29.01.1988
Faissner
Bosetti
53
Hans Tuchscherer
Suche nach e+ e- aus dem Zerfall neutraler durchdringender Teilchen
29.01.1988
Faissner
Tonutti
54
Gereon Berghoff
Jets und QCD-Effekte in der Myon-Nukleonstreuung bei 280 GeV
29.01.1988
Schultze
Böhm
55
Peter Erhard
Search for the Top Quark
05.02.1988
Faissner
Eggert
56
Evelin Tscheslog
Observation of the Muonic Decay of the Charged intermediate
Vector Boson W+-
05.02.1988
Faissner
Bosetti
57
Hans Grallmann
Limits on Leptoquarks from Missing Energy and from Muon Events
at the pp Collider
05.02.1988
Eggert
Faissner
57
58
Josef Schug
Messung von Myonen in hadronischen Ereignissen mit dem MARK
J Detektor bei PETRA
08.07.1988
Böhm
Berger
59
Erwin Deffur
Messung der Reaktion e+ e- → τ+ τ- mit MARK J bei PETRA
08.07.1988
Böhm
Flügge
60
Stephan Lammel
Search for the Top Quark
25.10.1990
Eggert
Faissner
61
Ulrich Herten
Hochauflösende Driftkammern
11.03.1991
Böhm
Tonutti
62
Manfred Wanninger
CP-Verletzung im neutralen B-Meson System
07.05.1991
Sehgal
Köpp
63
Armin Böhrer
Cross-Sections and Masses of the Intermediate Vector Bosons at
UA1
30.10.1991
Eggert
Faissner
64
Peter Göttlicher
Entwicklung und Bau eines rechnergesteuerten Gassystems für die
Spurenkammer des L3-Experiments
25.11.1991
Böhm
Tonutti
65
Joachim Rose
Bestimmung von Parametern der elektroschwachen Theorie mit dem
L3-Detektor bei LEP
04.05.1992
Böhm
Schmitz
66
Achim Geiser
Beauty Production at the CERN Proton Antiproton Collider : A Test
of QCD
19.10.1992
Faissner
Eggert
67
Christoph Latsch
Erzeugung elektromagnetischer Schauer durch Myonen der kosmischen Höhenstrahlung
18.12.1992
Faissner
Krenz
68
Rudolf Starosta
Suche nach Neutralinos in e+e--Reaktionen am L3-Experiment
22.01.1993
Schultze
Krenz
69
Alexander Moulin
Drell-Yan- und Quarkonium-Produktion am UA1-Experiment
24.02.1993
Faissner
Eggert
70
Patrik Heiliger
CP-Verletzung in seltenen K-Zerfällen
29.10.1993
Sehgal
Köpp
71
Thomas Spickermann
Der String-Effekt in 3-Jet-Ereignissen beobachtet mit dem L3Detektor
06.06.1993
Schultze
Böhm
72
Sabine Riemann
Suche nach einem Z' auf der Z-Resonanz mit dem L3-Detektor am
LEP-Beschleuniger
13.06.1994
Böhm
Schmitz
73
Ulrich Uwer
Messung der Myonpaarproduktion auf der Z-Resonanz
19.12.1994
Böhm Schmitz
74
Stephan Röhner
Bestimmung der Ladungsasymmetrie von Hadronen
mit dem L3-Detektor
07.12.1995
Schultze
Tonutti
75
Markus Möller
Gemeinsame Bestimmung der Vorwärts-Riickwärts-Asymmetrien
schwerer Quarks unter Berücksichtigung verschiedener Zerfallsmodelle mit dem L3 -Detektor am LEP-Speicherring
19.06.1996
Schultze
Bethke
76
Thomas Moers
Muon Detection at Future Hadron Colliders
12.02.1996
Faissner
Krenz
77
Ralf Schleichert
Entwicklung eines schnellen Triggersystems für das
Anke-Spektrometer am COSY-Speicherring in Jülich
25.06.1996
Faissner
O. Schult
78
Manfred Sassowsky
Vorbereitung zur Messung der Reaktion
e+ e- → W+ W- → qq/ll mit dem L3-Detektor bei LEP 200
30.08.1996
Böhm
Tonutti
79
Christoph Paus
Measurement of the Hadron Cross Section with the L3 Detector and
Determination of Standard Model Parameters
30.08.1996
Böhm
Schmitz
80
Helmut Wagner
Konzeption und Entwicklung von großflächigen Driftkammern für
den Myondetektor des CMS-Experiments
29.11.1996
Bethke
Faissner
81
Stefan Roth
Messung der Myonpaarproduktion und ihrer Strahlungskorrekturen
mit dem L3-Detektor bei LEP
17.01.1997
Böhm
Berger
58
82
Helmut Teykal
Optimierung von Driftkammem zum Myonennachweis am CMSExperiment
31.01.1997
Bethke
Faissner
83
Hubert Schwarthoff
Simulationen in Konzeption und Bau der zentralen Myondriftkammern am CMS-Detektor
16.06.1997
Bethke
Faissner
84
Stephan Wynhoff
Messung der Tau-Paarproduktion mit dem L3-Detektor bei LEP
30.10.1997
Böhm
Schmitz
85
Klaus Hanke
Measurement of Picosecond Electron Bunches in a Linear Accelerator
02.12.1997
(DESY)
Schmüser
Tonutti
86
Jörg Bechtluft
Messung der hadronischen Struktur des Photons bei kleinen xBj mit
dem OPAL - Detektor
24.06.1998
Bethke
Flügge
87
Beate Roth
Messung der Reaktion e+ e- → γ γ (γ) mit dem L3 -Detektor bei LEP
26.06.1998
Böhm
Berger
88
Frank Tecker
New Methods of Improving the Orbit Determination and Stability at
LEP
26.06.1998
Tonutti
Böhm
89
Ina Reichel
Study of the Transverse Beam Tails at LEP
03.07.1998
Tonutti
Flügge
90
Peter Pfeifenschneider
QCD Analyses Using Jets in Electron-Positron Annihilation at Energies between 35 and 183 GeV
12.03.1999
Bethke
Flügge
91
Christoph Schäfer
Measurement of Bhabha Scattering at Center-of-Mass Energies between 89 GeV and 183 GeV with the L3 Detector at LEP
02.06.1999
Böhm
Schmitz
92
Marc Alexander
Geitz
Investigation of the Transverse and Longitudinal Beam Parameters
at the TESLA Test Facility Linac
05.11.1999
(DESY)
Schmüser
Tonutti
93
Martin Wegner
Studien zum Verhalten von Myonkammem unter hohen Untergrundraten
16.12.1999
Bethke
Böhm
94
Martin von der Mey
Messung der Reaktion e+ e- → q q̄ (γ) mit dem L3-Detektor bei LEP
18.01.2000
Böhm
Mnich
95
Arno Straessner
Measurement of Mass and Width of the W Boson with the L3 Detector at LEP
07.07.2000
Böhm
Mnich
96
Sascha Schmidt-Kärst
Elektron-Photon Physik bei LEP
07.07.2000
Böhm
Mnich
97
Jenny Böhme
Suche nach assoziierter Produktion von Higgs- und Z°-Bosonen mit
Zerfall in Quarks oder Gluonen
14.07.2000
Bethke
Flügge
98
Florian Sonnemann
Resistive Transition and Protection of LHC Superconducting Cables
and Magnets
07.05.2001
Böhm
Mnich
99
Rolf Seuster
Bestimmung der B Quarkmasse an der Z Massenskala
22.11.2001
Bethke
Flügge
100 Valeria Tano
A study of QCD processes at low momentum transfer in hadronhadron collisions
22.11.2001
Bethke
Flügge
101 Martin Weber
Messung der Reaktion e+ e- → q q̄ l+ l- mit dem L3-Detektor bei LEP
19.02.2002
Böhm
Mnich
102 Peter Wienemann
Suche nach dem Higgs-Boson im Vier-Jet-Kanal mit dem L3-Detektor bei LEP
19.02.2002
Böhm
Mnich
103 Pedro Movilla Fernéndez
Studien zur Quantenchromodynamik und Messung der starken
Kopplungskonstanten αs bei √s = 14 — 44 GeV mit dem JADE-Detektor
21.11.2002
Bethke
Flügge
104 Mona Blumenstengel
Untersuchung der ln(1/x)-Verteilung mit JADE-Daten bei 22 - 44
GeV
21.11.2002
Bethke
Flügge
105 Yusuf Dincer
Radiative Decays of B-Mesons into l+ l- and ν ν̄ Pairs
20.05.2003
Sehgal
Bernreuther
59
106
Jan Erik Prochnow
Beam Position Monitoring at CLIC
27.11.2003
Böhm
Mnich
107 Sven Hermann
Präzisionsmessungen an Myondriftkammem für den CMS-Detektor
und die Bedeutung des Myonsystems für die Higgs-Suche am LHC
05.03.2004
Böhm
Hebbeker
108 Marc Zöller
Suche nach dem Higgs-Boson in hadronischen Endzuständen mit
fehlender Energie am L3-Experiment bei LEP
05.08.2005
Böhm
Mnich
109 Christian Rosenbleck
Bestimmung der Massen der Eichbosonen bei L3
09.10.2006
Böhm
Mnich
110 Daniela Käfer
Search for R-parity violating Supersymmetry in Multilepton Final
States with the D0-Detector
27.10.2006
Hebbeker
Erdmann
111 Christian Autermann
Resonant Second Generation Slepton Production at the Tevatron
21.12.2006
Hebbeker
Feld
112 Ralph Steinhagen
LHC-Beam Stability and Feedback Control
20.07.2007
Böhm
Hebbeker
113 Carsten Magaß
Search for new heavy Charged Gauge Bosons
02.11.2007
Hebbeker
Stahl
114 Michael Sowa
Tests of the Data Acquisition System and Detector Control System
for the Muon Chambers of the CMS-Experiment at LHC
27.02.2009
Hebbeker
Stahl
115 Philipp Bialass
Commissioning of the CMS Muon Detector and Development of
Generic Search Strategies for New Physics
27.03.2009
Hebbeker
Wiebusch
116 Matthias Kirsch
Measurement of the Electroweak Top Quark Production Cross Section and the CKM Matrix Element Vtb with the D0 Experiment
29.06.2009
Erdmann
Hebbeker
117 Hans Dembinski
Measurement of the flux of ultra high energy cosmic rays using data
from very inclined air showers at the Pierre Auger Observatory
03.12.2009
Hebbeker
Erdmann
118 Carsten Hof
Implementation of a Model-Independent Search for New Physics
with the CMS Detector exploiting the World-Wide LHC Computing
Grid
04.12.2009
Hebbeker
Wiebusch
119 Peter Schiffer
Constraining Cosmic Magnetic Fields by a Measurement of EnergyEnergy-Correlations with the Pierre-Auger Observatory
06.07.2011
Erdmann
Hebbeker
120 Marius Grigat
Large Scale Anisotropy Studies of Ultra High Energy Cosmic Rays
Using Data Taken with the Surface Detector of the Pierre Auger
Observatory
15.07.2011
Hebbeker
Erdmann
121 Stephan Schulte
Autocorrelation Studies of the Arrival Directions of UHECRs measured by the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory
14.09.2011
Hebbeker
Erdmann
122 Andreas Hinzmann
Measurement of the Dijet Angular Distributions and Search for
Quark compositeness with the CMS-Experiment
18.11.2011
Erdmann
Hebbeker
123 Stefan Fliescher
Antenna Devices and Measurement of Radio Emission from Cosmic
Ray induced Air Showers at the Pierre Auger Observatory
20.12.2011
Erdmann
Wiebusch
124 Holger Pieta
MUSiC - A Model Unspecific Search in CMS based on 2010 LHC
data
12.07.2012
Hebbeker
Wiebusch
125 Jan Steggemann
Search for New Particles Decaying to a Top Quark Pair with the
CMS Experiment
05.11.2012
Erdmann
Hebbeker
126 Stefan Schmitz
Search for Large Spatial Extra Dimensions with Dimuon Events from
7 TeV pp collisions at CMS
17.07.2013
Hebbeker
Wiebusch
127 Tobias Winchen
The Principal Axes of the Directional Energy Distribution of Cosmic
Rays measured with the Pierre Auger Observatory
19.07.2013
Erdmann
Wiebusch
60
Liste aller Doktorarbeiten am III. Physikalischen Institut B
Tag der
mündlichen Prüfung
Gutachter
Zweitgutachter
Name
Titel der Arbeit
1
Herbert Burmeister
Messung von Elektronen-Photonen-Kaskaden und theoretische Deutung der Ergebnisse
28.02.1961
Deutschmann
Fucks
2
Herbert Lengeler
Messungen von Elektronenkaskaden in Blei mit Hilfe einer Blasenkammer
18.12.1962
Deutschmann
Schlögl
3
Klaus Tesch
Die Messung der Streuung von 14-MeV-Neutronen an Bor,
Kohlenstoff und Schwefel
29.06.1962
Deutschmann
Schlögl
4
Hartmut Eicker
Die Erzeugung hoher Ströme relativistischer Elektronen in Kreisbeschleunigern
11.12.1963
Deutschmann
Fucks
5
Karlheinz Fischer
Messung des Pion-Elektron-Streuquerschnittes für 16 GeV/c Pionen
29.07.1964
Deutschmann
Schlögl
6
Karl Bongartz
Untersuchung der differentiellen Wirkungsquerschnitte bei elastischen und quasielastischen Streuprozessen von π+- und π--Mesonen
an Protonen in einer Wasserstoffblasenkammer bei 4 GeV
22.07.1965
Deutschmann
Faissner
7
Wolfgang Woischnig
Zur Bestimmung der Quantenzahlen der A-Mesonen
28.02.1966
Deutschmann
Faissner
8
Raimund Honecker
Die Bestimmung der Neutron-Neutron-Streulänge aus der (n, 2n)
Reaktion am Deuteron
09.03.1967
Deutschmann
Armbruster
9
Heinz Weber
Elastische und inelastische Zwei-Körper-Reaktionen in der π+p
Streuung bei 8 GeV
25.07.1967
Deutschmann
Faissner
10
Herbert Gräßler
Die Bestimmung der Neutron-Neutron-Streulänge aus dem Aufbruch des Deuterons durch 14 MeV Neutronen
26.06.1968
Deutschmann
Armbruster
11
Michael Aderholz
Über die Reaktion π+ P → N*++ ω im Rahmen des Absorptionsmodells
05.05.1969
Deutschmann
Rodenberg
12
Wilhelm Krudewig
Intensive Elektronenströme in einem Luftspulenbetatron mit Stellaratorfeld
08.07.1969
Deutschmann
Fucks
13
Eberhard Schüttler
Über die Photoerzeugung von neutralen ρ-Mesonen in einer Wasserstoffblasenkammer bei Photonenenergien bis zu 5.8 GeV
10.02.1969
Deutschmann
Faissner
14
Rolf Speth
Experimentelle Untersuchung der Donohue-Högassen Parameter
von Meson- und Baryon-Resonanzen
03.07.1970
Deutschmann
Rodenberg
15
Eric Keppel
Die Reaktion π+ p → p π+ π+ π- bei 8 GeV in dem reggeisierten multi-peripheren Modell von Chan, Loskiewicz und Allison
05.02.1970
Deutschmann
Rodenberg
16
Günter Kraus
Anwendung des CLA-Modells auf 3- und 5-Körperendzustände in
π+p Reaktionen bei 8 GeV
13.02.1970
Deutschmann
Rodenberg
17
Volker Commichau
Eine halbautomatische Apparatur zur schnellen, programmgesteuerten Blasenkammerbildvermessung
13.07.1970
Deutschmann
Sander
18
Klaus Hangarter
Eine halbautomatische Methode zur Blasenkammerfilmvermessung
mit Hilfe einer Fernsehkamera
13.07.1970
Deutschmann
Sander
19
Hans-Georg Hilpert
Die Photoerzeugung von ρo-Mesonen an Deuteronen in einer Blasenkammer bei Photonenergien bis zu 5.3 GeV
09.07.1971
Deutschmann
Rodenberg
20
Joachim Bartsch
Anwendung des DRP-Modells auf 3-Körper-Endzustände in der πpStreuung
12.02.1971
Deutschmann
Rodenberg
61
21
Nikolaos Tsanos
Bestimmung von Spin und Parität der A-Mesonen unter Berücksichtigung der Struktur des nicht-resonanten Untergrundes
14.05.1971
Deutschmann
Rodenberg
22
Elmar Dropmann
Die Bestimmung der Neutron-Neutron-Streulänge aus der Aufbruchreaktion D(n,p)2n des Deuterons
21.06.1971
Deutschmann
Faissner
23
Joachim Melke
Die Instabilität intensiver Elektronenströme bei relativistischen Energien in einem Luftspulenbetatron mit Stellaratorfeld
06.07.1972
Deutschmann
Lübelsmeyer
24
Wolfgang Struczinski
Inklusive π±-Photoproduktion und ihr Vergleich mit Hadron- und
Elektroproduktionsexperimenten
02.07.1973
Deutschmann
Lübelsmeyer
25
Harrie Schnackers
Untersuchung der Photoproduktion von Mehrfachpionreaktionen in
einem Deuterium-Blasenkammerexperiment bei Photonenenergien
bis zu 5.5 GeV
11.05.1973
Deutschmann
Lübelsmeyer
26
Reiner Schulte
Beschreibung der Reaktion π+ p → p π+ π+ π- bei 4, 8 und
16 GeV/c mit dem Veneziano-Modell
26.06.1973
Deutschmann
Otter
27
Peter Schmitz
Experimentelle Untersuchung der Pion-Pion-Streuung an Hand von
π±p-Produktionsexperimenten
12.02.1974
Deutschmann
Otter
28
Rainer Schiffers
Experimentelle Untersuchung der inkohärenten Produktion von ρ0Mesonen am Deuteron bei Photonenenergien bis 5.3 GeV
12.07.1974
Deutschmann
Lübelsmeyer
29
Klaus Boesebeck
Inelastische Teilchenmultiplizitäten für inklusive und Zwei-VertexReaktionen in π±p-Experiment bei 16 GeV/c und Vergleich mit dem
peripheren Phasenraum
19.07.1974
Deutschmann
Otter
30
Peter Lauscher
Die Suche nach dem Doppel-Pomeron-Austausch in der Reaktion
π+ p → π+ (π+ π-) p bei 8, 16 und 23 GeV/c
19.07.1974
Deutschmann
Otter
31
Rolf Steinberg
Beschreibung der Reaktionen π+ p → p π+ π0 bei 4, 8 und
16 GeV/c, π- p → p π- π0 bei 16 GeV/c und pp̄ → p π+ π- π0 in
Ruhe durch das verallgemeinerte Veneziano-Modell
19.07.1974
Deutschmann
Otter
32
Maurudis Matziolis
Inklusive π±-Teilchenspektren in π+p Streureaktionen bei 8 und 16
GeV/c und Parametrisierung der Rapiditätsverteilungen
20.12.1974
Deutschmann
Otter
33
Wolfgang Thiele
Beschreibung von Modellen für Deuteronaufbruchprozesse und ihr
Vergleich mit Daten der Reaktion γd → pp π-
07.02.1975
Deutschmann
Lübelsmeyer
34
Peter C. Bosetti
Untersuchung der Strange Particle Production in 16 GeV/c π±p-Reaktionen
19.
07.1975
Deutschmann
Otter
35
Gerald Rudolph
Spin-Analyse des (Kππ)-Systems in der Reaktion K- p → K- π- π+ p.
November
1975
Otter
(Aachen-Innsbruck)
36
Klaus Rumpf
Eine Untersuchung von (π+ ω) und (K- ω) und -Systemen nahe der
Reaktionsschwelle in π+p- und K.p-Streuexperimenten verschiedener
Energien
12.02.1976
Otter
Deutschmann
37
Hartmut Wieczorek
Die Partialwellenanalyse des diffraktiv erzeugten (π+ π0 K̄0)-Systems
in der Reaktion K- p → K̄0 π- π0 p bei 10.1, 14.3 und 16 GeV/c
23.11.1976
Otter
(Innsbruck)
38
Hans-Helmut Seyfert
Untersuchung der Reaktionen π± p → π± K+ K- p bei 16 GeV/c
29.01.1976
Otter
Deutschmann
39
Peter Sixel
Untersuchung der Transversalimpulse in π+p- und π-p-Reaktionen
bei 16 GeV/c Primärimpuls
27.05.1977
Deutschmann
Otter
40
Horst Laven
Bestimmung der Helizitätsamplituden der Quasi-Zweikörperreaktion
π+ p → (π+ π-) Δ++ bei 16 GeV/c
28.11.1977
Otter
Deutschmann
41
Erwin Königs
Die Suche nach Resonanzen im (K̄0 π+ π0)-System erzeugt in der
Ladungsaustauschreaktion K- p → K̄0 π+ π- n. bei 10 GeV/c
02.02.1978
Otter
Deutschmann
42
Heinrich Göddeke
Hadronenidentifizierung mit Hilfe der Übergangsstrahlung
04.12.1979
Deutschmann
Schmitz
62
43
Ulrich Pützhofen
Entwicklung und Test eines Übergangsstrahlungsdetektors
04.12.1979
Deutschmann
Schmitz
44
Horst Schlütter
Analyse der Reaktionen π- p → K0 K- π+ n und π- p → K̄0 K+ π- n
bei 16 GeV/c Strahlimpuls am Omega-Spektrometer
15.02.1980
Otter
Deutschmann
45
Robert Brun
Untersuchung der Reaktion π- p → K+ K- p bei 16 und 20 GeV/c im
Omega-Spektrometer
Oktober
1981
Otter
(Innsbruck)
46
Robert Göttgens
Inklusive Kn-, Λ- und Λ̄-Produktion und Analyse der Λ-Polarisation
in einem K-p-Experiment bei einem K-Einschussimpuls von 110
GeV/c
08.02.1985
Bosetti
Deutschmann
47
Peter Hawelka
Entwicklung und Test einer hochauflösenden Driftkammer in Zylindergeometrie
25.05.1987
Deutschmann
Tonutti
48
Wolfgang Schmitz
Untersuchungen von Teilchenkorrelationen in Meson-induzierten
Reaktionen bei 250 GeV/c Laborimpuls
27.11.1987
Bosetti
Otter
49
Ulrich Bellgardt
Suche nach dem Zerfall μ+ → e+ e+ e-
08.06.1988
Otter
Bosetti
50
Andreas Roth
Charmproduktion in 800 GeV/c Proton-Proton-Wechselwirkungen
15.11.1988
Bosetti
Otter
51
Marcia Begalli
Lifetime Determination of Charm Particles
11.05.1989
Otter
Struczinski
52
Horst Nierobisch
Untersuchung von Driftkammersignalen – Ein Vergleich zwischen
Experiment und theoretischem Modell
26.05.1989
Deutschmann
Flügge
53
Bernward Krause
Suche nach der μ--e—Konversion im SINDRUM II-Spektrometer
13.12.1991
Otter
Flügge
54
Klaus-Dieter Groth
Datenanalyse bei der Suche nach der leptonflavourverletzenden
Reaktion μ- + Ti → e- + Ti
19.06.1992
Otter
Flügge
55
Hans-Joachim Wenzel
Measurement of the Inclusive B-Lifetime Using J/ψ’s at the CDF
Experiment
04.11.1993
Flügge
Böhm
56
Ulrich Braun
Untersuchungen zum Nachweis supersymmetrischer Reaktionen bei
HERA
12.02.1993
Bosetti
Flügge
57
Winfried Pilgram
Elektronenidentifikation mittels Übergangsstrahlung im H1-Detektor
16.07.1993
Flügge
Struczinski
58
Stephan Schulte
Suche nach neutralen schweren Leptonen in Z0-Zerfällen im L3-Detektor
22.01.1993
Flügge
Tonutti
59
Siegfried Masson
Entwicklung, Bau und Betrieb universeller Anlagen zur Gasversorgung für das innere Spurkammersystem des H1-Detektors
24.10.1994
Flügge
Struczinski
60
Norbert Sahlmann
Untersuchungen zum Nachweis von Hadronen mit Charm im H1Detektor
24.10.1994
Flügge
Berger
61
Winfried Honecker
SINDRUM II: Eine neue obere Grenze für das Verzweigungsverhältnis der leptonflavourverletzenden Reaktion μ- + Pb → e- + Pb
25.10.1994
Otter
Flügge
62
Rainer Seeliger
Die Suche nach der spontanen Konversion von Myonium in Antimyonium – Ein neues Experiment am Paul-Scherrer-Institut
25.10.1994
Otter
Flügge
63
Christoph Ley
Untersuchungen zur Rekonstruktion des radiativen D*0-Zerfalls im
H1-Experiment
29.11.1994
Flügge
Berger
64
Michael Rietz
Untersuchungen zur Rekonstruktion von Ereignissen mit offenem
Charm anhand von Zerfällen der Ds± und D*± Mesonen bei H1
29.11.1994
Flügge
Struczinski
65
Dirk Krücker
Modelle für die elastische J/ψ-Produktion bei HERA
07.12.1995
Flügge
Wyler
63
66
Christopher Wiebusch
The Detection of Faint Light in Deep Underwater Telescopes
07.12.1995
Flügge
Berger
67
Peter Wintz
Neue Sensitivität für den Test der Leptonflavourverletzung bei der
μe-Konversion in Titan: μ- + Ti → e- + Ti
10.01.1995
Otter
Flügge
68
Dirk Kampmann
Ein Präzisionsexperiment zur Suche nach der spontanen MyoniumAntimyonium-Konversion
12.07.1995
Otter
Flügge
69
Richard Kaschowitz
Messung von Jet-Raten in der Photoproduktion bei HERA
12.07.1995
Flügge
Berger
70
Ralf Gräßler
Untersuchungen zur Bestimmung der elektromagnetischen Energieskala des H1-Flüssig-Argon-Kalorimeters
18.04.1995
Flügge
Struczinski
71
Andreas Ricker
Testing the Gluon Self Coupling in 4 Jet Events from Z Decays
29.06.1995
Flügge
Bethke
72
Claus Dohmen
Messung und Likelihoodanalyse zur Suche nach der leptonflavourverletzenden Reaktion μ- + Ti → e- + Ti
09.02.1996
Otter
Flügge
73
Stephan Müller
Bestimmung der starken Kopplungskonstanten αs(mZ0) aus der Form
hadronischer Ereignisse mit dem L3-Detektor bei LEP
19.12.1996
Flügge
Bethke
74
Peter Uelkes
Untersuchung harter Prozesse in der diffraktiven tiefunelastischen
Streuung mit dem H1 Detektor bei HERA
25.11.1996
Flügge
Braunschweig
75
Andreas Wagener
Leptonische Zerfälle von Hadronen mit Charm im H1-Experiment
25.11.1996
Flügge
Struczinski
76
Jörg Kaulard
Suche nach der verbotenen ladungsaustauschenden μe-Konversion μ+ Ti → e- + Ca
30.04.1997
Otter
Flügge
77
Jan Theißen
Untersuchung harter Streuprozesse in der diffraktiven Photoproduktion bei HERA
11.12.1997
Flügge
Braunschweig
78
Regina Becker
Biophysikalische Charakterisierung eines Protonenstrahls im Hinblick auf eine Optimierung der Bestrahlungsplanung von Tumoren
1997
Flügge
Schmitz, Jülich
79
Sebastian Bachmann
Investigation of Microstrip Gas Chambers and their application in
the CMS experiment
10.06.1998
Flügge
Struczinski
80
Patrick Palmen
Rekonstruktion von ΛC -Baryonen mit dem H1-Detektor
10.07.1998
Flügge
Braunschweig
81
Hardy Pawletta
Untersuchungen zur Rekonstruktion von D*±-Mesonen mit dem H1Detektor bei HERA
10.07.1998
Flügge
Braunschweig
82
Oliver Pooth
Micro Strip Gas Detector Modules: Development and Integration in
the Forward Tracking System of the CMS Experiment
03.09.1999
Flügge
Tonutti
83
Guido Cahsor
Erstmalige Suche nach der kohärenten μe-Konversion in Gold
06.04.1999
Otter
Flügge
84
Peer-Oliver Meyer
Messung der Strukturfunktion F2 bei kleinen Bjorken-x und kleinen
Impulsüberträgen mit dem VLQ-Spektrometer des H1-Detektors
01.09.2000
Flügge
Berger
85
Markus Wobisch
Measurement and QCD Analysis of Jet Cross Sections in DeepInelastic Positron-Proton Collisions at √s = 300 GeV
04.02.2000
Flügge
Berger
86
Dirk Macke
Micro Strip Gas Chambers with Gas Electron Multipliers and their
Application in the CMS Experiment
16.10.2000
Flügge
Struczinski
87
Matthias Schmand
Higher Resolution PET (Positron Emission Tomography) by means
of a new scintillator LSO (lutetium oxyorthosilicate: CE)
28.01.2000
Flügge
Wienhard
88
Markus Petertill
Systementwicklungen und Messungen zur Auslese und Kalibration
von CMS Pipeline Chips für die angewandte Forschung und Serientests an CMS Streifendetektoren
04.10.2001
Flügge
Braunschweig
64
89
Anette Zander
Experiences with a pre-series of Micro-Strip Gas Counters with Gas
Electron Multipliers for high rate applications
90
Joachim Kuth
Suche nach der kohärenten Myon-Elektron-Konversion bei der abschließenden Messung der SINDRUM2-Kollaboration
20.04.2001
91
Lars Sonnenschein
The t t̄ production in pp collisions at √s = 14 TeV
23.05.2001
Flügge
Bernreuther
92
André Schüngel
Neue obere Grenze für das Verzweigungsverhältnis der μeKonversion in Blei
21.06.2001
Otter
Flügge
93
Andreas Nowack
Investigations of a Pre-Series of Micro Strip Gas Chambers with Gas
Electron Multipliers for High Rate Environments
11.07.2002
Flügge
Mnich
94
Carlo Duprel
Measurement of the Proton Structure Function F2 at low x and low
Q2 with the H1 Detector at HERA
07.03.2003
Flügge
Berger
95
Markus Axer
Development of a Test System for the Quality Assurance of Silicon
Microstrip Detectors for the Inner Tracking System of the CMS
Experiment
18.12.2003
Flügge
Mnich
96
Hans-Bernd Bröker
A Slow-Control System for the AMS-02 Experiment on the International Space Station (ISS)
2004
Flügge
Mnich
97
Peter Höting
Untersuchung zur Rekonstruktion von D*±-Mesonen in Photoproduktion am H1-Detektor bei HERA
14.06.2004
Flügge
Berger
98
Christoph Knöß
Evaluation and Optimization of the High Resolution Research Tomograph (HRRT)
27.07.2007
Flügge
Wienhard,
MPI für
neutrologische
Forschung,
Köln
99
Torsten Franke
Development and Evaluation of a Test System for the Quality Assurance during the Mass Production of Silicon Microstrip Detector
Modules for the CMS Experiment
04.07.2005
100 Sven Lotze
Ion Backdrift Minimisation in a GEM-Based TPC Readout
05.04.2006
Mnich
Stahl
101 Martin Killenberg
Resolution Studies of a GEM-Based TPC
15.12.2006
Mnich
Stahl
102 Stefan Kasselmann
Top quark mass measurements in the lepton+jet channel using full
simulation of the CMS detector
22.11.2007
Mnich
Flügge
103 Astrid Münnich
Simulation Studies for a High Resolution Time Projection Chamber
at the International Linear Collider
26.03.2007
Mnich
Stahl
104 Michael Pöttgens
Development and evaluation of test stations for the quality assurance
of the silicon micro-strip detector modules for the CMS experiment.
22.11.2007
Flügge
Mnich
105 Gordon Kaußen
Silicon Strip Detector Qualification for the CMS Experiment
06.10.2008
Stahl
Feld
106 Henrike Wissing
Search for relativistic magnetic monopoles with the AMANDA-II
detector.
25.02.2008
Wiebusch
Spiering,
DESY
107 Alexander Linn
Construction of the CMS Tracker End-Caps and an Impact Study
on Defects
17.11.2008
Stahl
Schael
108 Dirk Heydhausen
Analysis of Petal Longterm test data for the CMS-Experiment
15.12.2008
Stahl
Feld
109 Thomas Hermanns
Studies at the CMS Experiment on Silicon Microstrip Module Defects and on Photon Identification in Semileptonic tt-Events
15.12.2008
Mnich
Stahl
65
17.12.2001
Flügge
Struczinski
Otter
Flügge
Flügge
Mnich
110 Manuel Giffels
Study of the Sensitivity of CMS to the Lepton Flavour Violating
Neutrinoless τ Decay τ → μμμ
27.02.2009
Stahl
Krämer
111 Bernd Reinhold
Development of a Level-1 Trigger and Timing System for the Double Chooz Neutrino Experiment
25.02.2009
Stahl
Hebbeker
112 Andi S. Cucoanes
Design studies for the Double Chooz trigger
24.07.2009
Wiebusch
Lachenmeier,
Tübingen
113 Jan-Patrick Hülß
Search for Neutrinos from the Direction of the Galactic Center with
the IceCube Neutrino Telescope
30.11.2010
Wiebusch
Kowalski,
Bonn
114 Jan Kovermann
Comparative Studies of High-Gradient RF and DC Breakdowns
17.12.2010
Stahl
Wuensch,
CERN
115 Martina Davids
Investigation of Spin Correlations in Top-Pair Production with the
CMS Detector at the LHC
25.02.2011
Stahl
Bernreuther
116 Philip Sauerland
Kinematic Reconstruction of Tau Leptons and Test for Lepton Universality in Charged Weak Interactions with the CMS Experiment
15.04.2011
Stahl
Hebbeker
117 Lars Perchalla
Kinematic Tau Reconstruction and Search for The Higgs Boson in
Hadronic Tau Pair Decays with the CMS Experiment
11.05.2011
Stahl
Schael
118 Oxana Grünwald
GEANT4 Simulation and evaluation of a time-of-flight spectrometer
for nuclear cross section measurements in particle therapy
08.06.2011
Stahl
Eble, UKA
119 Matthias Schunck
On the Measurement of High-Energetic Neutrinos with the IceCube
Neutrino Telescope and with Acoustic Detection Methods
07.10.2011
Wiebusch
Hebbeker
120 Yvonne Küssel
Constraints on the top quark’s charge with the CMS experiment
15.02.2013
Stahl
Hebbeker
121 Wael Haj Ahmad
Search for Top Quark pair resonances with the CMS Detector at the
LHC
29.05.2013
Stahl
Hebbeker
122 Anne Schukraft
Search for a diffuse flux of extragalactic neutrinos with the IceCube
Neutrino Observatory
07.06.2013
Wiebusch
Hill, Adelaide
66
67
68
Das III. Physikalische Institut im Sommer 2013

Festschrift zum 50. Geburtstag des III. Physikalischen Instituts

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