Festschrift zum 50. Geburtstag des III. Physikalischen Instituts

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1 III. Physikalisches Institut B Das III. Physikalische Institut 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 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.

2 III. Physikalisches Institut B Das III. Physikalische Institut 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 2

3 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 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-Müller- Zählrohr 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-Generaldirektor 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 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 3

4 HISTORISCHES 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. 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 Neben der anfänglichen räumlichen Trennung waren die beiden Institute IIIA und IIIB auch intern fachlich getrennt: 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 ( ), später in weiteren Experimenten, bei denen auch die in Aachen entwickelten Drahtfunkenkammern zum Einsatz kamen ( ). 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 ( ) 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- 4

5 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-Antineutrino- Elektron-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 ( 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. 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 ν μ -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. Ein Jahr später, vom 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 Charm- Quark (1974) und dem τ-lepton (1975). 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 im III. Physikalischen Institut zur Folge, die verbleibenden Mitarbeiter wurden von der Experimentalphysik übernommen oder dem Institut für Theoretische Teilchenphysik der Fachgruppe Physik zugeordnet. 5

6 HISTORISCHES Die in dieser Zeit durchgeführten physikalischen Experimente und Detektorentwicklungen standen ganz im Zeichen des sich entwickelnden Standardmodells und der Aufklärung der Struktur der Materie. Die immer komplexer werdenden physikalischen Fragestellungen führten dabei auch zu immer größer werdenden Experimenten und Kollaborationen. Im Jahr 1976 schloss man sich unter Leitung von Prof. Albrecht Böhm dem Mark-J-Experiment an, welches am Speicherring PETRA des DESY in Hamburg unter der Leitung von Prof. Samuel C. C. Ting vom MIT durchgeführt wurde und in Elektron-Positron-Kollisionen nach Quarks und Gluonen suchte. Ting bekam noch im selben Jahr den Nobelpreis für die Entdeckung des Charm-Quarks im Jahr wurde er zum Ehrendoktor der RWTH ernannt. Für Mark-J baute Aachen das Hadron-Kalorimeter, welches sich als entscheidend für die Gluon-Entdeckung erwies. Zudem wandte man sich mit der Untersuchung der Z/γ-Interferenz auch bei diesem Experiment wieder dem Studium der neutralen Ströme zu. Zwischen 1981 und 1986 beteiligte man sich durch Klaus Schultze und seine Arbeitsgruppe an Experimenten der European Muon Collaboration (NA9 und NA28). Hier ging es um nukleare Strukturfunktionen. Parallel dazu suchte die Faissner-Gruppe von 1980 bis 1986 am Kernforschungszentrum Jülich (KFA) und beim Schweizer Institut für Nuklearphysik (SIN), einem Vorgänger des heutigen Paul-Scherrer- Instituts (PSI) nach Axionen, hypothetischen Teilchen. Bei diesem Experiment fertigte auch Ranga Yogeshwar, der heute durch seine Öffentlichkeitsarbeit und als Fernsehjournalist bekannt ist, seine Diplomarbeit an. Einen gänzlich neuen Detektortyp entwickelten schon seit etwa 1973 Martin Deutschmann und seine Arbeitsgruppe. Der Übergangsstrahlungsdetektor ( Transition-Radiation Detector (TRD)) zur Trennung von Pionen und Kaonen bei hohen Impulsen fand als Erstes beim European Hybrid Spectrometer (EHS) am CERN Verwendung. Aktuell werden solche Detektoren z. B. auch bei den Experimenten AT- LAS und ALICE am LHC und bei AMS eingesetzt. Wichtigstes Experiment der 80er Jahre war das UA1-Experiment am SPS-Beschleuniger des CERN, bei dem man erneut mit Carlo Rubbia zusammenarbeitete. Zum Detektor steuerte Aachen, unter der Leitung von Helmut Faissner, 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 die Berufung von Siegfried Bethke gab es dazu auch eine Beteiligung am OPAL-Experiment, welches ebenfalls am LEP aufgebaut war. Auch die Theorie ist hier stark involviert, man widmet sich der Erforschung von Symmetrieprinzipien und neuen Phänomenen bei hohen Energien, wie sie eben bei LEP erreicht werden. Später kommen auch wichtige Beiträge für die Suche nach neuer Physik in seltenen B-Zerfällen dazu. Den Aufbau des Protons untersuchte man ab Anfang der 90er Jahre mit dem Beschleuniger HERA am DESY in Hamburg. Hier war das Institut IIIB unter Leitung von Günter Flügge seit Mitte der 80er Jahre am Aufbau und später an den Analysen des H1-Experiments beteiligt. Am SINDRUM-Experiment am PSI beteiligte sich IIIB seit 1986 mit Gerd Otter und dessen Arbeitsgruppe. Bis Anfang der 90er Jahre suchte man hier nach leptonzahlverletzenden Zerfällen des Myons. Auch am AMS-Experiment, welches durch Initiative von Samuel C.C. Ting zustande gekommen war, beteiligten sich die Institute IB und IIIB. Nachdem der Prototyp AMS-01 die Funktion eines weltraumbasierten Teilchendetektors erfolgreich demonstriert hatte, wurde im Institut IIIB durch Prof. Flügge und Dr. Commichau Elektronik für das Nachfolgeexperiment AMS-02 entwickelt. Durch die Gruppe von Prof. Schultze wurden auch Forschungsaktivitäten außerhalb der Teilchenphysik verfolgt. Man arbeitete hier an der Entwicklung und Einführung einer Brennstoffkennzahl, welche die Energieeffizienz von Gebäuden beschreibt. Die Leistungen der Aachener Physiker fanden auch im Verlauf der 80er Jahre weitere Anerkennung: Die Ungarische Physikalische Gesellschaft verlieh Helmut Faissner am 14. Juni 1982 für seine Beiträge zur Neutrinoforschung und für die Organisation der Neutrino-Konferenz von 1976 eine Medaille. Am 28. Oktober 1984 wurde er außerdem zum Fellow der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft ernannt. Den Physikpreis der DPG erhielten am 13.März 1985 Prof. Karsten Eggert, Dr. Traudl Hansl-Kozanecka und Dr. Ernst Radermacher sowie Dr. Hans Hoffmann vom CERN in Anerkennung ihrer Beiträge zur Entdeckung der W- und Z-Bosonen. Am 20. Mai 1986 schließlich erhält Helmut Faissner für seine wissenschaftlichen Verdienste das Bundesverdienstkreuz 1. Klasse. Siegfried Bethke wird am 17. Januar 1995 mit dem Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis der DFG ausgezeichnet. Im Laufe der Zeit haben wir einige wichtige Konferenzen und Workshops in Aachen durchgeführt: Vom 30. Juni bis 6

7 HISTORISCHES zum 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. Die Neuzeit : LHC und Astroteilchenphysik (etwa 1990 bis heute) 7 Um die Jahrtausendwende und in den darauf folgenden Jahren wurden praktisch alle Professuren des Institutes neu besetzt: Siegfried Bethke wurde ab Oktober 1999 Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in München, sein Nachfolger ist seit April 2001 Thomas Hebbeker. Joachim Mnich wurde im August 2000 Professor bei IIIB, Gerd Otter ging im September 2001 in den Ruhestand. Albrecht Böhm wurde im Juli 2004 pensioniert, dafür kam schon einen Monat später Martin Erdmann nach Aachen. Auf Günter Flügge, der im Jahr 2005 in den Ruhestand ging, folgte schon im Dezember 2004 Achim Stahl. Joachim Mnich verließ das Institut Ende 2004, wurde leitender Wissenschaftler am DESY und dort später auch Direktor für den Bereich Teilchen- und Astroteilchenphysik. Sein Nachfolger ist seit Juli 2006 Christopher Wiebusch. Ab Januar 2012 wurden mit der Berufung von Jörg Pretz die Verbindungen zum Forschungszentrum Jülich verstärkt. Ein Grundstein für die heutigen Aktivitäten und auch die nähere Zukunft der Aachener Teilchenphysik wurde schon im Jahr 1990 gelegt: Vom 4. bis 9. Oktober fand damals in Aachen der vierte ECFA LHC-Workshop statt, organisiert durch Prof. Flügge (von 1992 bis 1995 war er Chairman des ECFA), Dr. Honecker und Dr. Rein. Hier wurden grundlegende Aspekte der LHC-Physik und des Detektordesigns besprochen und das LHC-Programm auf den Weg gebracht. Im Jahr 1992 formierten sich dann die ersten Kollaborationen und schon ein Jahr später wurden die beiden Großexperimente ATLAS und CMS vom LHC Council genehmigt. Im gleichen Jahr stoppten die USA aus Kostengründen das Beschleuniger-Zukunftsprojekt Superconducting Super Collider (SSC). Der LHC und seine Experimente wurden dadurch 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 OPAL- Gruppe mit dem Weggang von Siegfried Bethke, die L3- Gruppe 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 TPC- Arbeiten für T2K über. Am Fermilab in den USA wurde nach einer längeren Upgrade-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 und führte verschiedenste, auch modellunabhängige Datenanalysen zur Suche nach neuer Physik insbesondere auch der Supersymmetrie durch. Dies nutzte auch der Vorbereitung auf die LHC-Physik, viele dieser Analysen werden heute in ähnlicher Form mit Daten des CMS-Experiments gemacht. Seit 2005 ist man durch Beteiligung der Professoren Erdmann und Hebbeker am Pierre-Auger-Experiment in Argentinien im Forschungsgebiet der Astroteilchenphysik aktiv und untersucht Herkunft und Eigenschaften von kosmischen Teilchenschauern. Seit 2006 ist man durch Prof. Wiebusch an einem weiteren Astroteilchen-Experiment beteiligt: Weit entfernt von Aachen sucht man mit einem Detektor tief im Eis am Südpol, dem IceCube -Experiment nach kosmischen Neutrinos. Mit den Experimenten T2K am KEK in Japan und Double Chooz in Frankreich wandte man sich ab 2007 erneut der Neutrino-Physik zu. Die Gruppen von Prof. Stahl und Prof. Wiebusch arbeiten hier an der Untersuchung von Neutrino- Oszillationen und der Messung des Mischungswinkels θ13. Weitere Aktivitäten des Instituts liegen im Bereich der Medizinphysik, hier geht es um die Bestimmung von Wirkungsquerschnitten für die Protonentherapie sowie die Validierung von Simulationen für die Therapieplanung. Die jüngsten Forschungsaktivitäten des Instituts sind der Aufbau eines Experiments zur Suche nach elektrischen Dipolmomenten von geladenen Teilchen am Forschungszentrum in Jülich durch die Gruppe von Prof. Jörg Pretz sowie die Beteiligung der Gruppe von Prof. Wiebusch an der Entwicklung einer Sonde zur Untersuchung von Wasser auf dem Saturnmond Enceladus. Der seit einigen Jahren anhaltende Trend zu wachsender instituts- oder experimentübergreifender Vernetzung in der Forschung führt außerdem dazu, dass das Institut in eine

8 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 März 2003 in Aachen, organisiert durch Prof. Flügge, sowie die Veranstaltung der Hochenergiephysik-Konferenz der Europäischen Physikalischen Gesellschaft vom 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. 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. 8

9 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, Spp S genannt, mit einer Schwerpunktsenergie von zunächst 600 GeV. Dieser wurde dann auch verwirklicht, und das III. Physikalische Institut A beteiligte sich am zugehörigen UA1- Experiment 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 PETRA- Ringbeschleuniger 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 bis zu 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 Spp S-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. 9

10 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN Der Vorschlag war kühn, denn Antiprotonen mussten in großer Zahl erzeugt und dann dicht gebündelt werden. Am CERN wurde der Vorschlag akzeptiert und der Spp S 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. Aachen beteiligte sich auch an den Datenanalysen, und trug so mit zum großen und schnellen Erfolg bei 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 Bottom- Quark 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. - Messung der Interferenzeffekte von ausgetauschten Photonen und Z-Bosonen. So konnten die Eigenschaften des Z- Bosons 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- 10

11 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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 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 von LEP durch den Einsatz von supraleitenden Hohlraumresonatoren schrittweise von 130 bis 208 GeV erhöht. Schon 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. 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. 11

12 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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. Als Beispiel zeigt die Abbildung die Messungen der Reaktion e + + e Hadronen, die wir mit L3 in den zwölf Jahren aufgenommen haben. 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 bei LEP, dass dessen Masse größer als 114,4 GeV sein sollte. Aus den Strahlungskorrekturen konnte man eine Kurve der Wahrscheinlichkeit erhalten, die eine Masse des Higgs-Bosons kleiner als 220 GeV verlangt. Das Higgs-Boson des Standardmodells sollte demnach eine niedrige Masse bevorzugen. 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 ± 33 MeV gemessen. Aus allen Messungen von LEP und SLD/SLAC erhielt man über die Strahlungskorrekturen die Masse des Top-Quarks zu GeV. 12

13 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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 LEP- Speicherring. 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 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-Wilhelm- Leibniz-Preis an Siegfried Bethke honoriert, welcher dann 1999 einen Ruf als Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in München annahm. 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. 13

14 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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. Das Bild zeigt eine schematische Darstellung des Detektors zusammen mit einem typischen Kollisionsereignis. Man erkennt, dass für die Untersuchung solcher Ereignisse neben dem inneren Spurdetektor die umgebenden Kalorimeter eine wichtige Rolle spielen. Unser Institut war vor allem am Bau dieser Instrumente beteiligt waren der Detektor und der Speicherring betriebsbereit, bis 2007 wurden wertvolle Daten genommen. So konnte die Struktur des Protons mit großer Genauigkeit ausgemessen werden, was für die folgenden Experimente am LHC von entscheidender Bedeutung war. Die Daten werden weiterhin ausgewertet. Das Bild zeigt die Massendifferenz von D * -Kandidaten in tiefinelastischer Streuung. Candidates / 0.5 MeV H1 D* (DIS) ΔM (GeV) 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 geplanten Experimente, CMS, das für Compact Muon Solenoid steht - der Name beschreibt also die Magnetgeometrie und betont die Wichtigkeit der Messung von Myonen, langlebigen Elementarteilchen, die den gesamten Detektor durchfliegen. Die nachfolgenden Institutsleiter Prof. Siegfried Bethke und Prof. Thomas Hebbeker führten dieses Projekt als Hauptbeitrag des Instituts IIIA erfolgreich fort. Das Institut IIIB und das I. Physikalische Institut in Aachen wurden 1994 Mitglied der CMS-Kollaboration. Institutsleiter des III. Physik. Instituts B war seinerzeit Prof. Günter Flügge. Nach dessen Emeritierung übernahm Prof. Achim Stahl ab 2005 die Leitung des Instituts IIIB und das zugehörige CMS-Projekt. Von 2000 bis 2004 beteiligte sich auch Prof. Joachim Mnich am CMS-Experiment. Wegen der langjährigen Erfahrungen im Myondetektorbau (für die Experimente UA1 am SPS und L3 am LEP) und den dafür bestens gerüsteten Institutswerkstätten entschied man sich im Institut IIIA, Myonkammern (so nennt man gasgefüllte Myondetektoren) für den CMS-Detektor zu entwickeln und herzustellen. Nach der Emeritierung von Prof. Helmut Faissner im Jahr 1993 übernahm Prof. Siegfried Bethke die 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. 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. Schließlich entschied sich die CMS-Kollaboration für,drift Tube -Myonkammern (DT), wie 1997 im Detail im,myon Technical Design Report festgeschrieben wurde. Aachen baute verschiedene Drift-Tube-Prototyp-Detektoren, unter 14

15 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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. 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 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. 15

16 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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. 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 MSGC- Technik 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. 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 für die Kollaboration und auch unsere Werkstätten. Viele kritische Teile der Brüsseler Gantry-Station wurden unter der Leitung von Dr. Reiner Schulte in unserer Werkstatt entworfen und gebaut. R1 R7 R1-S R2 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 ring 1 ring 3 R6 10 cm bridge R2-S R5-S R3 R5 R4 ring 5 ring 7 side B, front petal CCU CCU cooling manifold ring 2 ring 4 ring 6 bridge 16

17 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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 Vorwärts- Detektors (TEC-) beteiligt. Der fertige Detektor ist im Bild unten dargestellt. Der Detektor wurde Ende 2006/Anfang 2007 in den Gesamt-Tracker eingefügt. Events / 3 GeV CMS preliminary Data m H = 126 GeV Zγ*, ZZ Z+X s = 7 TeV: L = 5.1 fb s = 8 TeV: L = 19.6 fb m 4l [GeV] 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. 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 17

18 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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 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. Probability density / CMS Preliminary +2/3e (stat.) -4/3e (stat.) -1 s=7 TeV L=4.6 fb +2/3e (stat. + sys.) -4/3e (stat + sys.) Measured value A (pb) 10 2 CMS, 1.17/1.56 fb -1 ATLAS, 1.04 fb -1 D0, 5.4 fb -1 CDF, 7.5 fb NLO QCD (5 flavour scheme) theoretical uncertainty (scale PDF) Campbell, Frederix, Maltoni, Tramontano, JHEP 10 (2009) 042 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. 1 approximate NNLO QCD theoretical uncertainty (scale PDF) Kidonakis, Phys. Rev. D 83 (2011) s (TeV) 18

19 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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 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 < bei 90% Confidence Level. Welche Bedeutung diese extreme Genauigkeit hat, wird sichtbar, wenn man für die μ-e-konversion den Austausch eines virtuellen Z 0 -Bosons annimmt, das leptonflavourverletzend an den leptonischen Strom koppelt. Man kann dann auf einen möglichen leptonflavourverletzenden Zerfall des realen Z 0 -Bosons umrechnen und erhält damit das Verzweigungsverhältnis für die μ-e-konversion von BR(Z 0 μ-e) < (bei 95% Confidence Level). Dieser Wert ist um ca. neun Größenordnungen genauer ist als die Ergebnisse der direkten Messung des Z 0 -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 < bei 90% Confidence Level. 19

20 TEILCHENPHYSIK AN BESCHLEUNIGERN 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 (CP- Verletzung) 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. 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 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! 20