Max-Planck-Institut für Physik

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1 Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut) An den Grenzen des Wissens Forschung zu den Extremen des Universums

2 Warum hat Materie eine Masse? Gibt es unbekannte Gibt es eine Zwischen den größten und den kleinsten Dingen im Universum bewegen sich die Forschungen des Max-Planck-Instituts für Physik (Werner-Heisenberg- Institut): von den Spuren des Urknalls bis zur Grundfrage nach dem Aufbau der Materie, aus der auch wir bestehen.

3 Das 20. Jahrhundert war das Jahrhundert der Physik. Entdeckungen wurden gemacht, die unser Weltbild revolutionierten von der Relativitätstheorie Albert Einsteins über die Quantenphysik von Max Planck und Werner Heisenberg bis zum Standardmodell der Teilchenphysik, an dem Physiker in aller Welt bis heute arbeiten. Diese Erfolge sind verknüpft mit dem Max-Planck- Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut). Seit der Gründung 1917 gab das Institut immer wieder entscheidende Impulse bei der Suche nach den Bausteinen und Kräften, die unsere Welt im Innersten zusammenhalten. Das Max-Planck-Institut für Physik (MPP) hat aber nicht nur eine lange Tradition es hat auch eine aufregende Zukunft. Denn die Physik ist noch lange nicht am Ende im Gegenteil. Je mehr Welträtsel gelöst werden, umso mehr neue, spannende Fragen tauchen auf und warten auf eine Antwort: Gibt es verborgene Raumdimensionen? Warum sind die entgegengesetzten Ladungen von Elektron und Proton exakt gleich groß? Formen von Materie? Universalkraft als gemeinsameurkraft? Warum haben sich Materie und Anti materie in den Anfängen des Universums nicht ausgelöscht? Die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Physik tragen mit ihren Ideen dazu bei, diese Geheimnisse des Mikro- und Makrokosmos zu lüften. Sie arbeiten in extremen Spannungsfeldern an den grundlegenden Fragen des Universums, der Materie, der ganzen Welt, die uns umgibt.

4 Gesucht Der riesige Elementarteilchenbeschleuniger LHC bei Genf (oben) soll mit Hilfe des gewaltigen ATLAS-Detektors (Mitte) eines der großen Rätsel der Physik klären: Warum hat Materie eine Masse? Gesucht wird das Higgs-Partikel, das sich durch seltsame Spuren im Detektor verrät (unten). Wir dürfen nicht glauben, dass es irgendein physikalisches Gesetz gibt oder gab, das genauso auch in der Zukunft existieren wird Was Max Planck 1931 sagte, gilt auch heute noch. Jedes physikalische Gesetz und erscheint es noch so perfekt muss ständig hinterfragt werden. Denn das Theoriegebäude der Physik ist in ständigem Fluss und wahrscheinlich nie endgültig fertig. Bestes Beispiel ist das Standardmodell der Teilchenphysik, das sehr gute Vorhersagen macht. Allerdings müssen viele Parameter experimentell bestimmt werden und können nicht direkt ausgerechnet werden. Im Mittelpunkt des Interesses ist das mysteriöse Higgs- Teilchen, das seit den sechziger Jahren als heißer Kandidat für einen bedeutenden Platz im Standardmodell der Teilchenphysik gehandelt wird, aber noch nie beobachtet wurde. Es ist mindestens 114-mal schwerer als ein Proton und damit so gewichtig, dass die Energien früherer Beschleuniger einfach nicht ausreichten, um es zu beobachten. Das scheue Schwergewicht ist nach dem britischen Physiker Peter Higgs benannt und soll endlich erklären, warum alle Elementarteilchen und damit jede Materie im Universum Masse haben. Higgs postulierte dazu ein Feld, welches das gesamte Universum ausfüllt. Jedes Teilchen tritt mit diesem Feld in Wechselwirkung es saugt gleichsam Masse aus dem Feld wie ein Schwamm. Und weil es in der Quantenphysik kein Feld ohne korrespondierendes Teilchen gibt, wäre die Higgs-Theorie bestätigt, wenn die Detektoren des Large Hadron Colliders (LHC) dieses einfangen könnten. Kommt alles so, wie es die Physiker erhoffen, wäre das nicht das Ende der Elementarteilchenforschung, denn auch das Higgs-Modell beantwortet nicht alle Fragen. So suchen die Physiker mit dem LHC nach einer Bestätigung ihrer Supersymmetrie-Theorie SUSY, die besagt, dass es zu jedem Teilchen im Standardmodell einen schwereren supersymmetrischen Partner gibt. Dann wäre auch die Weltformel zum Greifen nah: Sie würde drei der vier bekannten Kräfte in der Natur zu einer einheitlichen Kraft zusammenfassen. Steckbrief Higgs-Teilchen Existenz: hypothetisch, aber sehr wahrscheinlich Masse: vermutlich zwischen 114 und 190 Gigaelektronenvolt Benannt nach: Peter Higgs (britischer Physiker), 1964 Higgs- Elementarteilchen erhalten ihre Masse durch Mechanismus: Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld

5 Gefunden Erde, Wasser, Luft und Feuer als Quintessenz des Äthers so stellte sich Aristoteles die Grundbausteine der Welt vor. Heute wissen wir, dass die alten Griechen irrten und unsere Welt weit komplizierter gebaut ist. In den letzten hundert Jahren, seit der Entdeckung der Bausteine des Atoms, haben die Physiker mit dem Standardmodell der Teilchenphysik ein Theoriegebäude geschaffen, in das sich alle Elementarteilchen und drei der vier Naturkräfte einordnen lassen. So wissen wir heute, dass sämtliche Materie aus sechs Quarks und sechs Leptonen aufgebaut ist. Im Standardmodell enthalten ist die wohl erfolgreichste physikalische Theorie des 20. Jahrhunderts: die Quantenmechanik, die untrennbar mit den Namen Max Planck und Werner Heisenberg verbunden ist und mit dem Max-Planck-Institut für Physik, das seit seiner Gründung 1917 als Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik unser physikalisches Weltbild mitgeprägt hat. Eine kurze Geschichte des Universums: Energie spielt die entscheidende Rolle für alle Geschehen im Weltall, vom Urknall bis heute. An der Entstehung des modernen Weltbilds der Physik war das Max-Planck- Institut für Physik beteiligt.

6 Heiß Am Unter Tage auf den Spuren des Urknalls, hier der Tunnel des Beschleunigers LHC am CERN. Das verbindet die Physik an beiden Enden der Größenskala. Die Dimensionen sind gewaltig der Tunnelring ist 27 Kilometer lang, der Detektor ATLAS würde eine Kathedrale füllen. Anfang war der Urknall. Da passte unser Universum auf eine Nadelspitze und war unvorstellbare Grad Celsius (eine Zahl mit 32 Nullen) heiß. Schon eine billiardstel Sekunde danach hatte es sich auf die Größe unserer Sonne aufgebläht und auf immer noch heiße Grad abgekühlt. Erst viel später entstanden Sterne und Galaxien, die die Astronomen mit Teleskopen studieren. Der Moment direkt nach dem Urknall lässt sich indes nicht direkt beobachten und muss mit riesigen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf milliardenfach nachgestellt werden. In dem 27 Kilometer langen Beschleunigerring unter der französisch-schweizerischen Grenze kreisen Pakete aus Protonen den Bausteinen der Atomkerne mit 99, Prozent der Lichtgeschwindigkeit, also fast Kilometern pro Sekunde. Derart mit Energie und Masse aufgeladen, begegnen sich im Detektor zwei der Partikelpakete 40 Millionen-mal pro Sekunde und dabei vernichten sich beim Zusammenprall einzelne Protonen aus den Partikelpaketen in einem wahren Inferno. Aus diesem geballten Energieblitz materialisieren sich die elementaren Bausteine der Materie, aus denen unser Universum besteht: Quarks, geladene Leptonen und Neutrinos. Neben einem Atom nehmen sich diese kleinsten Bausteine der Materie aus wie ein Tennisball neben dem Mount Everest. Auf ihrer Flugbahn durch riesige Detektoren verraten die Materiebausteine ihre Masse, ihre Ladung und viele weitere Eigenschaften, aus denen die Physiker schließen können, wie unser Universum entstanden ist und welche Kräfte darin wirken. So winzig die Teilchen sind, denen die Physiker auf der Spur sind, so groß ist ihr Mikroskop : Der größte Detektor am LHC namens ATLAS, der von Physikern des MPP mitentwickelt und mitgebaut wurde, würde den Kölner Dom vollständig ausfüllen. Doch nur etwa jede millionste Kollision ist für die Physiker interessant, etwa wenn ein Higgs-Teilchen entsteht, nach dem die Wissenschaft fieberhaft sucht. Zehn Jahre bauen die Physiker und Techniker des MPP schon an ATLAS es ist das größte Projekt am Institut sollen die Siliziumdetektoren, die nur wenige Zentimeter vom Kollisionspunkt entfernt sind, sowie weitere Komponenten der weiter außen liegenden Detektoren gegen leistungsfähigere ausgetauscht werden. Steckbrief ATLAS-Detektor (A Toroidal LHC AparatuS) Länge: Durchmesser: Gewicht: Auslesekanäle: Temperatur im Kollisionspunkt: Ziel: Beitrag MPP: Partner: 44 Meter 22 Meter 7000 Tonnen (100 Jumbo-Jets) 100 Millionen Grad Celsius Nachweis von Higgs-Teilchen, supersymmetrischen Teilchen, Extra-Dimensionen Komponenten für den ATLAS-Detektor (400 Silizium-Streifenzähler, Hadron- Endkappenkalorimeter, 100 Myon-Kammern), Auswertung der Ergebnisse 2100 Wissenschaftler von 167 Universitäten und Instituten aus 37 Ländern

7 Kalt Steckbrief CRESST-2 (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) Ziel: Ort: Kristalle: Temperatur: Beitrag MPP: Partner: Nachweis schwach wechselwirkender Teilchen (WIMPs) Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italien 30 Zylinder aus Kalziumwolframat à 300 Gramm 0,012 Kelvin (minus 273,14 Grad Celsius) Herstellung der Detektoren, Aufbau und Betrieb des Experiments, Auswertung der Daten TU München, Universität Tübingen, University of Oxford Im Universum ist es bitterkalt: minus 270 Grad Celsius gerade einmal 3 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt. Noch viel kälter, nämlich ein hundertstel Kelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt, ist es in einem Labor 1400 Meter tief im Bergmassiv des Gran Sasso in den Abruzzen. Dort lauern hochreine Kristalle aus Kalziumwolframat von der Größe einer Espressotasse auf so genannte WIMPs. Ob es die Weakly Interacting Massive Particles wirklich gibt, ist nicht sicher, denn bisher hat sie niemand zweifelsfrei beobachtet, auch das Standardmodell der Teilchenphysik sieht diese Teilchen nicht vor. Die Astrophysiker gehen allerdings davon aus, dass es Teilchen im Universum geben muss, die relativ schwer sind, die man aber dennoch nicht direkt beobachten kann. Sie vermuten, dass diese Geisterteilchen Galaxien eine viel größere Masse verleihen, als es durch direkte Beobachtung erscheint. Mindestens 90 Prozent der Materie des Universums muss aus dieser unsichtbaren Dunklen Materie bestehen und WIMPs sind gute Kandidaten. Das CRESST-Experiment im Gran-Sasso-Tunnel soll nach ihnen fahnden. Fliegt ein WIMP durch den Kristall, regt es die Atomkerne darin zu Schwingungen an und der Kristall heizt sich um ein millionstel Grad auf. Dieser winzige Temperaturanstieg lässt sich nur mit einem supraleitenden Metallstreifen messen, deshalb muss die Apparatur so nah an den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Der Trick: Die Temperatur wird gerade so eingestellt, dass die winzige Erwärmung zum Zusammenbrechen der Supraleitung in dem Metallstreifen und damit zu einem deutlich messbaren Anstieg des elektrischen Widerstands führt. Doch die Physiker müssen Geduld haben: In jedem Kubikmeter vagabundieren zwar vermutlich rund 1000 WIMPs mit Geschwindigkeiten von 200 bis 300 Kilometern pro Sekunde. Damit fliegen in jeder Sekunde Millionen solcher Teilchen durch den Detektor, dennoch zeigen sich die scheuen Teilchen bisher nicht. Der Detektor wird deshalb vom MPP auf 10 Kilogramm erweitert, um die Ausbeute zu erhöhen. Alle 10 Tage könnte sich dann ein WIMP zeigen. Wo bleibt der Rest der Materie? Alle Sterne, Galaxien und Gaswolken zusammen machen nur 10 Prozent der Masse des Universums aus. Auf der Suche nach Spuren der rätselhaften Dunkle Materie kühlen Physiker des Max-Planck-Instituts Kalziumwolframat-Kristalle (unten) bis zum absoluten Nullpunkt ab.

8 Flut Steckbrief LHC-Grid Tier-0-Zentrum: CERN (Genf) Tier-1-Zentren: 10 (Europa und USA) Tier-2-Zentren: ca. 30 in aller Welt sowie zahlreiche Tier-3 und Tier-4-Zentren Datenübertragung zwischen Tier-0 und Tier-1: 5 GigaBit pro Sekunde Datenspeicher: ca GigaByte pro Jahr (ca. 55 Millionen CD-ROM) Weltweite Rechenleistung: entspricht etwa PC Beitrag MPP: Beschaffung und Wartung von mehr als 200 Linux-Servern im Tier-2-Rechenzentrum am Rechenzentrum Garching, die etwa 1000 Rechnungen gleichzeitig bearbeiten können und mehr als 250 TeraByte Speicherplatz besitzen Die Experimente der Physiker erzeugen riesige Datenmengen, so viele, dass sie von Menschen allein längst nicht mehr bewältigt werden. Zahllose Computer (oben: bei CERN in Genf) arbeiten weltweit in einem GRID (unten) vernetzt zusammen, um aus den Daten Forschungsergebnisse zu destillieren. Ein Papierstapel von der Erde bis zum Mond so viele Seiten müssten bedruckt werden, um die Daten aufzuzeichnen, die die Detektoren des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in einem Jahr erzeugen. Selbst auf CDs gebrannt wäre der Stapel noch 48 Kilometer hoch. Die enorme Datenmenge fällt an, weil allein im Atlas-Detektor, der unter Beteiligung des MPP gebaut wurde, pro Sekunde 40 Millionen Protonenpaare kollidieren. Dabei entsteht ein ständiger Datenstrom von 100 Billionen Byte pro Sekunde, was 50 Milliarden Telefongesprächen gleichzeitig entspricht. Weil ein Rechenzentrum selbst mit den schnellsten Supercomputern mit der Verarbeitung und Speicherung der Datenflut überfordert wäre, werden die Informationen nach einer automatischen Vorsortierung an zehn große so genannte Tier-1-Rechenzentren in aller Welt verteilt in Deutschland ist es in Karlsruhe und von dort zur Auswertung an rund 30 Tier-2-Rechenzentren. Diese Idee des Grid-Computing wird neuerdings von anderen Forschungsdisziplinen mit hohem Bedarf an Rechenleistung aufgegriffen, etwa in der Klimavorhersage, der Erdbeobachtung oder in der Medikamentenforschung. Auch kommerzielle Anwendungen gibt es. So bieten Unternehmen bereits Rechenleistung aus der Steckdose an. Statt Computer zu kaufen, mieten die Kunden Computerleistung und Speicherplatz in einem Rechenzentrum, auf das sie aus der Ferne zugreifen. Grid-Computing ist nicht die erste Entwicklung der Teilchenphysiker, die bedeutende Auswirkungen auf Wirtschaft und Gesellschaft hat. Das World Wide Web das moderne Internet wurde von Physikern am CERN in Genf zur einfacheren Organisation von Daten des LHC-Vorgängerbeschleunigers LEP erfunden.

9 Die Sonne spendet Wärme und Leben auf unserem Planeten und bombardiert uns unablässig mit Neutrinos, mysteriösen Geisterteilchen, die für die Astronomen immer noch viele Rätsel bergen. Ob die Neutrinos eine Masse haben, war eine der wichtigen Fragen, über die sich die Wissenschaftler die Köpfe zerbrochen haben. Falls nicht, wären die Berechnungen der Astrophysiker über die Vorgänge im Fusionsofen Sonne falsch. Doch zum Glück gibt es in den letzten Jahren Hinweise, dass Neutrinos eine, wenn auch winzige, Masse haben. Die Theorie besagt für diesen Fall, dass sich die Neutrinofamilien ineinander umwandeln können und dass ein Neutrino immer gleichzeitig sein eigenes Antiteilchen sein könnte eine mögliche Erklärung, warum es heute im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt und warum wir auf der Erde weniger Neutrinos messen, als die Sonne aussenden sollte. Wenn das Neutrino identisch mit seinem Antiteilchen ist, müsste es den so genannten neutrinolosen Doppelbetazerfall geben, bei dem in einem Atomkern zwei Neutronen in zwei Protonen zerfallen und zwei Elektronen aussenden. Schon der normale Doppelbetazerfall, der im Einklang mit dem Standardmodell der Teilchenphysik ist und bei dem zusätzlich zwei Neutrinos entstehen, ist extrem selten: Hundert Milliarden Milliarden Jahre zehn Milliarden mal das Alter des Universums dauert es, bis die Hälfte eines Stoffs auf diese Weise zerfällt. Der neutrinolose Doppelbetazerfall, der im Standardmodell nicht vorgesehen ist, aber ein wichtiger Baustein zum Verständnis des Universums wäre, ist noch mindestens mal seltener. Um ihn zu beobachten, bauen die Physiker des MPP zusammen mit Kollegen aus 14 Instituten in 5 Ländern im Untergrundlabor im italienischen Gran-Sasso- Massiv das Experiment GERDA auf, ein Experiment, das ab 2009 nicht nur die Existenz des unvorstellbar seltenen Zerfalls belegen, sondern auch die Masse der Neutrinos direkt bestimmen kann. In einem Tank mit vier Metern Durchmesser werden hochreine Zylinder aus Germaniumkristallen in minus 170 Grad Celsius kaltes flüssiges Argon getaucht. Dieser Tank steht wiederum in einem zehn Meter großen Wassertank. Beides dient der Abschirmung vor störender Strahlung aus dem Gestein. Innerhalb von drei Jahren wollen die Physiker genügend Zerfälle beobachtet haben, um die Existenz des neutrinolosen Doppelbetazerfalls zweifelsfrei belegen und eine Aussage über die Masse der Neutrinofamilien machen zu können. Ebbe Das Zusammenspiel von Theorie und Praxis praktizieren Physiker des Max-Planck- Instituts tief unter dem Gran Sasso-Massiv in Italien (unten). Sie suchen nach Beweisen für den theoretisch möglichen, aber extrem seltenen Doppelbetazerfall, einem wichtigen Baustein des Standardmodells der Elemente. Steckbrief GERDA (Germanium Detector Array) Standort: Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italien Ziel: Nachweis des neutrinolosen Doppelbetazerfalls Beitrag des MPP: Entwicklung der Detektoren, Bau der Technik zum Einbringen der Detektoren, Datenauswertung Partner: 14 Institute, 6 Länder: Belgien, Deutschland, Italien, Polen, Russland und Schweiz.

10 Theorie Schon Albert Einstein suchte in diesem Institut nach der Weltformel. Heute heißt der aussichtsreichste Kandidat Stringtheorie. Es geht darum, in vielen Diskussionen (oben), mit unzähligen Formeln die Ergebnisse der Experimente zu verstehen. Auch das Standardmodell der Materie (unten) ist noch voller Rätsel. Schon Albert Einstein suchte die Weltformel, ein mathematisches Modell, das alle Elementarteilchen und die vier Naturkräfte also auch die Gravitation mit einer einheitlichen Quantentheorie beschreibt. Einstein schaffte es nicht, doch seine Erben lässt der Gedanke nicht los. Unter Hochdruck suchen sie Wege, das erfolgreiche, aber unvollständige Standardmodell der Teilchenphysik zu erweitern. Ein Weg ist die Phänomenologie, der anwendungsbezogene Bereich der theoretischen Physik, der mit mathematischen Methoden Vorhersagen für Experimente an großen Beschleunigern macht etwa am ATLAS- Detektor am neuen LHC-Beschleuniger des europäischen Kernforschungszentrums in Genf. Das gleicht einem Detektivspiel: Die Physiker spielen Experimente auf dem Papier durch, fügen gezielt Varianten ein und berechnen beispielsweise die Masse des Higgs-Teilchens oder wie verschiedene Materiesorten miteinander wechselwirken. Zu den Varianten gehören die supersymmetrischen Teilchen, spiegelbildliche Verwandte der Partikel, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. Die vielversprechendste Theorie für eine Weltformel ist die Superstring-Theorie. Sie beschreibt Materie und Kräfte als Saiten, die in zehn Dimensionen schwingen. Das ist für den gesunden Menschenverstand, der an vier Dimensionen drei Raumdimensionen und die Zeit gewöhnt ist, kaum vorstellbar. Die String- Forscher am MPP haben errechnet, dass die übrigen Dimensionen auf unvorstellbar winzige Meter (35 Stellen hinter dem Komma) aufgerollt sind. Noch gibt es keine Experimente, die die Existenz von Superstrings belegen. Der Beschleuniger LHC könnte erste Hinweise liefern. Er fahndet ab 2008 nach supersymmetrischen Teilchen, die in der Stringtheorie enthalten sind - deshalb wäre ihre Entdeckung ein positives Indiz. Und wenn sich am Ende tatsächlich eine Lösung der Stringtheorie als Weltformel entpuppt ist dann die Physik am Ende? Nein, sagte Richard Feynman schon vor einem halben Jahrhundert. Der Nobelpreisträger verglich die Suche nach der Weltfomel mit Schach: Der Spaß fange erst an, wenn man die Regeln kenne. Im Universum lesen wir im Moment noch die Spielanleitung. Normale Materie Materie Atom Atomkern Proton Quark Diese Teilchen existierten nur beim Urknall, heute in Kosmischer Strahlung und Beschleunigern Elektron Ladung -1 Verantwortlich für Elektri zität, chemische Reaktionen Muon Ein schwerer Verwandter des Elektrons Tau Noch schwerer Leptonen Elektron Neutrino Ladung 0 Wenige Interaktionen mit anderer Materie Muon Neutrino Entsteht mit Muonen, wenn Teilchen zerfallen Tau Neutrino Noch nicht beobachtet Up Ladung +2/3 Protonen bestehen aus 2 Up-Quarks, u. 1 Down-Quark,... Charm Ein schwererer Verwandter des Up-Quarks Top Noch schwerer Quarks Down Ladung -1/3... Neutronen aus 1 Up und 2 Down- Quarks. Strange Ein schwererer Verwandter des Down-Quarks Bottom Noch schwerer

11 Praxis Steckbrief Halbleiterlabor Aufgabe: Entwicklung und Produktion von Detektoren für die Teilchen- und Astroteilchenphysik Gründung: 1992 Standort: München-Neuperlach (auf dem Siemens-Gelände) Mitarbeiter: 60 Ein Megapixel Digitalkameras mit dieser geringen Auflösung sind heute unverkäuflich. Für das Halbleiterlabor am MPP sind Detektoren mit einer Million Pixel dennoch eine große Herausforderung. Denn statt die Auflösung immer weiter in die Höhe zu treiben, müssen die Entwickler das Tempo steigern, mit dem die Daten ausgelesen werden andernfalls könnten die Sensoren dem Teilchenschauer in modernen Detektoren nicht schnell genug folgen. Bis zu Bilder pro Sekunde sollen die ca. 10 cm² großen Chips machen, um die Spuren der Teilchen auf wenige Mikrometer genau zu bestimmen, die beim Zusammenprall von Teilchen in geplanten Beschleunigern, wie dem International Linear Collider, entstehen. Diese ultrakurze Belichtungszeit ist nur möglich mit Chips, bei denen sich eine ganze Zeile in weniger als 100 Nanosekunden auslesen lässt, statt einzelne Bildpunkte wie in den Bildsensoren einer Digitalkamera. Möglich wird das durch die Integration der Transistoren zur Signalverstärkung in den Detektorchip. Was nach gängiger Chiptechnologie klingt, hat seine Tücken. Denn die Elektronik muss dem Bombardement der Teilchen widerstehen, die am Kollisionspunkt im Detektor entstehen. Durch geschickte Wahl von Material und Aufbau machen die MPP-Physiker die Chips strahlenresistent und gewährleisten zudem, dass die nach der Kollision auseinander rasenden Teilchen nicht schon auf den ersten Zentimetern ihrer Bahn abgelenkt werden, sondern dass sie ihren Weg durch die weiteren Messgeräte des Detektors ungestört fortsetzen können. Dazu müssen die ursprünglich 0,5 Millimeter dicken Sensoren auf eine Dicke von nur 50/1000 Millimeter abgedünnt werden. Weil das Halbleiterlabor des MPP zur Herstellung der Chips besondere Bedingungen benötigt, nutzt es die Räume des Siemens-Forschungszentrums in München- Neuperlach, wo auch Reinräume zur Verfügung stehen. Das Halbleiterlabor wird gemeinsam mit dem Max- Planck-Institut für extraterrestrische Physik betrieben, und die 60 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter stellen neben Detektoren für Teilchenbeschleuniger auch Kameras für Röntgenteleskope her. Darüber hinaus betreibt das MPP Fachabteilungen für Elektronik und Mechanik. Letztere konstruiert unter anderem das Gerüst von riesigen Detektoren wie AT- LAS am LHC oder des MAGIC-Teleskops auf La Palma, die höchste Präzision bei gleichzeitiger Robustheit erfordern. Ist beispielsweise ATLAS einmal in Betrieb, kann der 7000 Tonnen Koloss für Jahre nicht mehr geöffnet und repariert werden. Um dieses einzigartige Know-how zu bewahren und auszubauen, bildet das Institut laufend 20 junge Menschen zu Elektronikern und Industriemechanikern aus. Wer experimentiert, braucht Instrumente. Die Messgeräte der Max-Planck-Physiker kann man nicht im Laden kaufen. Daher spielt das Halbleiter-Labor HLL (unten) eine entscheidende Rolle für den Erfolg der Forschung, der ohne spezielle Chips (oben), schnelle Computer und maßgeschneiderte Software nicht möglich wäre.

12 Bremsen Spuren von den gewaltigsten Katastrophen im Weltall sucht das Gammastrahlen- Teleskop MAGIC auf La Palma. Es spürt schwache Lichtblitze auf, Cherenkov-Licht, die durch Gammstrahlen in der Atmosphäre entstehen. Ein zweites Teleskop (oben) bietet ab September 2008 noch bessere Beobachtunsgmöglichkeiten. Wenn wir zum Nachthimmel schauen, sehen wir nur das schwache Licht der Sterne. Würden unsere Augen auch Gammastrahlung wahrnehmen, die hunderte Milliarden mal mehr Energie hat als sichtbares Licht, würden wir noch viel mehr sehen. Zum Beispiel die Umgebung Schwarzer Löcher oder Sternexplosionen, die viele Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind und die ungeheuer energiereiche Gammastrahlung freisetzen. Was unseren Augen verborgen bleibt, sieht das empfindliche MAGIC-Teleskop, das vom MPP auf der Kanareninsel La Palma errichtet wurde. Tritt die Gammastrahlung in die Erdatmosphäre, zerstrahlt sie in zehn bis fünfzehn Kilometern Höhe in einer Kettenreaktion in wenigen milliardstel Sekunden zu leichten Elementarteilchen, die abgebremst werden und dabei schwache bläuliche Lichtblitze aussenden das so genannte Cherenkov-Licht. Dieser Lichtkegel am Himmel beleuchtet einen Kreis von rund 200 Metern Durchmesser auf der Erdoberfläche. MAGIC fängt einen Teil dieses Lichts mit einem 17 Meter großen Spiegel auf und misst es mit empfindlichen Photodetektoren. Aus der Energie und der Verteilung des Lichts rekonstruieren die Astrophysiker, woher die Gamma- Strahlung kam und was die Quelle war. MAGIC ist nicht nur das derzeit größte Instrument seiner Art weltweit, es ist auch mit vielen technologischen Raffinessen ausgestattet: So kann MAGIC in 30 Sekunden auf eine beliebige Stelle am Himmel ausgerichtet werden. Das ist wichtig, wenn man den mysteriösen Gammastrahlungsblitzen auf die Spur kommen will, bei denen innerhalb von nur ein bis zwei Minuten ungeheure Energien freigesetzt werden. Satelliten schlagen bei solchen Ausbrüchen Alarm, und die MPP-Physiker auf La Palma hoffen, das Nachglühen solcher Blitze auch mit MAGIC zu beobachten. MAGIC-2, ein identisches Teleskop, das 85 Meter von MAGIC entfernt ist, wird ab Herbst 2008 die Ausbeute und Präzision der Messung erhöhen. Für die Zukunft planen mehrere internationale Forschungsgruppen ein gemeinsames, noch größeres Observatorium mit bis zu hundert Teleskopen, das die Empfindlichkeit weiter steigern soll. Steckbrief MAGIC (Major Athmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) Standort: Observatorio del Roque de los Muchachos, La Palma (Kanarische Inseln) Durchmesser: 17 Meter Gewicht: 65 Tonnen Beteiligte Institute: 24 Ziel: Untersuchung hochenergetischer Gammastrahlung u. a. aus der Umgebung Schwarzer Löcher oder von Supernova-Überresten

13 Beschleunigen Mit ihren riesigen Beschleunigern schauen Teilchenphysiker zwar in die Vergangenheit bis zu den ersten Sekunden der Geburt unseres Universums. Dennoch sind sie dabei ihrer Zeit weit voraus, denn während ein riesiges Experiment wie der Large Hadron Collider in Genf gerade erst an den Start geht, entwerfen die Physiker bereits neue Konzepte für Beschleuniger der nächsten und übernächsten Generation, die noch tiefer in die Materie eindringen. Das ist wichtig, weil die Physik keine feste Landkarte mit einigen weißen Flecken ist, die es noch abschließend zu beschreiben gilt. Vielmehr entdecken die Physiker immer neue, unbekannte Kontinente, mit jeder Erkenntnis ergeben sich neue Forschungsfragen. Deshalb macht sich das MPP schon heute Gedanken, wie ein Teilchenbeschleuniger aussehen könnte, der um das Jahr 2019 die Nachfolge von LHC antreten würde. Die Fachwelt ist sich einig, dass als nächstes ein Linearbeschleuniger der International Linear Collider (ILC) gebaut werden soll, der Positronen und Elektronen auf zwei jeweils 15 Kilometer langen Rennstrecken mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und auf Kollisionskurs bringt. Zwar wird im ILC weniger Energie frei als beim LHC, doch Kollisionen der elementaren Bausteine Elektron und Antielektron lassen viel präzisere Messungen zu. LHC wird das legendäre Higgs-Teilchen entdecken da sind sich die Physiker sicher, verstanden wird es jedoch erst mit dem ILC. Schon heute entwickeln und testen weltweit mehrere tausend Wissenschaftler und Techniker Komponenten für den ILC, der wohl fünf Milliarden Euro kosten wird. Auf Tempo gebracht werden die Teilchen mit heliumgekühlten supraleitenden Beschleunigerstrecken, die am Deutschen Elektronensynchrotron in Hamburg entwickelt wurden. Zusammen mit DESY-Kollegen entwickeln MPP-Physiker ein Kalorimeter, das die Energie der Teilchen misst, die nach dem Zusammenprall entstehen. Nur 1,5 Zentimeter vom Kollisionspunkt entfernt soll zudem ein Halbleiterdetektor installiert werden, der vom HLL entwickelt wird und der die Spuren der auseinander fliegenden Teilchen verfolgt. Auch wer heute die Schulbank drückt und mit einem Physikstudium liebäugelt, hat in der Teilchenphysik Perspektiven. Denn für die Zeit nach dem ILC um das Jahr 2030 gibt es schon Konzepte. So wünschen sich die Physiker einen Ringbeschleuniger, der Myonen aufeinander schießt. Doch die Herausforderungen sind enorm, viele Technologien dafür müssen erst noch entwickelt werden eine Aufgabe für künftige Physikergenerationen. Die Rätsel der Physik sind noch lange nicht gelöst. Noch immer harren grundlegende Fragen einer Antwort. Die Forscher am Max-Planck-Institut planen bereits mit anderen den Beschleuniger der nächsten Generation ILC (unten), der neue Prinzipien und Techniken für seine Arbeit nutzt (oben). Informationen zum ILC:

14 Tradition Gründung als Kaiser- Wilhelm-Institut für Physik in Berlin, Gründungsdirektor Albert Einstein Nobelpreis für Max Planck, Initiator des Instituts Institutsname Max-Planck- Institut Werner Heisenberg wird Direktor des Instituts, bleibt es bis 1970 Wiedereröffnung des Instituts in Göttingen Das Max-Planck-Institut für Physik, gegründet am 1. Oktober 1917 als Kaiser-Wilhelm-Institut, blickt auf eine spannende Geschichte zurück. In den über 90 Jahren gab es Rückschläge, etwa durch den von den Nationalsozialisten erzwungenen Rückzug Albert Einsteins als Institutsdirektor oder durch die Schwierigkeiten nach dem Krieg. Vor allem aber setzte das Institut Maßstäbe in der physikalischen Forschung, besonders durch Wissenschaftler wie Albert Einstein, Peter Debye, Carl Friedrich von Weizsäcker oder Werner Heisenberg. Das Institut war Keimzelle einiger weiterer Institute in der Max-Planck-Gesellschaft. So sind alle physikalischen Max-Planck-Institute in München Kinder oder Enkel des MPP, das Institut für Plasmaphysik, das erst als GmbH und seit 1971 als eigenes Max-Planck- Institut firmiert, sowie die Institute für Astrophysik und extraterrestrische Physik, alle in Garching, die seit 1991 eigenständig sind. Im Jahr 1992 wird zusammen mit dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) das Halbleiterlabor (HLL) gegründet. Daran wird deutlich, dass die Physik ein riesiges Gebiet ist, das einem kontinuierlichen Wandel unterliegt und das zunehmend spezialisierte Institute und Wissenschaftler erfordert. Insofern ist der Name Max-Planck- Institut für Physik etwas irreführend, erweckt er doch bei Nicht-Physikern den Eindruck, dass am Institut Alles gemacht wird, was heute gar nicht mehr möglich ist. Dennoch hat das Institut wie schon zu den Zeiten Einsteins oder Heisenbergs den Anspruch, immer wieder vielversprechende Forschungsfragen in der Physik aufzugreifen und so neue Akzente in der Physik zu setzen Eingliederung in die Max-Planck- Gesellschaft als Nachfolgerin der Kaiser-Wilhelm- Gesellschaft Umzug nach München 1958 Gründung des Halbleiterlabors HLL mit dem MPI für Extraterrestrische Physik 1992

15 Vision Prof. Dr. Wolfgang Hollik Geschäftsführender Direktor, Leiter der Abteilung Theoretische Physik Wir suchen nach den Ursachen für die Masse, die alle Materie besitzt, und die durch die Gravitation die Dynamik des Universums bestimmt. Eigentlich regeln Symmetrien unsere fundamentalen Gesetzmäßigkeiten, die Massen von Elementarteilchen entstammen aber einer Symmetriebrechung. Wie das geschieht, wollen wir entschlüsseln. Dr. (Univ.Kyoto) Masahiro Teshima Direktor der Abteilung Astroteilchenphysik Das Universum bietet uns ein einzigartiges Labor, um fundamentale physikalische Prozesse unter extremen Bedingungen zu erforschen. Dazu gehören Überreste des Urknalls, ultrarelativistische Jets aus supermassiven Schwarzen Löchern, aber auch Gammablitze, hochkompakte Sterne mit starken magnetischen Feldern und Supernova-Explosionen. Neu entwickelte Instrumente mit zukunftsweisender Technologie werden der experimentellen Astroteilchenphysik diese Forschung ermöglichen. PD Dr. Ralph Blumenhagen (Permanenter) Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Stringtheorie Das Max-Planck-Institut für Physik liefert den idealen Rahmen, damit ich meiner wissenschaftlichen Neugier nachgehen kann. Mein Interesse gilt dabei der Erforschung der mathematischen Strukturen, die unserem Universum zugrunde liegen. Andrea Michelle Bangert Doktorandin in der experimentellen Physik, Arbeitsgruppe ATLAS-SCT Für mich bietet die Forschung am Max-Planck-Institut für Physik und am Projekt ATLAS auch eine Chance über die Physik hinaus: Ich möchte in der weltweiten Vernetzung der Wissenschaftler und durch die Arbeit an den gemeinsamen Zielen einen wertvollen Beitrag zur interkulturellen Kommunikation in unserer Gesellschaft leisten.

16 Impressum Herausgeber Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut) Föhringer Ring München Tel.: (+49 89) Fax: (+49 89) Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Silke Zollinger, Tel. (+49 89) , Mail: Dr. Jochen Schieck, Tel. (+49 89) , Mail: Weitere Informationen zum Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut): Konzept und Redaktion: Science&Media, Büro für Wissenschafts- und Technikkommunikation, Betastr. 9A, München-Unterföhring, Tel. (+49 89) , Fax (+49 89) , Mail: Bilder: CERN (5), MAGIC (2), Hubble Space Telescope (2), KET, dreamstime.com, D.Burckhart-Chromek/CERN-ATLAS, alle anderen Max-Planck-Institut für Physik Text: Bernd Müller, Esslingen Gestaltung: Vasco Kintzel, Aßling bei München Druckerei: FiBo Druck- und Verlags GmbH, Neuried

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