Institutsbroschüre (pdf) - Max-Planck-Institut für Kernphysik - Max ...

Impressum
Das Institut und
seine Forschungsgebiete
Herausgeber: Max-Planck-Institut für Kernphysik, Öffentlichkeitsarbeit, Heidelberg 2011
Redaktion: Bernold Feuerstein, Gertrud Hönes

Überblick
Das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) ist eines von 80 Instituten und Forschungseinrichtungen
der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften
e. V., die 1948 in Nachfolge der 1911 errichteten Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft gegründet
wurde und der Grundlagenforschung verpflichtet ist.
Das MPIK wurde 1958 von Wolfgang Gentner gegründet. Es ging aus dem von Walther
Bothe von 1934 bis 1957 geleiteten Institut für Physik im MPI für medizinische Forschung
hervor. Ursprüngliche wissenschaftliche Ziele waren kernphysikalische Grundlagenforschung
und Anwendung kernphysikalischer Methoden auf Fragen der Physik und der
Chemie des Kosmos. Seit 1966 wird das MPIK von einem Direktorenkollegium geführt.
Heute konzentrieren sich die Aktivitäten auf die interdisziplinären Gebiete
Astroteilchenphysik (Synergien von Teilchenphysik und Astrophysik) und
Quantendynamik (Vielteilchendynamik von Atomen und Molekülen).
Wissenschaftler des MPIK arbeiten mit anderen Forschungsgruppen in der ganzen
Welt zusammen. Sie wirken in zahlreichen internationalen Kollaborationen teilweise
federführend mit. Besonders intensive Beziehungen bestehen zu einigen Großforschungseinrichtungen
wie GSI mit EMMI (Darmstadt), DESY mit CFEL (Hamburg), BESSY
(Berlin), CERN (Genf), INFN-LNGS (Assergi L‘Aquila) und LCLS (Stanford).
In der Region kooperiert
das Institut eng mit der Universität
Heidelberg, an der die
Direktoren und weitere Mitarbeiter
des Instituts lehren. Zur
Förderung des wissenschaftlichen
Nachwuchses wurden
zusammen mit weiteren Instituten
drei International Max
Planck Research Schools
(IMPRS) gegründet: „Quantendynamik
in Physik, Chemie
und Biologie“, „Präzionstests
Klaus Blaum, Werner Hofmann, Joachim Ullrich, Manfred Lindner, Christoph H. Keitel.
fundamentaler Symmetrien”
und „Astronomie und Kosmophysik“.
An der Graduiertenschule „Fundamentale Physik“ der Universität Heidelberg
sind alle Direktoren beteiligt.
Die zentralen Einrichtungen am MPIK sind tragende Säulen einer erfolgreichen wissenschaftlichen
Arbeit: Feinmechanik- und Elektronik-Werkstätten, Konstruktionsbüro
und Medientechnik, IT-Netzwerk, Strahlenschutz, Sicherheit und Umwelt, Bibliothek,
Öffentlichkeitsarbeit sowie Verwaltung und Haustechnik. Das Institut betreibt eigene
Lehrwerkstätten für Feinmechanik und Elektronik.
Die wissenschaftlichen Abteilungen
Klaus Blaum – Gespeicherte und gekühlte Ionen:
Die Abteilung beschäftigt sich mit Präzisionsexperimenten an gespeicherten und
gekühlten Ionen zur Bestimmung ihrer Eigenschaften im Grundzustand sowie mit der
Erforschung fundamentaler Prozesse in Molekülionen. Dafür werden kurzlebige Radionuklide,
hochgeladene Ionen oder einfache Molekülionen in Penningfallen oder Speicherringen
nahezu unter Weltraumbedingungen gefangen.
Werner Hofmann – Teilchenphysik und Hochenergieastrophysik:
Die Hochenergieastrophysik der Abteilung untersucht mit atmosphärischen Tscherenkow-Teleskopen
die Quellen und Beschleunigungsprozesse hochenergetischer Teilchen
im Universum. Assoziierte Forschergruppen befassen sich mit der zugehörigen Theorie
und Phänomenologie sowie Infrarotastrophysik. Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit
Bildung und Zerfällen schwerer Quarks und mit dem neutrinolosen Doppelbetazerfall.
Christoph H. Keitel – Theoretische Quantendynamik und Quantenelektrodynamik:
Die Arbeiten zielen auf ein detailliertes Verständnis des quantenmechanischen Zusammenspiels
aller Bestandteile atomarer, molekularer, ionischer oder nuklearer Systeme mit
Laserfeldern, wobei relativistische Effekte berücksichtigt werden. Dazu kommen theoretische
Vorschläge zur Optimierung diverser Anwendungen wie Laserkühlung oder Teilchenbeschleunigung,
Erzeugung kohärenten kurzwelligen Lichts oder neuer Teilchen.
Manfred Lindner – Teilchen- und Astroteilchenphysik:
Die Abteilung befasst sich experimentell und theoretisch mit aktuellen Fragestellungen
der Teilchen- und Astroteilchenphysik. Die experimentellen Aktivitäten konzentrieren
sich auf Projekte der Neutrinophysik und der Suche nach Dunkler Materie. Die breiter
angelegten theoretischen Aktivitäten reichen von der Interpretation von Ergebnissen
experimenteller Projekte bis zu formalen Fragen, die sich im größeren Kontext ergeben.
Joachim Ullrich – Experimentelle Mehrteilchen-Quantendynamik:
Die Abteilung untersucht experimentell fundamentale Mehrteilchen-Quantensysteme
in Atomen, Molekülen, molekularen und hochgeladenen Ionen. Die Forschung umfasst
Präzisionsspektroskopie zum Test der Quantenelektrodynamik, zeitaufgelöste Reaktionsdynamik
auf Femto- bis Attosekundenzeitskalen mittels ultrakurzer Laserpulse sowie
Strukturaufklärung durch ultraschnelle Röntgenbeugung.
Außerdem gibt es am Institut einige – meist durch Drittmittel finanzierte – selbstständige
Forschergruppen, die von jungen Physikern geleitet werden. Wissenschaftlich sind sie
jeweils mit einer Abteilung verbunden und verbreitern deren Themenfeld.
Am Institut arbeiten etwa 460 Personen, davon 130 Wissenschaftler und 110 Doktoranden,
25 Diplomanden, Bachelor- und Masterstudenten und 20 Gastwissenschaftler.
2 3

UNIVERSUM
BEI HOHEN
ENERGIEN
Gammastrahlenquellen entlang der Milchstraße, entdeckt
von den H.E.S.S.­Tscherenkow­Teleskopen in Namibia.
Wie funktionieren kosmische Beschleuniger?
Welche kosmischen Objekte sind Quellen hochenergetischer Gammastrahlung?
Warum besteht das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie?
Kosmische Beschleuniger – Astronomie bei höchsten Energien
Auf dem Gebiet der Hochenergieastrophysik arbeiten am MPIK Experimentatoren mit
Erfahrung in der Teilchenphysik eng mit mehr theoretisch orientierten Astrophysikern
zusammen. Mit dem High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. beobachten sie höchstenergetische
(VHE) Gammastrahlen aus dem Kosmos, um damit nicht-thermische
Phänomene im Universum zu studieren, und erforschen die Beschleunigungsmechanismen
in den kosmischen Quellen hochenergetischer Teilchen.
Anders als die elektromagnetische Strahlung in den meisten anderen Wellenlängenbereichen
können Teilchen im VHE-Bereich nicht thermisch erzeugt werden; nur im Urknall
waren die Temperaturen kurzzeitig hoch genug. Man geht davon aus, dass stattdessen
kollektive nicht-thermische Mechanismen für die Beschleunigung verantwortlich sind:
Geladene Teilchen gewinnen zunehmend Energie, indem sie immer wieder in die Schockfront
gigantischer Schockwellen von Supernovaexplosionen oder in die Plasmajets aus
der unmittelbaren Umgebung Schwarzer Löcher in den Zentren aktiver Galaxien zurück
diffundieren. Am Institut wird daran gearbeitet, die Vorgänge in den unterschiedlichen
Typen von kosmischen Beschleunigern zu modellieren und theoretisch zu beschreiben.
Die auf der Erde beobachteten VHE-Gammastrahlen entstehen, wenn die beschleunigten
geladenen Teilchen mit dem umgebenden Medium reagieren – entweder interstellares
Gas oder Strahlungsfelder. Im Gegensatz zu den geladenen Teilchen breiten sich die
Gammastrahlen geradlinig von der Quelle zum Beobachter aus und ermöglichen so, die
Quellen abzubilden und die Vorgänge in der Beschleunigungsregion zu untersuchen.
Seit ihrer Inbetriebnahme Anfang 2004 haben die H.E.S.S.-Teleskope mehr als 60
VHE-Gammaquellen entlang der Milchstraße wie Supernovaüberreste oder Pulsarwindnebel
entdeckt, die auch in anderen Wellenbändern von Radiowellen bis Röntgenstrahlen
sichtbar sind. Daneben gibt es eine Reihe unidentifizierter, sogenannter dunkler
Quellen. Besonders interessant ist das Zentrum der Milchstraße mit dem supermassiven
Schwarzen Loch, das mittlerweile als Gammastrahlenquelle identifiziert ist. Außerhalb
10
-10
0
10
5
0
-5
10
5
0
-5
-10
Astroteilchenphysik
-50 0
-10
-60 -40 -20 0 20
-100 -50 0
Flugbahn eines geladenen Teilchens
an einer relativistischen
Schockfront.
5

Universum bei hohen Energien
Beobachtung von Gammastrahlen.
der Milchstraße erscheinen Galaxien mit aktiven Kernen, Starburst- und Radiogalaxien
als schwache Objekte im VHE-Gammalicht. Um die Objekte zu verstehen, müssen alle
Wellenlängenbereiche betrachtet werden.
Die an der Erzeugung von Gammastrahlen beteiligte interstellare Materie zeigt sich
im Infrarotlicht. Modelle für die kombinierte Analyse des direkten UV/sichtbaren Lichts
von Galaxien und des indirekten Infrarots werden am MPIK entwickelt und angewandt.
Tscherenkow-Teleskope
VHE-Gammastrahlen aus dem Weltraum – eine Billion mal energiereicher als
sichtbares Licht – erreichen die Erdoberfläche nicht. Trotzdem können sie am Boden
registriert werden, mit der Atmosphäre als Detektor. Beim Eintritt in die Atmosphäre
stoßen die Gammaquanten mit Molekülen zusammen, wobei Kaskaden
geladener Sekundärteilchen, sogenannte Teilchenschauer entstehen. Diese emittieren
extrem kurze bläuliche Lichtblitze (Tscherenkow-Licht), die am Boden eine
Fläche von ~250 m Durchmesser beleuchten und in dunklen mondlosen Nächten
mit großen Spiegelteleskopen und schnellen Lichtsensoren beobachtbar sind. Stereoskopische
gleichzeitige Beobachtung mit mehreren Teleskopen ermöglicht es,
die genaue Richtung zu ermitteln, aus der die Teilchenschauer kommen.
Das High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. besteht aus vier baugleichen
Teleskopen mit 107 m 2 Spiegelfläche, aufgestellt an den Ecken eines Quadrats mit
120 m Kantenlänge. Die „Kamera“ – eine Matrix aus 960 Lichtsensoren – im Fokus
jedes Spiegels hat ein großes Blickfeld. Damit ist H.E.S.S. besonders für Himmelsdurchmusterungen
geeignet. H.E.S.S. konnte als erstes Instrument einen Supernovaüberrest
im VHE-Gammalicht aufgelöst abbilden. In der Mitte des Quadrats steht
ein fünftes, riesiges Teleskop mit 600 m 2 Spiegelfläche kurz vor der Fertigstellung.
Es wird die Empfindlichkeit des Systems stark erhöhen und den beobachtbaren
Energiebereich zu niedrigeren Energien ausdehnen. Der Standort auf der Südhalbkugel
in Namibia ermöglicht einen direkten Blick in das Zentrum der Milchstraße.
Als nächste Instrumentengeneration für die VHE-Gammastrahlen-Astronomie
ist bereits CTA, Cherenkov Telescope Array, in Vorbereitung.
Bau des neuen H.E.S.S. II-Teleskops zwischen den H.E.S.S. I-Teleskopen.
Materie und Antimaterie – Suche nach dem entscheidenden Unterschied
Astroteilchenphysik
Heute besteht das gesamte sichtbare Universum aus
Materie, nicht aus Antimaterie. Weil im Urknall gleich viele
Teilchen und Antiteilchen entstanden sind, muss es einen
grundlegenden Unterschied zwischen ihnen geben. Sonst
hätten sie sich komplett vernichtet, und das Universum
bestünde aus reiner Strahlung. Das LHCb-Experiment am
Large Hadron Collider (LHC) des CERN versucht dieses
Rätsel zu lösen und sucht nach Physik jenseits des etablierten
Standardmodells. In seltenen Zerfällen schwerer
Quarks zeigten sich erste Hinweise auf unterschiedliches
Verhalten von Teilchen und Antiteilchen. 2011 begann
LHCb mit der Suche nach „neuer Physik“ in B-Meson-
Zerfällen. Physiker und Elektroniker am MPIK haben
strahlungsfeste Elektronikkomponenten entwickelt, gebaut
Darstellung eines Teilchenschauers im LHCb­Detektor, der von
und getestet, die im LHCb-Detektor die Spuren geladener
einer Proton­Proton­Kollision im LHC ausgeht.
Teilchen aufzeichnen. Jetzt beteiligen sich die Forscher an
der Datenanalyse, die fortschrittliche Methoden erfordert.
Am MPIK wird auch an der Präparation ultrakalter negativer Ionen gearbeitet, um
Antiprotonen zu kühlen, die erforderlich sind, um kalten Antiwasserstoff durch Rekombination
mit Positronen herzustellen. Damit können die Eigenschaften von Antimaterie
direkt präzise gemessen werden, z. B. deren freier Fall durch Schwerkraft. Zum Test grundlegender
Symmetrien lassen sich an einzelnen, bei tiefer Temperatur in einer Penningfalle
gefangenen Protonen oder Antiprotonen deren magnetische Momente genau bestimmen.
Das frühe Universum – Elementarteilchen bei höchsten Energien
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt Materie-Antimaterie-Asymmetrie
voraus, jedoch um viele Größenordnungen zu wenig, um den beobachteten Materieüberschuss
im Universum zu erklären. Das überzeugendste bisher vorgeschlagene Szenario
ist die sogenannte Leptogenese, die von Theoretikern am MPIK mit ab-initio Methoden
auf Grundlage der Nichtgleichgewichts-Quantenfeldtheorie untersucht wird. Dabei spielt
der Zerfall schwerer Neutrinos eine Schlüsselrolle. Deren Existenz erklärt die kleinen,
aber von Null verschiedenen Massen der leichten Neutrinos. Im Kontext derzeitiger und
zukünftiger Experimente der Teilchenphysik sowie der Kosmologie werden Supersymmetrie
und eine große vereinheitlichte Theorie studiert. Neutrinomassen und Dunkle Materie
(DM) wie auch theoretische Unzulänglichkeiten verlangen eine Erweiterung des Standardmodells,
das nur bis zu einer bestimmten Energie gültig zu sein scheint, ab der „neue
Physik“ ins Spiel kommt. Bei Paar-Annihilationen von DM-Teilchen z. B. im Zentrum der
Milchstraße könnten hochenergetische Neutrinos entstehen und zum Nachweis der DM
genutzt werden. Eine andere Frage ist, inwieweit verschiedene Quellen hochenergetischer
Neutrinos bei Messungen mit Neutrinoteleskopen unterschieden werden können.
Die ersten 3 Minuten des Alls.
6 7

DER
URSPRUNG
DER MATERIE Die
Das “Bullet Cluster”: Gravitationslinsen in dieser kosmischen
Kollision zeigen die Anwesenheit Dunkler Materie.
Woraus besteht Dunkle Materie und wie kann man sie finden?
Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen?
Wie groß ist ihre Masse und wie wandeln sie sich ineinander um?
Dunkle Materie – Strukturbildner im Universum
Kosmologische Beobachtungen wie der Umlauf der Sterne in Galaxien, Graviationslinsen
in Galaxienclustern oder der kosmische Mikrowellenhintergrund legen es nahe, dass das
Universum zu etwa 23% aus Dunkler Materie besteht, während der Anteil normaler sichtbarer
Materie nur etwa 4% beträgt. Der Rest ist die mysteriöse Dunkle Energie, die für die
beobachtete beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich ist.
Aufgrund theoretischer Überlegungen sind schwach wechselwirkende schwere
Teilchen, WIMPs, die vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie, da solche
Teilchen im frühen Universum in der erforderlichen Menge entstanden sein sollten. Die
Forscher betrachten aber auch „sterile Neutrinos“ oder nur gravitativ wechselwirkende
Teilchen. Das führt zu möglichen Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.
Außerdem werden die Daten verschiedener Experimente im Zusammenhang
analysiert, um deren Widersprüche aufzuklären.
Das MPIK beteiligt sich an der Suche nach WIMPs mit
dem XENON100- und dem künftigen XENON1T-Experiment
im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien, die hochreines
flüssiges Xenon als Detektormedium verwenden.
Der XENON100-Detektor ist in der Lage, sowohl das
Szintillationslicht als auch die elektrische Ladung korreliert
zu messen, die bei den seltenen Stößen von WIMPs
mit Xe-Atomen entstehen. Die Empfindlichkeit wird
wesentlich höher sein mit dem XENON1T-Detektor, der
die 10-fache Menge an Xe verwenden und noch besser
abgeschirmt sein wird.
Außerdem suchen die H.E.S.S.-Teleskope nach hochenergetischen
Gammastrahlen, die durch Annihilation von
Dunkler Materie im DM-Halo der Milchstraße entstehen.
Lichtsensoren im XENON100 Detektor.
Astroteilchenphysik
9

Der Ursprung der Materie
Die Schemazeichnung des Germanium-Spektrometers
GIOVE zeigt die
Schichten abschirmenden Materials.
Das GERDA Doppelbetazerfall­Experiment.
Low-Level-Techniken
Bei Experimenten, die seltene Ereignisse suchen, spielen Identifizierung und
Reduktion des Untergrunds eine entscheidende Rolle. Das MPIK hat jahrzehntelange
Erfahrung und Expertise mit Low-Level-Techniken. Das Untergrundlabor des
Instituts ist gegen kosmische Strahlung abgeschirmt und bietet ideale Bedingungen
für die Entwicklung von Detektoren für Experimente mit niedrigem Untergrund.
Hochempfindliche Gammaspektrometer und Proportionalzähler dienen der Überprüfung
von Materialien auf radioaktive Verunreinigungen und sind die Basis von
Analysetechniken für sehr niedrige Konzentrationen von Radioisotopen wie 85 Kr.
Das natürlich vorkommende radioaktive Radonisotop 222 Rn ist eine der am
meisten störenden Verunreinigungen. Es kann mit der mobilen Radonextraktionsapparatur
MoREx selbst aus großen gasförmigen oder flüssigen Proben effizient
entfernt werden. Ultrareiner Stickstoff, Argon und Xenon sind für Neutrino- und
Dunkle-Materie-Detektoren sowie für Doppelbetazerfallsexperimente wesentlich.
Wissenschaftler des MPIK haben den flüssigen gadoliniumhaltigen Szintillator
für den Neutrinodetektor Double Chooz entwickelt. Die Lichtsensoren für den
Nachweis des bei den seltenen Stößen von Neutrinos oder Dunkle-Materie-Teilchen
mit Atomen der Detektorflüssigkeiten erzeugten Szintillationslichts werden
in einem speziellen Teststand charakterisiert.
Neutrinos – Teilchen mit verblüffenden Eigenschaften
Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit winziger Masse,
von denen es drei Sorten, sogenannte Flavours, gibt. Neben Photonen sind
sie die häufigsten Teilchen im Universum, aber wir bemerken sie nicht, weil
sie nur selten mit Materie wechselwirken. Ihr Nachweis erfordert große,
empfindliche Detektoren mit bester Abschirmung gegen Untergrundsignale.
Das GERDA-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor sucht nach
dem neutrinolosen Doppelbetazerfall in reinen, mit dem Isotop 76 Ge angereicherten,
Germaniumkristallen. Falls er möglich ist, ist der neutrinolose
Doppelbetazerfall extrem selten. Wenn man ihn findet, bedeutet das, dass
Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen – sogenannte Majorana-Teilchen –
sind, mit beträchtlichen theoretischen Konsequenzen. Kandidaten für den
umgekehrten Prozess, den neutrinolosen doppelten Elektroneinfang, werden
durch präzise Messung ihrer Masse und der ihrer Tochternuklide geprüft.
GERDA wird auch Informationen über die Ruhemasse der Neutrinos
liefern, für die bisher nur Obergrenzen und Differenzen bekannt sind. Ein
anderer Ansatz zur Bestimmung der Neutrinomasse ist die extrem genaue
Messung der Massendifferenz zwischen 3 H (Tritium) und 3 He zusammen
mit dem KATRIN-Experiment.
Der periodische Wechsel zwischen den drei Neutrinosorten Elektron-,
Myon- und Tauon-Neutrino („Neutrino-Oszillationen“) wird durch soge-
nannte Mischungswinkel beschrieben. Das Double-Chooz-
Experiment verwendet Elektron-Antineutrinos aus einem
Kernkraftwerk in Frankreich, um den noch unbekannten
der drei Mischungswinkel zu messen. Die beiden gleichartigen
Detektoren in verschiedenen Abständen von den
Reaktoren sehen nur Elektron-Antineutrinos, deren Zahl
vom nahen zum fernen Detektor durch die Oszillationen
abnehmen sollte. Zur Simulation zukünftiger hochpräziser
Neutrino-Oszillationsexperimente wurde die Software
GLoBES entwickelt.
Seit 2007 erforscht das Borexino-Experiment niederenergetische
Neutrinos von der Sonne und der Erde.
Der Blick in Echtzeit in den Kern der Sonne trägt zum
Verständnis der Fusionsprozesse in Sternen bei und liefert
wertvolle Informationen zu Neutrino-Oszillationen. Nachgewiesene
Geoneutrinos stammen von radioaktivem Zerfall
im Erdinneren, der erheblich zur Erdwärme beiträgt.
Der Ursprung von Masse – Physik jenseits des Standardmodells
Astroteilchenphysik
Die Lage von Double Chooz mit Skizzen der Detektoren.
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt das Verhalten aller bekannten
Elementarteilchen (und entsprechenden Antiteilchen): je 6 Quarks (aus denen Protonen
und Neutronen bestehen) und Leptonen (u. a. Elektronen und Neutrinos). Dazu kommen
4 Eichbosonen (darunter Photonen und Gluonen), die Wechselwirkungen der Teilchen
vermitteln, und das experimentell noch nicht nachgewiesene Higgs-Boson. Maschinen
wie der Large Hadron Collider (LHC) versuchen den Mechanismus der elektroschwachen
Symmetriebrechung aufzuklären, der den Elementarteilchen ihre Massen gibt. Sie sollten
entweder den seit Langem theoretisch postulierten Higgs-Sektor des Standardmodells der
Teilchenphysik oder einen alternativen Mechanismus für die Symmetriebrechung finden.
Der Nachweis von Neutrinomassen lieferte den ersten
klaren Hinweis auf „neue Physik“ jenseits des Standardmodells.
Dazu kommen kosmologische Indizien für die
Existenz Dunkler Energie und DM, denn es gibt keine
solchen Teilchen oder Felder im Standardmodell.
Der Ursprung von Neutrinomassen und -mischungen
wird am MPIK mit grundlegenden theoretischen und
phänomenologischen Studien erforscht. Dass Neutrinos
so leicht sind, erklärt der „Seesaw“-Mechanismus anhand
neuer schwerer Teilchen, die in der Tat von vielen Theorien
jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden. Ihr
Zerfall im frühen Universum kann zu der beobachteten
Materie/Antimaterie-Asymmetrie führen. Gesamtziel ist
ein tieferes Verständnis der fundamentalen Naturgesetze.
Elementarteilchen und ihre Massen.
10 11

IONEN FÜR
HÖCHSTE
PR ÄZISION
Aufbau von Ionenoptik und thermischen Schilden
im neuen ultrakalten Speicherring CSR.
Kerne – Synthese und Struktur
Was können wir aus der exakten Masse von Kernen lernen?
Welchen Einfluss hat die Struktur des Vakuums?
Welche Eigenschaften haben hochgeladene Ionen?
Die chemische Zusammensetzung unseres Universums weist überraschende Besonderheiten
auf: Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium; Eisen ist auf der
Erde viel häufiger als schwere Elemente wie Gold. Die Nukleosynthese durch Fusions-
und Einfangprozesse folgt Reaktionswegen, die teils noch unverstanden sind. Während
Kernfusion bis Eisen führt, werden schwerere Elemente durch Einfang von Protonen oder
Neutronen unter extremen Bedingungen wie in Supernovaexplosionen oder in Akkretionsscheiben
um Schwarze Löcher oder Neutronensterne erzeugt.
Basierend auf Einsteins Prinzip der
Masse-Energie-Äquivalenz werden am
MPIK mittels hochpräziser Massenmessungen
an Nukliden Kernbindungsenergien
bestimmt, die für Reaktionswege
der Nukleosynthese entscheidend sind.
Direkte Massenbestimmung superschwerer
Nuklide überbrückt die Lücke
zur theoretisch vorhergesagten Insel der
Stabilität. Ionenfallen- und Speicherring-Massenspektrometer
ermöglichen
zudem, neue Radionuklide einzufangen
und zu identifizieren. So wurde mit
einer Penningfalle ein neues Radonisotop,
229 Rn, entdeckt. Weiterhin liefern
hochpräzise Massenwerte einen Einblick
in die Struktur exotischer Nuklide wie
Halos (locker gebundene Nukleonen),
Deformation und Schalenabschlüsse.
Quantendynamik
Der Farbcode der Nuklidkarte zeigt die Bindungsenergie pro Nukleon: die stabilsten
Nuklide rund um Eisen sind dunkelblau dargestellt.
13

Ionen für Höchste Präzision
Die PENTATRAP Penningfalle.
Fallen, Speicherringe und Beschleuniger
Am MPIK werden leistungsfähige Techniken in einzigartiger Weise kombiniert, um
Ionen für Präzisionsstudien zu präparieren – vielfach bei sehr tiefer Temperatur.
In Fallen können Ionen durch die Überlagerung elektrischer und magnetischer
Felder in extremem Vakuum gespeichert werden. In einer Penningfalle lässt sich
ein einzelnes Ion speichern, das darin eine charakteristische oszillierende Kreisbewegung
ausführt. Ionenmasse und weitere Eigenschaften folgen aus der Frequenz,
sofern Ladungszustand und Magnetfeldstärke bekannt sind, selbst bei nur Millisekunden
lebenden exotischen Teilchen. Penningfallen-Massenspektrometer
werden am MPIK und an Einrichtungen z. B. der GSI und des CERN betrieben.
In einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) werden durch Beschuss mit energiereichen
Elektronen hochgeladene Ionen erzeugt, eingefangen und auf mehrere
Millionen Grad aufgeheizt. Sowohl in stationären als auch mobilen EBITs wird
atomare Materie unter extremen Bedingungen erzeugt und untersucht, wofür
eine Reihe präziser spektroskopischer Instrumente zum Einsatz kommt.
Für die Forschung mit schnellen Ionenstrahlen betreibt das MPIK eigene
Beschleunigeranlagen, die zum Teil am Institut entwickelt und gebaut wurden.
Der MP-Tandem-Beschleuniger mit dem HF-Linear-Nachbeschleuniger sowie der
Hochstrominjektor und ein Van-de-Graaff-Generator können Ionen nahezu aller
Elemente und kleine Molekülionen in den Schwerionenspeicherring TSR einspeisen.
Der TSR ist ein magnetischer Speicherring mit 55 m Umfang und einem Elektronenkühler
zur Erzeugung kalter Ionenstrahlen. Dies erlaubt eine genau definierte
Präparation der gespeicherten Ionen für Präzisionsexperimente in der Atom- und
Molekülphysik. In den Ring können verschiedene Instrumente integriert werden.
Im elektrostatischen kryogenen Speicherring CSR wird es erstmals möglich
sein, kalte Molekülionen jeglicher Größe und hochgeladene Ionen fast völlig ohne
Einfluss der Umgebung zu untersuchen. Das wird durch extrem niedrigen Druck
Mobile EBIT bei Messungen an der LCLS in Stanford.
und Temperatur im Ring erreicht. Die Technologie wurde zuvor mit einer ultrakalten
elektrostatischen Falle (CTF) getestet, die jetzt für Experimente z. B. an Clusterionen
Verwendung findet. Das innovative mechanische Konzept des CSR wurde in
enger Zusammenarbeit mit dem Konstruktionsbüro und der Feinmechanik-Werkstatt
des MPIK entwickelt und realisiert.
Quantenelektrodynamik – hochpräzise Theorie und Tests
Die moderne Physik basiert auf der Theorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen.
Elektromagnetismus wird von der Quantenfeldtheorie als Austausch sogenannter
virtueller Photonen zwischen geladenen Teilchen beschrieben. Eine andere Folge dieser
Quantenelektrodynamik (QED) ist die Tatsache, dass es keinen leeren Raum gibt, d. h.
das Vakuum mit virtuellen Teilchen gefüllt ist. Obwohl sie – bedingt durch die Quantenunschärfe
– nur für sehr kurze Zeitspannen existieren dürfen, kann mit Hochpräzisionsexperimenten
die Anwesenheit einer durchschnittlichen Anzahl virtueller Teilchen
nachgewiesen werden. Zugleich ist die QED die am besten getestete Theorie der Physik.
Am ausgeprägtesten sind die Effekte in sehr starken Feldern wie in hochgeladenen
Ionen; sie werden mit extrem genauen Messungen der Bindungsenergie von Elektronen
oder der Lebensdauer angeregter elektronischer Zustände untersucht. Die Experimente
am MPIK nutzen gefangene Ionen und Elektronenstrahlen in einer EBIT oder einem Speicherring.
Theoretiker des Instituts führen QED-Rechnungen höherer Ordnung, speziell
für Mehrteilcheneffekte, in enger Zusammenarbeit mit den Experimentatoren durch.
Andere QED-Effekte betreffen die magnetischen Eigenschaften geladener Teilchen. An
einzelnen Ionen leichter Elemente mit nur einem Elektron in einer Penningfalle kann das
magnetische Moment eines gebundenen Elektrons sehr genau gemessen werden. Dies
ermöglicht nicht nur, die QED-Vorhersagen für gebundene Zustände präzise zu überprüfen,
sondern auch Naturkonstanten wie die Elektronenmasse genauestens zu bestimmen.
Hochgeladene Ionen – Materie unter extremen Bedingungen
Hochgeladene Ionen finden sich in mehr als eine Million Grad heißen Umgebungen:
Atmosphären und Kerne von Sternen, Supernovaüberreste, Akkretionsscheiben
um Neutronensterne oder Schwarze Löcher oder das bisher
weitgehend unerforschte warm-heiße intergalaktische Medium. Man geht
davon aus, dass die meiste sichtbare Materie im Universum hoch ionisiert
ist. Die Analyse des beobachteten Lichts (sichtbar, UV, Röntgen) erfordert
theoretische Unterstützung durch Strukturberechnungen, die jedoch oft
nicht genau genug sind, um z. B. die Temperatur des heißen Mediums zu
bestimmen. Hochpräzisions-Spektroskopie an kontrolliert erzeugten hochgeladenen
Ionen in einer EBIT liefert direkte experimentelle Information.
Diese Messungen reproduzieren z. B. die Photoionisation von Fe 14+ - und
Fe 15+ -Ionen in Akkretionsscheiben im Labor und liefern sehr genaue Daten,
mit denen die theoretischen Modelle getestet werden können.
Quantendynamik
Vakuumfluktuationen: virtuelle
Paarerzeugung und ­vernichtung
Spektrum von Fe 15+ ­Ionen, wie sie in Akkretionsscheiben
vorkommen.
14 15

BILDER
AUS DEM
MIKROKOSMOS Eine
Mit der CAMP­Apparatur gemessenes FEL­Röntgenbeugungsbild
eines Mimivirus und seine Struktur.
Was passiert bei Kollisionen von Atomen oder Molekülen?
Wie bilden sich Moleküle im Weltraum?
Wie können Molekülreaktionen beobachtet und gesteuert werden?
Atomare und molekulare Stöße – Abbildung der Fragmente
Quantendynamik
Korrelierte Quantendynamik ist aktuell eine der großen Herausforderungen für die
Forschung. Wissenschaftler am MPIK erforschen die grundlegenden Prinzipien der
Quantendynamik, ausgehend von einer begrenzten Anzahl weniger wechselwirkender
Teilchen in Atomen und Molekülen und mit ersten spannenden Ergebnissen an komplexeren
endlichen Quantensystemen wie Clustern oder sogar großen biologischen Systemen.
Stöße geladener Teilchen (Elektronen, Ionen) mit Atomen, Molekülen, Clustern
und Oberflächen eröffnen einen Zugang zu Quantensystemen. Am MPIK entwickelte
neuartige multi-koinzidente Abbildungstechniken liefern umfassende Informationen zur
Mehrteilchendynamik. So erlaubt die Untersuchung von Einfach- und Doppelionisation
durch Elektron- oder Positronbeschuss bei vollständiger Erfassung der emittierten Elektronen
einen Test der Theorien für die einfachsten 3- bzw. 4-Teilchenreaktionen.
Detaillierte Studien der Reaktionsdynamik erfordern
hohe instrumentelle Auflösung sowie kalte Targets und
Projektile. Sonst würden die Bilder durch thermische
Bewegung verwackelt. Ein neuer Aufbau kombiniert dazu
die Kühlung im TSR mit einer magneto-optischen Falle.
Die Quantenphysik von Molekülen hat vielfältige Auswirkungen
und bestimmt das Produkt aller Arten von
chemischen Reaktionen. Forscher am MPIK untersuchen
molekulare Systeme und ihre Wechselwirkungen unter
strikt kontrollierten Bedingungen mit verschiedenen, sich
ergänzenden Methoden. Besonders leistungsfähig ist hier
Fragment-Spektroskopie mit gespeicherten und gekühlten
schnellen Ionenstrahlen (z. B. im TSR): Moleküle werden
von Elektronen gespalten und die Fragmente einzelner
Ereignisse beobachtet und abgebildet.
magneto­optische Falle, integriert in ein Reaktionsmikroskop.
17

Bilder aus dem Mikrokosmos
Das Puzzle der kosmischen Chemie in interstellaren Wolken.
Schema eines Reaktionsmikroskops.
Eine ungelöste Frage ist die Bildung organischer Verbindungen
in interstellaren Wolken. Diese komplexe
Chemie basiert auf Ionen und Radikalen, die in Stößen mit
Photonen und kalten Elektronen entstehen. Der Aufbruch
von Molekülen nach Einfang eines Elektrons („dissoziative
Rekombination“) wird im TSR genau untersucht. Dabei
+ spielt das H -Molekül eine Schlüsselrolle. Ein anderes
3
Beispiel ist die dissoziative Rekombination von Hydronium,
bei der heiße, aber langsame Wassermoleküle entstehen –
die Reaktionsenergie wird auf Molekül-Schwingungen und
-Rotationen übertragen. Das erklärt die beobachtete Infrarotstrahlung
heißer Wassermoleküle auf Kometen.
Der Ladungsaustausch in Stößen von aus einer EBIT
extrahierten hochgeladenen Ionen mit neutralen Atomen
wird im Reaktionsmikroskop untersucht. Im TSR kollidieren
intensive, energiearme Elektronenstrahlen mit hochgeladenen
Ionen unter den Bedingungen astrophysikalischer
Plasmen, die von Röntgenstrahlen aufgeheizt sind.
Reaktionsmikroskope und andere abbildende Systeme
Reaktionsmikroskope (REMI) – „die Blasenkammern der Atom- und Molekülphysik“
– wurden am MPIK entwickelt und werden ständig weiter verbessert. Ultrastarke
Laserpulse oder ein Teilchenstrahl zerbrechen einfache Moleküle. Die Fragment-Ionen
und Elektronen werden mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder
eingefangen und mit großflächigen zeit- und ortsempfindlichen Detektoren registriert.
Aus den rekonstruierten Flugbahnen der Fragmente können ihre vollständigen
Impulsvektoren abgeleitet werden („kinematisch vollständige Experimente“).
Kürzlich wurde ein neues REMI mit ultrakalten Lithiumatomen als Target in einer
magneto-optischen Falle (MOT) in den TSR integriert. Die Instrumente werden im
Haus und an externen Lichtquellen wie Freie-Elektronen-Lasern (FEL) eingesetzt.
Weitere REMIs dienen Experimenten mit einzelnen Attosekundenpulsen am MPIK
und anderen Instituten. Sowohl neutrale als auch geladene Fragmente schneller
Ionenstrahlen, die mit energiereichen Photonen wechselwirken, werden in Koinzidenz
vom TIFF-Aufbau abbildend detektiert.
Die technologische Entwicklung gipfelt im CFEL-ASG Multi-Purpose (CAMP)
Instrument. Sein einzigartiges Merkmal ist die simultane Impuls-Abbildung der
ausgestoßenen Ionen, Elektronen und Photonen. Dafür wurden großflächige
Lichtsensoren, pnCCDs, eingebaut. Entwicklung und Betrieb von CAMP sind ein
Gemeinschaftsprojekt der vom MPIK geführten Max Planck Advanced Study Group
(MP-ASG) am Center for Free Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg.
Ferner identifiziert ein Siliziumstreifendetektor neutrale Fragmente schneller
Molekülionenstrahlen im TSR und misst ihre Geschwindigkeiten.
Das Ultraschnelle erkunden – Elektronen-Holografie und Moleküldynamik
Seit den Anfängen der Quantenmechanik träumen Physiker davon, der korrelierten
Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen zuzuschauen. Dies ist aber schwierig,
denn eine einfache Abschätzung zeigt, dass sich Elektronen auf Zeitskalen von zehn Attosekunden
(1 as = 10 –18 s) in den äußeren Schalen von Atomen oder Molekülen bewegen.
Zeitaufgelöste Experimente beruhen auf ultrakurzen Laserpulsen, mit denen die
atomare oder molekulare Dynamik extrem präzise gesteuert werden kann. Elektronen, die
durch ein starkes Laserfeld von einem Atom getrennt und hin- und hergetrieben werden,
kehren zu ihrem Mutterion zurück und sondieren dabei seine Struktur. Die Wellennatur
des Elektrons erzeugt Interferenzeffekte wie in einem Hologramm, dessen Auswertung
die zeitabhängige Wechselwirkung mit den restlichen Elektronen des Atoms ergibt.
Meist wird eine ‚Pump-Probe‘-Anordnung eingesetzt, d. h. der erste ‚Pump‘-Laserpuls
präpariert das System in der gewünschten Weise und startet die zeitliche Entwicklung,
die dann vom zweiten Laserpuls abgetastet wird. So können Molekülbewegungen wie
Schwingung und Rotation verfolgt und mit Filmen die Dynamik dieser Quantensysteme
veranschaulicht werden. Die Beobachtung chemischer Reaktionen in Echtzeit bei Femtosekundenauflösung
ist eines der vielversprechendsten Forschungsgebiete an FELs. In
Kombination mit der REMI-Technologie konnte sogar die ultrakurze Zeitspanne bestimmt
werden, die eine Isomerisierung – die Umlagerung von Atomen innerhalb eines Moleküls
– benötigt, die auch im Sehvorgang oder bei der Photosynthese eine wichtige Rolle spielt.
Die hohen Intensitäten von FELs ermöglichen außerdem Mehrphotonenprozesse in
Atomen oder sogar Kernen im UV- und Röntgenbereich.
Die Röntgen-Revolution – Abbildung komplexer Strukturen
Quantendynamik
Berechnetes Hologramm eines
Elektrons aus einem He­Atom.
Eines der höchsten Ziele der Forschung an Röntgen-FELs ist es, die atomare Struktur
nicht kristallisierbarer Biomoleküle oder von Komplexen wie Membranproteinen,
Bakterien, Viren oder Zellen zu bestimmen. Zeitaufgelöste Messungen sollen biologische
oder biochemische Vorgänge beobachten. Die Studien dienen nicht nur dazu, die biologische
Funktionsweise dieser Einheiten zu verstehen, sondern tragen auch zur
Entwicklung neuartiger Medikamente bei.
Das Prinzip besteht darin, ein einzelnes Molekül, Cluster oder Virus mit
vielen Röntgenphotonen in einem ultrakurzen Puls zu beleuchten, um in der
kurzen Zeitspanne bevor das Objekt zerstört wird mit einem einzigen Schuss
genügend Streulicht zu erhalten. Das von den gestreuten Photonen erzeugte
charakteristische Beugungsbild verrät wie ein Fingerabdruck Details der
dreidimensionalen Struktur des Objekts. Photonen und geladene Bruchstücke
werden mit der CAMP-Apparatur simultan registriert.
Erste Messungen an Atomen, Molekülen, Clustern und einigen biologischen
Proben wie dem Mimivirus erwiesen sich als sehr erfolgreich und
vielversprechend für zukünftige Experimente, die Strukturen komplexer
Systeme in der Nanowelt erkunden sollen.
Blick ins Innere des CAMP­Instruments.
18 19

DIE
EXTREME
ERKUNDEN
Ein materieloser Doppelspalt: Licht wird an Licht gestreut. Ursache
sind modifizierte Vakuumfluktuationen in ultrastarken Laserfeldern.
Wie wechselwirkt Materie mit intensivem Laserlicht?
Was beinhaltet nukleare Quantenoptik?
Wie wirken sehr starke Felder auf das Vakuum?
Materie in starken Laserfeldern – Blick in die Zukunft
Die Erforschung der Wechselwirkung von Materie mit Laserpulsen ist so weit fortgeschritten,
dass grundlegende Aspekte wie die Quantennatur von Licht und Materie, Relativität
und Kopplungen unter den beteiligten Teilchen in den Fokus rücken und zugleich
eine Herausforderung darstellen. Theoretisch werden die Effekte extrem starker Felder
untersucht, die experimentell noch nicht, aber wohl in naher Zukunft, zugänglich sind.
Wenn intensive Laserfelder auf Materie treffen, koppeln die Elektronen stark an das
äußere Feld und absorbieren so effizient Energie daraus. Dabei können sie so schnell
werden, dass relativistische Effekte eine wichtige Rolle spielen. Dies erfordert die Suche
nach Lösungen der zeitabhängigen Schrödinger- und Dirac-Gleichungen einschließlich
Elektronen-Korrelationen. Insbesondere die Kopplung von Elektronen benachbarter
Atome kann in Reaktionen interessante Phänomene des Energietransfers hervorrufen.
Kollektive Effekte in atomaren Systemen in starken Laserfeldern beruhen auf freigesetzten
Elektronen. Vom starken Feld hin- und hergetrieben, können sie ihre Energie bei
Rekollision mit ihrem Mutterion in kohärente, ultrakurze Röntgenpulse umwandeln. Bei
sehr hohen Intensitäten treibt der „Lichtdruck“ das Elektron vom Atom weg und verhindert
die Rekollision. Nach neuen Rechnungen könnten gegenläufige Laserpulse diesen
Effekt umgehen und die Erzeugung noch energiereicherer Röntgenpulse ermöglichen.
Leichte atomare Ionen, von einem Laserstrahl aus einem Target geschlagen und vorbeschleunigt,
können mit eng fokussierten, extrem starken gekreuzten Laserstrahlen direkt
beschleunigt werden. Der resultierende Ionenstrahl erreicht die Intensität, Energie und
Qualität, die für medizinische Anwendungen erforderlich sind.
Der große Erfolg quantenoptischer Methoden mit Atomen im optischen Frequenzbereich
wirft die Frage auf, ob ähnliche Techniken auch auf Kerne angewandt werden
könnten. Mit dem Aufkommen neuer Lichtquellen wie dem Röntgen-FEL (XFEL) und
effizienter Beschleunigeranlagen gewinnen die nukleare Quantendynamik und Kernquantenoptik
zunehmend an Bedeutung. Das würde einerseits Präparation, Kontrolle und
Quantendynamik
Energieübertragung von Ion A
auf Atom B bei Rekombination.
Laserbeschleunigung von Ionen.
21

Die Extreme erkunden
Detektion in der Kernphysik voran bringen und andererseits die Tür zu kohärenten und
nicht-klassischen Effekten im Röntgenbereich öffnen. Kollektive Effekte für neuartige
Röntgenquellen und Methoden zu deren Kontrolle werden theoretisch erkundet.
Ein anderes Thema ist die zeitliche Entwicklung eines Quark-Gluon-Plasmas (QGP),
das in Hochenergie-Stößen für extrem kurze Zeit und mit der Größe eines Kerns erzeugt
werden kann. Das QGP emittiert Gammastrahlen, aber zwischendurch nicht in alle Richtungen,
so dass Doppelpulse beobachtbar sind. Dieser Materiezustand entspricht dem des
Universums kurz nach dem Urknall, als die Temperatur so hoch war, dass die Bestandteile
der Atomkerne, die Protonen und Neutronen, in Quarks und Gluonen zerlegt waren.
Lasersysteme
“Chirped mirror”-Anordnung für ultrakurze Laserpulse.
Zeitliche Entwicklung eines Quark­Gluon­Plasmas (orange), das einen Doppelpuls in
Richtung des grünen Detektors aussendet.
In den Laserlaboren des Instituts stehen phasenkontrollierte
Laserpulse von 5 fs Dauer und Intensitäten bis
zu 10 16 W/cm 2 für Experimente zur Verfügung. Noch
kürzere Pulse von einigen Attosekunden (1 as = 10 –18 s)
Dauer werden mit speziellen nichtlinearen optischen
Methoden erzeugt. Die hohe harmonische, kohärente
Strahlung im extremen UV-Bereich wird mit den breitbandigen
IR-Pulsen des Ti:Saphir-Lasers kombiniert
eingesetzt.
Es werden einzelne und auch doppelte und
dreifache Attosekundenpulse erzeugt, um damit gasförmige
Proben interferometrisch zu untersuchen. Für
Pump-Probe-Messungen kann die Zeitverzögerung
zwischen zwei Pulsen attosekundengenau exakt eingestellt
werden. Zusammen mit Spektroskopie oder
abbildenden Detektoren lassen sich so die Quantenbewegungen
von Kernen und Elektronen bei chemischen
Reaktionen direkt und zeitaufgelöst beobachten (und kontrollieren). Das MPIK ist
einer der fünf MPG-Partner im “Max Planck Centre for Attosecond Science”.
Außerdem nutzen MPIK-Forscher die UV- und Röntgenpulse der Freie-Elektronen-Laser
in Hamburg (FLASH), Japan (SCSS) und Stanford (LCLS), und sie tragen zu
der zukünftigen Infrastruktur für extremes Licht, ELI, bei.
Starkfeld-Quantenelektrodynamik – das Vakuum modifizieren
Theoretiker beschäftigen sich auch mit der Elektrodynamik in extrem starken Feldern.
Neben hochpräzisen Berechnungen der inneren Struktur von Materie (z. B. hochgeladene
Ionen) behandelt die Theorie Grundlagen der radiativen Reaktion: Ein in einem elektromagnetischen
Feld beschleunigtes geladenes Teilchen emittiert elektromagnetische
Strahlung, die dann auf die Teilchenbewegung rückwirkt. Die zugrunde liegenden Fragen
können mit intensiven Laserfeldern experimentell angegangen werden. Quanteneffekte
der radiativen Reaktion von Elektronen sollten mit heutigen Lasersystemen zugänglich
sein. Dies hat auch für Mehrteilchen-Ensembles wie relativistische Plasmen Bedeutung.
Sehr starke elektrische Felder beeinflussen auch die geladenen virtuellen Teilchen im
Quantenvakuum. Das hat zur Folge, dass das Vakuum polarisiert wird und seine optischen
Eigenschaften ändert, was mit einem zusätzlichen schwachen Laser festgestellt werden
kann: An einem materielosen Doppelspalt, den nahen Brennpunkten zweier ultraintensiver
Laserstrahlen, wird das Licht eines Probelasers gestreut. Genügend starke Lasersysteme
werden an künftigen europäischen Forschungseinrichtungen verfügbar sein.
Bei ausreichend hohen Feldstärken wird das Vakuum sogar ‚ionisiert‘, indem virtuelle
Elektron-Positron-Paare getrennt werden und genug Energie erhalten um real zu werden.
Impulsspektroskopie an solchen, in stehenden Laserfeldern erzeugten Paaren könnte
einen „Fingerabdruck“ des Vakuums liefern, aber die erforderliche Laserleistung ist noch
nicht ganz erreicht. Würde die Paarerzeugung durch Wechselwirkung mit hochenergetischen
Elektronen oder Protonen unterstützt, wären moderate Laserintensitäten ausreichend.
Experimente wären möglich mit den starken Laserpulsen von ELI, Elektronen aus
dem XFEL-Strahl am DESY oder Protonen vom LHC am CERN.
Der Serverraum im Keller des Bothelabors.
Quantendynamik
22 23
-3
-4
4
3
2
1
0
-1
-2
“Fingerabdruck” des Quantenvakuums.

Eine 5-Achsen-CNC-Fräsmaschine
in der Ausbildungswerkstatt.
Zeichnung von MoREx, der mobilen
Radon-Extraktionsanlage.
Eine 10-Schichtenplatine für eine
künftige Tscherenkow-Kamera.
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Infrastruktur des Instituts
Die zentralen Computeranlagen bieten den Nutzern Rechenleistung und Speicherplatz.
Zur Verarbeitung von Aufträgen stehen Linux-Farmen zur Verfügung. Diese
bestehen aus 400 Servern mit über 2 000 Prozessorkernen und mehr als 4 Terabyte
RAM. Daten von Experimenten, Auswertungen und Simulationen werden auf rund
1 400 Festplatten gespeichert, wobei das gesamte Filesystem eine Kapazität von
über 1,7 Petabyte bietet. Um den simultanen Zugriff auf die Daten zu beschleunigen,
ist der meiste Speicherplatz als paralleles Filesystem organisiert. Eine zentrale
Magnetbandbibliothek dient der Datensicherung und als Langzeitarchiv.
Sowohl die zentrale Feinwerktechnik- als auch die Ausbildungswerkstatt sind mit
modernen CNC-gesteuerten und konventionellen Fräs- und Drehmaschinen ausgestattet.
Verschiedene Schweiß- und Löttechniken kommen bei der Herstellung
von Vakuumapparaturen zum Einsatz. Bearbeitet wird ein breites Spektrum von
Materialien wie Stähle, Kupfer, Titan, Tantal, Molybdän sowie Keramiken und
Kunststoffe. Die Werkstücke werden mit einer 3D-Messmaschine kontrolliert. Spezialisierte
Werkstätten kümmern sich um einzelne Großexperimente.
Im Konstruktionsbüro werden mittels eines 3D-CAD-Systems die meisten Bauteile
für wissenschaftliche Experimente entwickelt, die dann in den feinmechanischen
Werkstätten gebaut werden. Das CAD-System liefert frei drehbare 3-dimensionale
Ansichten, technische Zeichnungen für die Produktion, Daten zur Steuerung der
CNC-Maschinen und Listen aller benötigten Materialien. Außerdem ermöglicht die
Software numerische Simulationen zum vorherigen Testen der Komponenten.
Elektronik zur Experimentsteuerung und Datenerfassung wird im zentralen Elektroniklabor
und der Ausbildungswerkstatt entwickelt und gebaut – kommerziell
erhältliche Geräte erfüllen die experimentellen Anforderungen häufig nicht. Ein
neuer Schaltplan wird in das Layout einer Platine übersetzt, die im Haus gefertigt
und bestückt sowie vor ihrer Integration in ein Experiment getestet wird. Außerdem
werden elektronische Geräte gewartet und repariert. Einige Elektroniker arbeiten
ständig für bestimmte Experimente.
Die Bestände der Institutsbibliothek umfassen etwa 25 000 Monographien,
Buchserien, Konferenzberichte, am Institut entstandene Hochschulschriften und
rund 5 000 Zeitschriftenbände. Die Bibliothek bietet Zugang zu einer Reihe von
E-Büchern, Online-Lexika, Datenbanken und über 1 200 E-Journalen in Physik. Das
MPIK beteiligt sich an den Open-Access-Aktivitäten der MPG. Das Publikations-
Managementsystem PubMan bietet die Möglichkeit, Publikationen und ergänzendes
Material zu veröffentlichen und individuelle Publikationslisten zu erstellen.
Das Foyer vor der Bibliothek und dem Hörsaal.
Der großzügige Institutscampus ist 200 m über der Stadt im Wald gelegen. Hauptgebäude
sind das Walther-Bothe- und das Wolfgang-Gentner-Laboratorium mit
Laboren und Büros. Im Zentrum des Campus’ befindet sich die Bibliothek mit
Hörsaal für 200 Personen und Seminarraum, die für kleine Konferenzen geeignet
sind. Der Beschleunigerhallen-Komplex ist das größte Gebäude auf dem Campus;
dazu kommen die beiden Werkstattgebäude sowie Gästehäuser und diverse
Nebengebäude. Nachbar ist das European Molecular Biology Laboratory (EMBL).

Hausanschrift:
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1
69117 Heidelberg
Postanschrift:
Max-Planck-Institut für Kernpyhsik
Postfach 103980
69028 Heidelberg
Tel: 06221 5160
Fax: 06221 516601
E-Mail: info@mpi-hd.mpg.de
Internet: http://www.mpi-hd.mpg.de