Wie entstand das Universum? Warum verhalten sich die fundamentalen Bausteine der Materie so, wie sie sich verhalten? Woraus besteht die Dunkle Materie, die den Großteil der Masse im Universum ausmacht? Mit den großen Teilchendetektoren CMS am CERN in Genf in der Schweiz und Belle II am KEK in Tsukuba in Japan gehen Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit internationalen Partnern diesen Fragen nach. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Projekte am KIT ab dem 1. Juli 2024 für die nächsten drei Jahre mit 8,2 Millionen Euro und stärkt so die Weiterentwicklung der experimentellen Teilchenphysik.
Um die elementaren Fragen rund um die kleinsten Bausteine der Materie beantworten zu können, braucht es die größten Experimentieranlagen, die je gebaut wurden: gewaltige Teilchenbeschleuniger und Detektoren, welche die Spuren der Teilchenkollisionen aufzeichnen. Ebenfalls notwendig ist eine effiziente Infrastruktur, um die riesigen Datenmengen zu verarbeiten, zu speichern und bereitzustellen. Der Compact Muon Solenoid (CMS) am Large Hadron Collider (LHC), ein Teilchenbeschleuniger des CERN, und der Belle II-Detektor am SuperKEKB-Beschleuniger des KEK sollen das leisten. An beiden Projekten sind die Forschenden des KIT von Anfang an beteiligt. Dabei bewegen sie sich immer an der Grenze des technisch Machbaren und planen langfristig die Weiterentwicklung der Experimentieranlagen. Während sie den erfolgreichen Betrieb der Detektoren gewährleisten und die gesammelten Daten auswerten, konstruieren sie gleichzeitig Komponenten für die nächste Ausbaustufe der Experimente und entwickeln die Dateninfrastruktur vorausschauend weiter. Auch an die Detektoren von übermorgen denken die Forschenden, indem sie neue Konzepte entwickeln.
Diese Projekte, die maßgeblich vom Institut für Experimentelle Teilchenphysik (ETP) des KIT mit Partnern aus den Fachbereichen Elektronik und Informationsverarbeitung vorangetrieben werden, fördert das BMBF in den nächsten drei Jahren mit insgesamt 8,2 Millionen Euro. „Die finanziellen Mittel sind entscheidend, um die Forschung auf höchstem Niveau fortzusetzen und neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen“, sagt Professor Markus Klute, Leiter des ETP. „Die experimentelle Teilchenphysik ist dank dieser Unterstützung durch das BMBF für die kommenden Herausforderungen gut aufgestellt.“
Weiterentwicklung der Experimente
Mit der Förderung wollen die Arbeitsgruppen am KIT unter anderem das Higgs-Boson mithilfe der CMS-Daten so präzise wie noch nie vermessen und Antworten auf die drängendsten Fragen im aktuellen Verständnis vom Aufbau der Materie finden. Die Forschung der Karlsruher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler innerhalb des Belle II-Experiments zielt darauf ab, bisher unbekannte Teilchen der Dunklen Materie zu finden und Erklärungen für die Asymmetrie von Materie und Antimaterie zu suchen. „Um aus den Millionen Kollisionen pro Sekunde die seltenen Ereignisse herauszufiltern, die uns interessieren, reichen bestehende Methoden künftig nicht mehr aus“, so Professor Torben Ferber, der die Belle II-Arbeitsgruppe am ETP leitet. Daher entwickelt sein Team gemeinsam mit Gruppen aus der Elektronik und der Technischen Informationsverarbeitung ultraschnelle Algorithmen, um die Leistungsfähigkeit der Teilchendetektoren zu steigern.
Verarbeitung großer Datenmengen mit GridKa
Das Großrechenzentrum GridKa am KIT spielt eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung und Analyse großer Datenmengen in der Teilchenphysik. Um diese Datenmengen auch künftig zu bewältigen, treiben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT die Anpassung der IT-Infrastruktur voran. „Angesichts der weltweiten Ressourcenverknappung und des wachsenden Bewusstseins, möglichst sorgsam mit den vorhandenen Ressourcen in allen Bereichen umzugehen, liegt der Fokus unserer Entwicklungsarbeiten darauf, alle Prozesse hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und Nachhaltigkeit zu optimieren“, sagt Professor Günter Quast, der mit seiner Arbeitsgruppe am ETP zu diesen Entwicklungen beiträgt.
Künftige Detektoren
In den Reinräumen und Laboren am KIT werden schon heute Komponenten des zukünftigen CMS-Detektors gebaut, die ab 2029 im dann überarbeiteten Beschleunigerkomplex des CERN zum Einsatz kommen. „Außerdem entwickeln wir gemeinsam mit Gruppen aus dem Fachbereich Elektronik neue Konzepte für siliziumbasierte Detektoren und erforschen deren Anwendbarkeit für die nächste Generation von Teilchenbeschleunigern“, erläutert Professor Ulrich Husemann, der am ETP für die Detektorentwicklung verantwortlich ist und damit die jahrzehntelange Tradition der Karlsruher Forschung auf diesem Gebiet fortsetzt.
Weitere Informationen: Institut für Experimentelle Teilchenphysik
Details zum KIT-Zentrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik
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Grundlagenforschung Foerderung der Suche nach Dunkler Materie und neuer Physik