Hochpräzise Systeme für die experimentelle Elementarteilchenforschung

Für die experimentelle Erkundung der kleinsten Bausteine der Materie und ihrer Wechselwirkungen nutzen Forschende hochpräzise Detektoren. Wenn zum Beispiel im Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider, kurz LHC, am europäischen Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN bei Genf Protonen aufeinanderprallen, werden die bei der Kollision entstehenden Sekundärteilchen durch hausgroße Detektoren registriert. „Bei den Experimenten finden 40 Millionen Mal in der Sekunde Teilchenkollisionen statt“, erläutert Frank Simon. Die Forschenden wollen wissen, welche Teilchen dabei entstanden sind, welche Energie sie haben, in welche Richtung sie sich bewegten, und sie wollen mikrometergenau bestimmen, wo die Teilchen vorbeigeflogen sind. „Durch künftig noch präzisere Messungen wollen wir auch den Zeitpunkt möglichst genau bestimmen und erkennen, bei welcher der vielen nahezu gleichzeitigen Kollisionen die Teilchen entstanden sind“, sagt Simon.

Im Prinzip arbeiten Teilchendetektoren wie eine Handykamera, in der durch Licht erzeugte, sehr kleine Signale elektronisch verstärkt und in digitale Daten umgewandelt werden, welche sich am Computer auslesen lassen. Der Teilchenphysiker arbeitet an der Entwicklung der nächsten Generation hochempfindlicher Detektorsysteme, die mit noch höherer Präzision arbeiten. „Am IPE befassen wir uns mit der gesamten Kette von der Entwicklung der Sensoren über die Echtzeitverarbeitung der elektronischen Signale bis zur Analyse und dem Sichtbarmachen der Daten“, so der Experte. Nach der Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012 gehe es für zukünftige Experimente unter anderem darum, durch Präzisionsmessungen mehr über die Eigenschaften dieses kurzlebigen Teilchens zu erfahren. Um dabei mit immer größer werdenden Datenmengen umgehen zu können, forscht das IPE an neuen Wegen für eine leistungsfähigere und energieeffiziente Datenauslese, die, in gemeinsamen Projekten mit Partnerinstituten am KIT und darüber hinaus, auch für Quantencomputer von Bedeutung sind. Am IPE entwickelte Detektoren unterstützen unter anderem die Forschung des Karlsruhe Tritium Neutrino Experiments, kurz KATRIN, zudem ist das Institut unter anderem am CERN und am Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien Teil der internationalen Forschung.

Simon, der an Großexperimenten am CERN, am Brookhaven National Laboratory in New York und am japanischen Beschleunigerlabor KEK in der Nähe von Tokio geforscht hat, war für ein Jahr am CERN und von 2005 bis 2007 am MIT. Derzeit ist er Vorsitzender des Komitees für die LHC-Experimente am CERN. Darüber hinaus ist er Mitglied des Gutachterausschusses für Teilchen-, Hadronen- und Kernphysik des Bundesministeriums für Bildung und Forschung sowie weiterer internationaler Beratungsgremien. Innerhalb eines durch ECFA (European Committee for Future Accelerators) angestoßenen Strategieprozesses befasst er sich mit der Zukunft der Detektorentwicklung. Vor allem in Europa, aber auch darüber hinaus, etwa durch Kooperation mit Japan und den USA. Bevor Simon die Leitung des IPE übernahm, forschte er am Max-Planck-Institut für Physik in München und war Sprecher der internationalen CALICE-Kollaboration zur Entwicklung hochgranularer Kalorimeter für die Messung der Energie von Teilchenschauern. (afr)

Der Presseservice des KIT stellt gerne den Kontakt zwischen den Medien und Prof. Frank Simon her.

Fotonachweis:
Hochleistungsboard für die Datenerfassung des CMS-Experiments am LHC: Amadeus Bramsiepe, KIT
Porträt Prof. Frank Simon, IPE: Amadeus Bramsiepe, KIT