Förderung der Suche nach dunkler Materie

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 fördert die Projekte ab diesen Monat 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 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 Karlsruher Forschenden 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.

„Die finanziellen Mittel sind entscheidend, um die Forschung auf höchstem Niveau fortzusetzen und neue wissen­schaftliche Erkenntnisse zu gewinnen“, sagt Markus Klute, Leiter des Instituts für Experi­mentelle Teilchenphysik  ETP. „Die experimentelle Teilchenphysik ist dank dieser Unterstützung durch das BMBF für die kommenden Heraus­forderungen gut aufgestellt.“ Mit der Förderung wollen die Arbeitsgruppen 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 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.

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 Günter Quast, der mit seiner Arbeitsgruppe am ETP zu diesen Entwicklungen beiträgt.

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 Ulrich Husemann, der am ETP für die Detektor­entwicklung verantwortlich ist.

KIT / JOL