Forschung am IAP

Das Institut für Astroteilchenphysik (IAP) erforscht fundamentale Rätsel der Natur an der Schnittstelle von Kosmologie, Astrophysik und Elementarteilchenphysik. In Zusammenarbeit mit internationalen Forschungseinrichtungen betreibt das IAP experimentelle Grundlagenforschung auf den Gebieten der Teilchen- und Astroteilchenphysik.

Lesen Sie hier mehr über unsere Arbeitsgruppen und die internationalen Großexperimente, die die Natur und Herkunft der kosmischen Strahlung, die Eigenschaften von Neutrinos und die Zusammensetzung der Dunklen Materie untersuchen.

Das KATRIN-Experiment am KIT

Das Ziel von KATRIN ist, über das β-Spektrum aus dem Zerfall des Tritiums die Masse des Elektron-Neutrinos bis zu 0,2eV/c² einzugrenzen oder zu bestimmen. Die bisherige Grenze liegt bei 2,3 eV/c². KATRIN wird am Karlsruher Tritium-Labor von einer internationalen Kollaboration aufgebaut, mehrere KIT-Institute sind beteiligt. Das IAP ist federführend beim Bau der Spektrometertanks und wirkt in vielen anderen Bereichen mit.

Das Tritium Labor Karlsruhe (TLK) am KIT

Das Anfang der neunziger Jahre gegründete Tritiumlabor Karlsruhe ist ein in Europa und Amerika einzigartiges Halbtechnikum mit einer Umgangsgenehmigung für 40 g (1,5*10^16 Bq) Tritium, 100 kg abgereichertes Uran sowie Rubidium und Krypton als Prüfstrahler zu Kalibrierzwecken. Auf einer Experimentierfläche von mehr als 1100 Quadratmetern stehen mehr als 20 Handschuhkastensysteme mit einem Volumen von insgesamt rund 160 Kubikmetern als Einschluss für die tritiumführenden Versuchsapparaturen zur Verfügung. Gründungsaufgabe des TLK  ist  die  Entwicklung  von  Technologien  für  den  Brennstoffkreislauf  von  Fusionsreaktoren. Der aktuelle Arbeitsschwerpunkt liegt im Betrieb der Tritiumquelle von KATRIN und der damit verbundenen notwendigen F&E Aufgaben.

Das Pierre-Auger-Observatorium in Malargüe, Argentinien

Beim weltweit größten Luftschauerexperiment, dem Pierre-Auger-Observatorium, ist das IAP im Bereich Konzeption und Aufbau der Fluoreszenz-Teleskope sowie der Datenaufnahme- und Triggerelektronik beteiligt. Die Teleskope weisen Schauer höchster Energien direkt durch Fluoreszenz-Licht nach. Auf einer Fläche von ca. 3000 km² wird die Myon-Komponente in 1600 wassergefüllten Detektortanks am Boden nachgewiesen.

Das IceCube-Observatorium am Südpol

Das Neutrino Observatorium IceCube befindet sich am Südpol und besteht aus optischen Modulen, die über einen Kubikkilometer arktischen Eises verteilt sind. Die schwer fassbaren Neutrinos sind ausgezeichnete kosmische Boten, die möglicherweise extreme astrophysikalische Quellen anzeigen und Einblick in Prozesse geben, die an der Entstehung hochenergetischer Teilchen beteiligt sind. Darüber hinaus verfügt IceCube über einen Oberflächendetektor IceTop für kosmische Strahlung. Unsere Gruppe am KIT arbeitet hauptsächlich am Upgrade von IceTop sowie an der nächsten Generation des IceCube Experiments, IceCube-Gen2. Beim ERC-Projekt PeV-Radio geht es um eine Erweiterung von IceTop mit Radioantennen.

Die direkte Suche nach Dunkler Materie

Dunkle Materie sollte durch Streuung einzelner DM-Teilchen an Atomkernen nachzuweisen sein, wobei solche Streu-Ereignisse extrem selten erwartet werden und nur sehr kleine Signale erzeugen. Als Targetmaterial wird deshalb hochreines flüssiges Xenon (XENONnT, DARWIN) oder kryogene Germanium-Monokristalle (EDELWEISS) verwendet. Das IAP ist an solchen Experimenten zur direkten Suche nach DM beteiligt, bei der Konzeption, dem Aufbau und Betrieb wie auch bei der Datennahme und Analyse der Experimentdaten.

Theoretische Astroteilchenphysik

Astroteilchenphysik verbindet Erkenntnisse der Elementarteilchenphysik mit Kosmologie und astrophysikalischen Phänomenen. Durch das Wechselspiel von micro- und macro-Kosmos suchen wir nach neuer fundamentaler Physik und erforschen die Entwicklung des Universums. Die Arbeitsgruppe Theoretische Astroteilchenphysik am IAP beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Neutrinophysik sowie dem Problem der Dunklen Materie im Universum. In diesem Kontext arbeiten wir an der Phänomenologie theoretischer Modelle sowie der Interpretation experimenteller Ergebnisse.

Theoretische Teilchenphysik

Die Arbeitsgruppe Theoretische Teilchenphysik am IAP beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Teilchenphysik in und jenseits des Standardmodells. In unserer Forschung untersuchen wir Modelle Neuer Physik und deren Phänomenologie in den Bereichen Kolliderphysik, Higgsphysik, Flavourphysik und Dunkler Materie. Außerdem führen wir Präzisionsrechnungen für Vorhersagen des Standardmodells durch, die nötig sind, um auch kleine Abweichungen vom Standardmodell sicher identifizieren zu können.

Radio-Detektion

Wir erforschen Radioemissionen, die von kosmischen Teilchen bei höchsten Energien ausgelöst werden. Dabei arbeiten wir bei verschiedenen bekannten Experimenten wie dem Pierre-Auger-Observatorium, IceCube, LOFAR/SKA, GRAND und CORSIKA und decken alle Hauptbereiche der Analyse, der Entwicklung von Forschungssoftware, der Theorie der Radioemission sowie der Forschung und Entwicklung zur Durchführung von Radiodetektionsexperimenten ab.

Luftschauer Simulationen mit CORSIKA

CORSIKA ist ein detailliertes Monte Carlo Programm zum Studium der Entwicklung und der Eigenschaften von ausgedehnten Luftschauern in der Atmosphäre. CORSIKA wurde ursprünglich 1989 für das KASCADE Experiment entworfen und hat sich seither zu DEM Standard-Simulationswerkzeug für alle Experimente entwickelt, die sich mit ausgedehnten Luftschauern befassen, die durch energiereiche kosmische Strahlung, Gammastrahlung oder Neutrinos ausgelöst werden.

KASCADE Cosmic-Ray Data Centre (KCDC)

KCDC ist ein „Open Data“ Portal um die Daten von Luftschauer-Ereignissen, die durch die Experimente KASCADE und KASCADE-Grande gemessen wurden, einer breiten Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen. KCDC bietet Zugriff auf mehr als 430 Millionen Ereignisse, die von den KASCADE- / KASCADE-Grande-Arrays und dem Hadron-Zentralkalorimeter gemessen wurden. Der Datensatz eines Ereignisses besteht aus 24 Observablen, die sowohl rekonstruierte Schauereigenschaften wie z. B. die Anzahl geladener Teilchen am Boden als auch Metadaten wie die Ereigniszeit enthalten. Datenarrays wie deponierte Energie und Ankunftszeiten der Teilchen für jede einzelne Detektorstation werden ebenfalls im Daten-Shop angeboten.

Die Tunka-Radioerweiterung (Tunka-Rex) in Sibirien

Tunka-Rex ist ein Messfeld aus Radioantennen am Tunka-Observatorium in Sibirien in der Nähe des Baikalsees. Hauptziel ist die Weiterentwicklung der Radio-Messmethode für hochenergetische kosmische Strahlung. Dazu wurde erfolgreich eine Kreuzkalibration mit der etablierten Cherenkovlicht-Technik durchgeführt. Das IAP hat die führende Rolle bei Tunka-Rex inne, das eines von fünf Detektorsystemen des Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy (TAIGA) ist.

FUNK – Search for hidden-­photon dark matter

The FUNK Experiment searches for dark matter in the hidden-photon sector using a large spherical mirror with an area of more than 14 m², probing for dark matter candidates with masses in the eV and sub-eV energy range. FUNK is located at the KIT and re-uses mirror segments developed for the Pierre Auger Observatory.

Bereits abgeschlossene Experimente

KASCADE

KASCADE (KArlsruhe Shower Core and Array DEtector) war ein ausgedehntes Luftschauerexperiment zur Untersuchung der primären Zusammensetzung der kosmischen Strahlung und der hadronischen Wechselwirkung im Energiebereich E₀=10¹⁴-10¹⁸eV. Das Experiment befand sich auf dem Gelände des KIT-Campus Nord, dem ehemaligen Forschungszentrum Karlsruhe, und untersuchte gleichzeitig die elektromagnetische, myonische und hadronische Komponente in ausgedehnten Luftschauern der kosmischen Strahlung in den Jahren 1996 bis 2013.
KASCADE-Grande ist die Erweiterung des ursprünglichen KASCADE-Experiments und lieferte Daten in den Jahren von 2003 bis 2013. Seit 2013 werden die KASCADE-Daten über das ‚KASCADE Cosmic Ray Data Centre‘ (KCDC) einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Neutrino-Experiment KARMEN

Am 20. Juli 2001 ging das unter Federführung des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführte deutsch-britische KARMEN-Experiment (KArlsruhe Rutherford Mittel-Energie Neutrino) am Rutherford- Labor nahe Oxford zu Ende. Das internationale Experiment erforschte die Eigenschaften von Neutrinos. Das KARMEN-Experiment wurde von zwei Forschungsschwerpunkten geprägt: der Frage nach der Wechselwirkung von Neutrinos mit Atomkernen sowie der Suche nach Neutrino-Oszillationen. Zur Messung benutzten die Wissenschaftler einen an der Spallationsneutronenquelle ISIS erzeugten intensiven Neutrinostrahl. Als Nachweismedium diente ein 56 Tonnen schwerer Mineralöltank, abgeschirmt mit 7000 t Stahl.