Forschungsthemen

Das Pierre-Auger-Observatorium, 3000 Quadratkilometer groß und in der argentinischen Pampa gelegen, besteht aus mehr als 1600 autonomen Tanks: In hochreinem Wasser produzieren energetische Teilchen Lichtblitze. Szintillationsdetektoren und Radioantennen vervollständigen diese Detektorstationen. Zusätzlich beobachten vier Stationen mit 27 Teleskopen am Rand des Detektorfeldes Lichtspuren, die von den kosmischen Teilchenschauern in der Atmosphäre erzeugt werden. Untergrund-Myondetektoren, ein Feld von Radioantennenstationen sowie Prototypen für einen Detektor der nächsten Generation (GCOS) vervollständigen das Experiment.
Weitere Aktivitäten in diesem Forschungsbereich sind die Untersuchung kosmischer Strahlung mit IceCube und die Analyse der Daten von KCDC, dem Datenzentrum des früheren KASCADE-Grande Experiments auf dem Campus Nord des KIT.
Das KIT ist auch die Heimat des Luftschauer-Simulationspakets CORSIKA, das kontinuierlich weiterentwickelt wird.

KSETA PI Ansprechpartner sind Ralph Engel, Andreas Haungs, Tim Huege, Bianca Keilhauer, Matthias Kleifges, Frank Schröder und Markus Roth.

IceCube ist ein Neutrino-Observatorium am Südpol, das aus optischen Modulen besteht, die in einem Kubikkilometer antarktischem Eis installiert sind. Neutrinos sind schwer nachweisbare Teilchen und wichtige kosmische Boten, die auf extreme astrophysikalische Quellen hinweisen und Einblicke in die Prozesse geben, die zur Entstehung von Teilchen mit höchster Energie führen. Der oberirdische Teil von IceCube, IceTop und das Surface Array Enhancement, ermöglicht die Untersuchung von kosmischen Luftschauern und dient als Veto für astrophysikalische Ereignisse. Unsere Gruppe am KIT arbeitet sowohl an der Analyse der IceCube-Daten als auch am Aufbau der nächsten Generation des IceCube-Experiments, IceCube-Gen2. Im Rahmen der Multimessenger-Astrophysik sind wir auch am Einstein-Teleskop beteiligt und untersuchen Korrelationen zwischen Neutrinos und Gravitationswellenereignissen.  

KSETA PI Ansprechpartner sind Andreas Haungs, Ralph Engel, Tim Huege, und Frank Schröder.

Wir betreiben experimentelle und theoretische Forschung zur Identifizierung Dunkler Materie (DM). In der experimentellen (direkten) Suche nach DM sind wir Mitglied der XENON- und XLZD-Kollaborationen. Während das XENONnT-Experiment seit 2020 Daten sammelt und kürzlich ein bedeutendes Upgrade erfahren hat, befindet sich XLZD noch in der Planungsphase. Die Arbeitsgruppe Dunkle Materie am KIT hat maßgeblich zum Upgrade von XENONnT beigetragen und ist aktiv an der Datenerfassung und -analyse beteiligt. Innerhalb von XLZD entwickeln wir neue Techniken für großflächige Elektroden und betreiben eine Zweiphasen-Xe-TPC für Forschung und Entwicklung. Ergänzend zur Suche nach leichter Dunkler Materie wird das neue „Direkte Suchexperiment für leichte Dunkle Materie“ (DELight) superfluides Helium als aktives Target verwenden, instrumentiert mit magnetischen Mikrokalorimetern. Hier konzentrieren wir uns auf Sensitivitätsstudien und Kalibrierungsverfahren, sowie die Entwicklung großflächiger kryogener Mikrokalorimeter.

Zu den Projektleitern des KSETA-Projekts in diesem Bereich gehören Yanina Biondi (Experiment), Klaus Eitel (Experiment), Torben Ferber (Experiment), Felix Kahlhöfer (Theorie), Sebastian Kempf (Technologie), Markus Klute (Experiment), Thomas Schwetz-Mangold (Theorie), Kathrin Valerius (Experiment) und Robert Ziegler (Theorie).

Die fundamentalen Bausteine der Materie, die Elementarteilchen, werden durch das sogenannte Standardmodell beschrieben: Es gibt Auskunft über ihre Eigenschaften und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte.

Die Forschungsgruppen am KIT, die in der theoretischen Teilchenphysik arbeiten, führen komplexe pertubative Berechnungen und nicht-pertubative Betrachtungen im Standardmodell durch. Außerdem beschäftigen sie sich mit Theorien, die Naturphänomene erklären können, die nicht im Standardmodell enthalten sind. Damit soll beispielsweise die Quantennatur der Theorie überprüft und fundamentale Naturkonstanten bestimmt werden.

KSETA PI Ansprechpartner sind Anke Biekötter, Monika Blanke, Gudrun Heinrich, Kirill Melnikov, Margarete Mühlleitner, Ulrich Nierste, Matthias Steinhauser und Robert Ziegler.

Die experimentelle Kolliderphysik am KIT nutzt hochenergetische Teilchenkollisionen, um das Standardmodell zu überprüfen und nach neuen Phänomenen, darunter auch Dunkle Materie, zu suchen. Am CERN arbeiten Forschungsgruppen beim CMS-Experiment am Large Hadron Collider. Am Elektron-Positron-Collider SuperKEKB in Japan sind KIT-Gruppen am Belle-II-Experiment beteiligt. Das KIT trägt nicht nur zu physikalischen Analysen bei, sondern auch zur Konzeption, Konstruktion, Inbetriebnahme und zum Betrieb von Detektorsystemen sowie zu zentralen Elementen der Software, der Datenverarbeitung, der Triggerentwicklung und der Datenerfassung.

Am LHC liegt der Schwerpunkt auf Higgs-Physik, elektroschwachen Prozessen, Top-Quark-Physik und der direkten Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Bei Belle II werden durch Präzisionsmessungen seltener Zerfälle und symmetrieverletzender Prozesse dieselben Fragen indirekt durch Quanteneffekte bei niedrigeren Energien untersucht. In beiden Fällen hängt der Fortschritt von einem detaillierten Verständnis der Detektoren, moderner Rekonstruktions- und Analysesoftware sowie statistisch gestützten Analysen ab.

Darüber hinaus ist das KIT an der Entwicklung zukünftiger Experimente und Einrichtungen beteiligt, darunter das SHiP-Beam-Dump-Experiment am CERN, Strong-Field-QED-Studien am LUXE-Experiment am DESY und Designstudien für den FCC-ee. Hier werden auf maschinellem Lernen basierende Optimierungsmethoden verfolgt, um Detektorlayouts, Rekonstruktionsstrategien und das physikalische Potenzial integrativ zu untersuchen.

KSETA PI Ansprechpartner sind Jürgen Becker, Jan Kieseler, Günter Quast, Klaus Rabbertz, Roger Wolf, Thomas Müller, Markus Klute, Torben Ferber und Frank Simon.

Informationen über die Kräfte zwischen Elementarteilchen werden durch Experimente gewonnen, bei denen Teilchen mit sehr hohen Energien gestreut werden. Die höchsten Energien und damit die kleinsten Abstände werden an den modernen Kollidern wie dem LHC in Genf erreicht. Die theoretische Kolliderphysik macht Vorhersagen für diese Experimente und hilft bei der Interpretation der Daten.

Dieser Forschungsbereich steht in engem Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Bereich "Quantenfeldtheorie", da präzise Berechnungen und Simulationen auf der Grundlage unseres derzeitigen Verständnisses der Wechselwirkungen von Elementarteilchen erforderlich sind, um Vorhersagen innerhalb des Standardmodells und darüber hinaus zu treffen, die an Collider-Experimenten getestet werden. Die Simulationen umfassen die Higgs-Physik, die Top-Quark- und Jet-Physik, die elektroschwache Physik, die Flavour-Physik und Vorhersagen für die Suche nach dunkler Materie an Collidern.

KSETA PI Ansprechpartner sind Anke Biekötter, Monika Blanke, Stefan Gieseke, Gudrun Heinrich, Matthias Steinhauser, Kirill Melnikov, und Felix Kahlhöfer.

Die Flavourphysik testet das Standardmodell durch Präzisionsstudien zu Prozessen die Quark- oder Lepton-Flavour ändern. Viele der relevanten Observablen sind selten oder durch Loop-Effekte hervorgerufen, wodurch sie mit einer Sensitivität auf neue physikalische Effekte bei Energieskalen reagieren, die weit über diejenigen hinausgehen, die bei direkten Suchen zugänglich sind.

Experimentell liegt der Schwerpunkt am KIT auf dem Belle-II-Experiment am SuperKEKB, wo große Datenmengen hochpräzise Messungen von Flavour-Observablen und Symmetrieverletzungen ermöglichen. KIT-Gruppen analysieren auch Flavour-bezogene Prozesse anhand von Daten aus dem CMS-Experiment und sind an der Vorbereitung zukünftiger Messungen am FCC-ee beteiligt.

Die theoretische Flavourphysik am KIT arbeitet an den Rechnungen, die zur Interpretation dieser Messungen erforderlich sind. Denn offensichtliche Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells sind nur dann aussagekräftig, wenn sie über mehrere Observablen und Experimente hinweg konsistent erklärt werden können, und zwar innerhalb kontrollierter theoretischer und experimenteller Unsicherheiten.

KSETA PI Ansprechpartner sind Monika Blanke (Theorie), Pablo Goldenzweig (Experiment), Ulrich Nierste (Theorie), Robert Ziegler (Theorie) und Frank Simon (Experiment).

Neutrinos spielen eine Schlüsselrolle in unserem Verständnis des Universums. Bei der großräumigen Strukturbildung nach dem Urknall wurden enorme Mengen an Neutrinos produziert, die auch heute noch existent sind. Ihre Untersuchung berührt und vereint fundamentale Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie.

Um die Rolle dieser schwach wechselwirkenden Teilchen zu verstehen, muss man ihre bislang zu ungenau erfassten Massen und deren Hierarchie messen. Das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment KATRIN ist das weltweit erste Experiment, das die Masse von Neutrinos mit einer ausreichenden Empfindlichkeit direkt und modellunabhängig messen kann, um ihre Rolle als kosmische Architekten festzulegen.  

Mit KATRIN++ wurde ein neues Projekt initiiert, das darauf abzielt, die experimentelle Sensitivität weiter zu steigern und bislang unerreichte Messgrenzen zu erschließen. Hierfür ist die Entwicklung innovativer Schlüsseltechnologien erforderlich, darunter ein hochsensitives Quantensensor‑Array sowie eine Quelle atomaren Tritiums.

Aber auch für die Teilchenphysik bieten die von KATRIN untersuchten Neutrinoeigenschaften einzigartige Ansatzpunkte zu Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik.

KSETA PI Ansprechpartner sind Yanina Biondi (Experiment), Sebastian Kempf (Technologie), Andreas Kopmann (Technologie), Oliver Sander (Technologie), Magnus Schlösser (Technologie), Thomas Schwetz-Mangold (Theorie), Kathrin Valerius (Experiment) und  Sascha Wüstling (Technologie).

Die Teilchen- und Astroteilchenphysik ist in hohem Maße auf groß angelegte Recheninfrastrukturen angewiesen, die Hochleistungsrechner mit weltweit verteilten Hochdurchsatzsystemen wie dem Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) kombinieren, um die enormen Datenmengen zu verarbeiten und zu analysieren, die bei modernen Experimenten anfallen.

Am KIT ist GridKa am Scientific Centre for Computing (SCC) eines der wichtigsten Tier-1-Zentren des WLCG und dient als zentrale Drehscheibe für die Datenverarbeitung und -verteilung für die LHC-Experimente sowie für andere Communities der Teilchen- und Astroteilchenphysik. Neben groß angelegten Speicher- und Rechenkapazitäten bietet GridKa zuverlässige, kontinuierlich verfügbare Dienste, die die täglichen Arbeitsabläufe der Experimente unterstützen.

Gleichzeitig entwickeln sich die Rechenmodelle rasant weiter. Moderne Rekonstruktions- und Datenanalyseverfahren stützen sich zunehmend auf heterogene Architekturen, insbesondere Beschleuniger wie GPUs, und auf Algorithmen auf Basis maschinellen Lernens mit Ausführungsmustern, die sich grundlegend von herkömmlichen Workloads unterscheiden. Das KIT reagiert auf diesen Wandel mit der Entwicklung von Inference-as-a-Service-Ansätzen, die die Inferenz des maschinellen Lernens von der Experimentiersoftware entkoppeln und so eine effiziente gemeinsame Nutzung, dynamische Skalierung und flexible Bereitstellung von Modellen für eine große Anzahl von Aufgaben ermöglichen.

Diese Entwicklungen sind eng mit Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz verbunden. Die dynamische Skalierung von Diensten, die adaptive Nutzung heterogener Hardware und die Anpassung der Workloads an die Bedingungen des Stromnetzes werden untersucht, um den Energieverbrauch zu senken und gleichzeitig einen hohen Durchsatz aufrechtzuerhalten, wobei das Computing nicht nur als Infrastruktur, sondern als integraler Bestandteil des Physikprogramms betrachtet wird.

KSETA PI Ansprechpartner sind Jan Kieseler und Achim Streit.

Schon zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des größten Teilchenbeschleunigers der Welt, des LHC am CERN in Genf, arbeiten Wissenschaftler des KCETA an der Entwicklung von neuen Detektoren für die nächste Beschleunigergeneration. Dabei geht es darum, die Detektoren resistenter gegen Strahlenschäden zu machen und durch Wahl neuer Kühltechniken die Raumwinkelakzeptanz zu vergrößern.

Für das KATRIN-Experiment werden bisher beispiellose Hochvakuumsysteme und große supraleitende Magnetsysteme entworfen und in Betrieb genommen. Der Standort des KATRIN Experiments ist das KIT, wo die einzigartige Kompetenz des Tritiumlabors Karlsruhe (TLK) zur Verfügung steht. Das TLK ist das einzige wissenschaftliche Labor, das mit einem geschlossenen Tritiumkreislauf ausgestattet ist.

Mit dem Nachweis von Radiosignalen aus Luftschauern werden dem Studium der kosmischen Strahlung vielversprechende Wege eröffnet. Diese Technologie wird im Pierre Auger-Observatorium mit dem Antennenfeld AERA entwickelt. Darüber hinaus werden neuartige Lichtsensoren (SiPM) getestet und in Prototypen eingesetzt.

Die Kälte- und Kryotechnik findet sich in einigen der Forschungsthemen wieder. Sie ist in diesen Themen i.d.R. eine Basistechnologie („enabling technology“), um bestimmte physikalische Effekte auszunutzen (z.B. die Supraleitung). 

KSETA PI Ansprechpartner sind Jürgen Becker, Beate Bornschein, Ralph Engel, Steffen Grohmann, Andreas Haungs, Bernhard Holzapfel, Tim Huege, Bianca Keilhauer, Matthias Kleifges, Andreas Kopmann, Ivan Perić, Markus Roth, Oliver Sander, Sascha Wüstling, Sebastian Kempf, Torben Ferber, Frank Hartmann, Markus Klute, Magnus Schlösser und Frank Simon.

Auf dem Gelände des Karlsruher Institut für Technologie, befindet sich die Synchrotronstrahlungsanlage KARA in einer ca. 5000 m² Halle. Dort werden Elektronen in einem Speicherring auf nahezu Lichtgeschwindigkeit (2.5 GeV) beschleunigt. Um die produzierte Strahlung nutzen zu können, sind am Speicherring Strahlrohre (Beamlines) angebaut, die in optische Hütten führen, wo der für das entsprechende Experiment benötigte spektrale Wellenlängenbereich und Strahlenquerschnitt aus dem Synchrotronlicht heraus selektiert wird. In den Messstationen sind moderne Analysegeräte für den harten und weichen Röntgenbereich sowie den UV, sichtbaren und Infrarotbereich vorhanden.

Die Beschleuniger-Gruppe an KARA ist für den Betrieb und die Weiterentwicklung des Beschleunigers verantwortlich. Dies umfasst den Speicherring, sowie den Booster. Die Beschleunigerforschung an KARA umfasst verschiedenste Bereiche innerhalb „single and multi-particle beam dynamics and optics“. Sie beinhaltet die Gestaltung  und die Entwicklung neuer optischer Gitter für Speicherringe, als auch die Arbeit an neuen Betriebsarten wie dem „dedicated low alpha mode for the production of short bunches.

Desweiteren arbeitet KARA an der Entwicklung einer Testanlage (FLUTE) für Linearbeschleuniger.

KSETA PI Ansprechpartner sind Andreas Kopmann, Anke-Susanne Müller und Frank Simon.

Fortschritt und wissenschaftliche Erkenntnis im Bereich der Elementar- und Astroteilchenphysik geht sehr häufig mit der Entwicklung neuer Sensortechnologien und Detektorsysteme einher. Vor diesem Hintergrund sind die kontinuierliche Weiterentwicklung bestehender Detektorsysteme sowie die Entwicklung vollkommen neuartiger Sensortechnologien unabdingbar und liegen im Kern der Forschungsaktivitäten von KSETA. Der Einsatz der besten Halbleitertechnologien sowie von exzellenten analogen und programmierbaren digitalen Elektroniklösungen ist essenziell für Detektorsysteme in physikalischen Experimenten und Großforschungseinrichtungen. Mit diesen Messsystemen gilt es die Grenzen der Auflösung in Zeit, Raum und Energie zu verschieben. Darüber hinaus werden in KSETA effiziente Auslesemodule entwickelt, um die stetig steigenden Datenraten zu erfassen. Integrierte intelligente Triggeralgorithmen sind dabei der Schlüssel, um aus der Datenflut in den Experimenten physikalische Informationen zu extrahieren. Interdisziplinäre Teams von Ingenieuren, Informatikern und Physikern arbeiten in KSETA zusammen, um das breite Spektrum an notwendigen Arbeitsgebieten abzudecken. Ganz wesentlich sind dabei Sensor- und Ausleseelektronik, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), photonische Bauelemente für die Integration optischer Übertragungsmedien, die massiv parallele verteilte Datenverarbeitung in Echtzeit, Signalverarbeitung und Hochfrequenztechnik. Für viele Experimente in der Grundlagenforschung reicht die Auflösung „konventioneller“ Detektorsysteme aufgrund physikalischer Grenzen nicht aus, um eine Fragestellung mit der notwendigen Präzision zu beantworten. In diesen Fällen kommen vermehrt Supraleiter-basierte Quantentechnologien zum Einsatz, die oftmals um Größenordnungen bessere Auflösungen erreichen können. Die Aktivitäten in KSETA decken auch für diese Sensoren, die Nahe des absoluten Temperaturnullpunktes betrieben werden, die volle Signalverarbeitungskette vom Sensor, über die Auslese mittels kryogener Multiplexverfahren bis hin zur Datenverarbeitung und Aufnahme in Echtzeit ab.

KSETA PI Ansprechpartner sind Jürgen Becker, und Sebastian Kempf, Andreas Kopmann, Ivan Perić, Oliver Sander, Sascha Wüstling, Torben Ferber und Frank Simon.

Neuartige Instrumente und Detektoren spielen eine Schlüßelrolle für zukünftige Forschung in der Elementarteilchenphysik und in nahezu allen Bereichen der Wissenschaft.  Die erhöhten Datenraten solcher Gerätschaften übersteigen deutlich den Leistungszuwachs moderner Speichersysteme und stellen somit eine erhebliche Herausforderung für deren Entwicklung dar. Darum werden Online-Datenverarbeitung und -Reduktion noch entscheidender für kommende Generationen von Detektorsystemen. Das neuartige Modell der "Software Defined Data Acquisition" zielt darauf ab, mit Methoden des HPC und Cloud Resourcen, fortschrittlichere Datenerfassungssysteme zu entwickeln als es mit traditionellen Methoden bisher möglich ist. Schlüsselrolle dieser Forschung umfassen Netzwerke mit geringer Latenz; Scheduling und Datenfluss Management; Paralleles-, Heterogenes- und Approximierendes- Computing; Quantenalgorithmen; Fortschrittliche Datenbanktechnologien, Prozessteuerungsumgebungen und Orchestrierungssysteme.

KSETA PI Ansprechpartner ist Andreas Kopmann und Frank Simon.