Detektorsysteme für die Teilchenforschung

„Im Prinzip arbeiten Teilchendetektoren wie eine Handykamera, in der durch Licht erzeugte, sehr kleine Signale elektronisch verstärkt und in digitale Daten gewandelt werden, die sich am Computer auslesen lassen“, erläutert Weber. Wenn zum Beispiel Protonen im Teilchenbeschleuniger LHC am europäischen Forschungszentrum CERN aufeinanderprallen, werden die bei jeder Kollision entstehenden tausende von Sekundärteilchen mit Hilfe hausgroßer Detektoren registriert und sichtbar gemacht. Es entstehen dreidimensionale Bilder von Elementarreaktionen. „Wir wollen wissen, welche Teilchen entstanden sind, welche Energie sie haben, in welche Richtung sie sich bewegten, und mikrometergenau bestimmen, wo sie wann vorbeigeflogen sind“, sagt der „gelernte“ Teilchenphysiker, der sich nach Forschungsaufenthalten in USA und England am KIT verstärkt Experimenten der Astroteilchenphysik widmet.

Die Anforderungen an die für das jeweilige Experiment maßgeschneiderten Detektoren von Teilchenreaktionen sind gewaltig. Die Sensoren der LHC-Detektoren haben bis zu einer Milliarde Pixel und liefern 40 Millionen Bilder pro Sekunde. Ein Schwerpunkt der Forschung am IPE ist auch die Handhabung der dabei entstehenden unvorstellbar großen Rohdatenmengen. „Wir gehen den Weg einer Vorauswahl der Daten in Echtzeit, für die eine sehr schnelle Elektronik und tolle Algorithmen notwendig sind“, so Weber.

Die am IPE entwickelten Detektoren unterstützen Wissenschaftler zum Beispiel dabei, im Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) die Masse des Neutrinos zu bestimmen, hochenergetische kosmische Strahlung aufzuspüren oder nach der Dunklen Materie zu suchen. „Dunkle Materie wechselwirkt praktisch gar nicht mit Objekten, die wir kennen. Wir wissen, dass sie existiert und das Universum dominiert, aber nicht, was sie ist. Die Frage nach der Dunklen Materie ist eine der grundlegendsten physikalischen Fragen, die man stellen kann“, betont der Wissenschaftler. Weber ist einer der Sprecher des gemeinsam mit der Universität Heidelberg initiierten Forschungsclusters „Exploring Dark Matter“, in dem Teilchen- und Astroteilchenphysiker, Astrophysiker, Kosmologen und Ingenieure Aufschlüsse über die Dunkle Materie erreichen wollen.

Während bislang viele Detektoren aus Halbleitermaterialien bestehen, interessiert sich der Physiker auch für supraleitende Sensoren und die entsprechenden Detektorsysteme, mit denen man auch niederenergetische Teilchen mit sonst unerreichbarer Genauigkeit vermessen kann. In den experimentellen Wissenschaften seien grundlegende neue Erkenntnisse praktisch immer mit Innovationen und Fortschritten in der Messtechnik und bei Detektorsystemen verbunden, so der Wissenschaftler. „Mein Ehrgeiz ist es, Technologien zu identifizieren und zur Verfügung zu stellen, die vielleicht erst in fünf oder zehn Jahren in der Wissenschaft gebraucht werden, dann aber neue Forschungsfelder erschließen“, sagt er.

Weber leitet den Bereich „Detektortechnologie und Systeme“ innerhalb des Helmholtz-Programms „Materie und Technologien“. Er ist wissenschaftlicher Sprecher des KIT-Centrums Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik (KCETA), in dem in international verankerten Großprojekten Grundlagenforschung zu den kleinsten Bausteinen der Materie und ihrer Bedeutung bei der Entwicklung des Universums betrieben wird. (afr)

Der Presseservice des KIT stellt gerne den Kontakt zwischen den Medien und Prof. Marc Weber her.

Fotonachweis:
Foto Leiterplatine: KIT
Porträt Prof. Marc Weber, IPE, KIT: KIT