Prof. Dr. W. Schmidt-Parzefall
Prof. Dr. R. Klanner
Dr.Volker Blobel, Dr.Friedrich-Wilhelm Büßer, Dr.Erich Gerdau, Dr.Götz Heinzelmann, Dr.Robert L.Johnson, Dr. R. Klanner, Dr.Christof Kunz, Frau Dr.Beate Naroska, Dr.Walter Schmidt-Parzefall, Dr.Peter Schmüser, Dr.Bernd Sonntag, Dr.Hartwig Spitzer, Dr.Albrecht Wagner, Dr.Björn Wiik, Dr.Georg Zimmerer
Dr.Günter Poelz, Dr.Hans Dierk Rüter
Dr.Bernd Koppitz, Dr.Lothar Linowsky, Dr.Thorsten Oest, Dr.Stefan Rieß, Dr.Rolf van Staa, Dr.Hans-Joachim Voß, Dr.Frank Zetsche
Elementarteilchenphysik (Hochenergiephysik)
Elementarteilchenphysik (Hochenergiephysik)
Ziel der Elementarteilchenphysik ist die Erforschung der kleinsten und fundamentalen Bausteine der Natur und ihrer Wechselwirkungen. Das Arbeitsgebiet hat während seines kurzen Bestehens eindrucksvolle Erfolge erzielt. Eine neue Ebene von Bausteinen der Natur wurde entdeckt und erforscht, die Welt der Quarks, die zur Aufstellung des sogenannten "Standard-Modells" führten. Danach bestehen die elementaren Bausteine aller Materie aus 6 Quark- und 6 Leptonsorten. Die Kräfte zwischen ihnen bestimmen die Dynamik des Geschehens; sie lassen sich auf ein einheitliches Prinzip, das Eichprinzip zurückführen. Diese Kräfte und ihre Feldquanten sind weitgehend bekannt. Es ist zur Zeit keine experimentelle Tatsache bekannt, welche dem Standard-Modell widerspricht. Damit hat man ein einheitliches, geschlossenes Weltbild von großer mathematischer Schönheit erhalten. Zahlreiche fundamentale Fragen z.B. in Zusammenhang mit der Gravitation und der Erklärung des Massenspektrums der Teilchen sind allerdings offen. Die aktuelle Forschung unterzieht das Standard-Modell empfindlichen Tests, untersucht seine Grenzen und sucht nach Phänomenen außerhalb seiner Gültigkeit.
Das II. Institut für Experimentalphysik ist maßgeblich an der Untersuchung von Elektron-Proton Kollisionen der höchsten Energie beteiligt.
Hierfür steht mit dem HERA Speicherring des DESY die größte Elektron-Proton-Speicherringanlage der Welt zur Verfügung. Zwei Experimente wurden in den vergangenen Jahren am Speicherring HERA aufgebaut: Der ZEUS-Detektor und der H1-Detektor. Sie stellen u.a. höchstauflösende Elektronenmikroskope dar, mit denen Strukturen von der Ausdehnung eines Tausendstels eines Protons aufgelöst werden können. Die Messungen haben 1992 begonnen und werden ein Jahrzehnt in Anspruch nehmen. Auf Grund der hohen Energien des HERA Speicherrings stoßen sie in physikalisches Neuland vor.
Als drittes Experiment am HERA Speicherring ist HERMES im Aufbau; ein weiteres Experiment (HERA-B) ist in der Planung.
Weiterhin werden im II.Institut für Experimentalphysik Daten von Experimenten mit Elektron-Positron Wechselwirkungen untersucht (ARGUS und OPAL).
Elektronen- oder Positronen Speicherringe sind eine Quelle intensiver Synchrotronstrahlung, die sich vom Ultraviolett bis zum Bereich der Röntgenstrahlen erstreckt.
In Hamburg wird am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY der Speicherring DORIS für Experimente betrieben. In den letzten Jahrenwurde der Speicherring mit zehn Wigglern und Undulatoren ausgerüstet, die Quellen besonders intensiver Strahlung sind. Im Hamburger Synchrotronstrahlungslabor HASYLAB wird diese Strahlung an ca.40 Meßplätzen genutzt.
Es gibt eine fast unendliche Zahl von Fragestellungen, die mit dieser Strahlung untersucht werden können. Die Strahlung wird genutzt in der Medizin z.B. zur Durchleuchtung von Herzkranzgefäßen, in der Biologie z.B. zur Bestimmung der Struktur von Proteinen und ihrer Funktion bei der Zellteilung, in der Chemie z.B. zur Erforschung des Ablaufs von Reaktionen und sebstverständlich in der Physik z.B. zur Verkleinerung von Strukturen auf Elektronik-Chips oder zum Studium von Festkörpern, Oberflächen, Supraleitern, Atomen und Molekülen.
Professoren des II.Instituts für Experimentalphysik sind Leiter verschiedener Forschungsgruppen, die mit der Synchrotronstrahlung arbeiten.
Die Arbeitsgruppe beteiligt sich an der physikalischen Auswertung der Daten sowie an der instrumentellen Weiterentwicklung des Detektors (Si-Technologie, Kalorimeter, fortgeschrittene Methoden der Datenverarbeitung, Messung der Polarisation).
Die Arbeitsgruppe beteiligt sich an dem Physikprogramm des H1-Detektors, der für die genaue Ausmessung hochenergetischer Teilchen und Teilchenbündel ausgelegt ist. Sie hat die zentrale Spurkammer und das Myon-Nachweis-System von H1 mitgebaut und entwickelt zur Zeit ein Spektrometer zum Nachweis von Protonen unter kleinsten Streuwinkeln. Ziele des mehrjährigen Physikprogramms sind die Untersuchung der Struktur des Protons, des Gluons und des Photons, die Suche nach neuartigen Teilchen sowie Tests der Dynamik der starken und elektroschwachen Wechselwirkung. Dabei werden laufend Verbesserungen des Beschleunigers (Luminosität, Polarisation) und des Detektors (erhöhte Auflösung) ausgenutzt.
Themen für Diplomarbeiten bei H1 sind:
Die Arbeitsgruppe untersucht Reaktionen mit schweren Quarks. Dabei sind einzigartige Messungen zur Struktur der schwachen Wechselwirkung möglich. Die letzten, noch unbekannten Parameter des Standard-Modells der Elementarteilchenphysik können durch die Untersuchung von Reaktionen des b-Quarks bestimmt werden.
Bis zum Jahr 1992 wurden die Meßdaten mit dem Detektor ARGUS am Elektron-Positron Speicherring DORIS bei DESY gewonnen. Das Meßprogramm ist inzwischen abgeschlossen. Die Auswertung der Daten wird aber weitergeführt.
Für zukünftige Messungen wird zur Zeit ein neuer Detektor geplant, der am Protonenstrahl von HERA eingesetzt werden soll. Die Fertigstellung dieses HERA-B Detektors ist für das Jahr 1998 vorgesehen. Neben einer Vielzahl von Experimenten ist es das besondere Ziel dieses Projektes, die CP-Verletzung bei B-Mesonen zu beobachten und damit ihren Ursprung zu verstehen.
Das OPAL-Experiment ist eines von vier Großexperimenten am e+e- Speicherring LEP bei CERN in Genf. Es nimmt seit 1989 Daten bei Energien um die Z0-Resonanz.
Hauptarbeitsgebiet der Hamburger OPAL-Gruppe ist die Analyse der Erzeugung und des Zerfalls schwerer Quarks (c, b). Daneben ist die Gruppe am Betrieb des Experiments, an technischen Aufgaben und der Entwicklung neuer Nachweistechnologien beteiligt.
Fortschritt in der Entwicklung der Beschleuniger ist eine entscheidende Voraussetzung für ein weiterhin erfolgreiches Experimenteprogramm.
Das II. Institut für Experimentalphysik ist an der Leitung von Projekten zur Entwicklung neuer Beschleunigertechnologien beteiligt. Für den Speicherring HERA wurden supraleitende Magnete entwickelt und zur Fertigungsreife gebracht. Neuere Entwicklungen betreffen supraleitende Resonatoren für Linearbeschleuniger und theoretische Arbeiten zur Dynamik von Teilchenbeschleunigern. Diese Arbeiten finden im Rahmen der Kollaboration TESLA statt, welche den Entwurf eines Linearbeschleunigers von mehr als 10 km Länge zum Ziel hat.
Die Forschungsarbeiten der Gruppe betreffen die Beobachtung kohärenter nuklearer Beugung und Entwicklung der dazu erforderlichen experimentellen Techniken. Das Gebiet vereinigt die attraktiven Eigenschaften der Synchrotronstrahlung (hohe Brillanz, hohe lineare Polarisation, exakt definierte Zeitstruktur) mit den einzigartigen Eigenschaften des Mößbauereffektes (extrem kleine relative Bandbreite der Strahlung: Delta E/E \sim 3 10-13 für die 14.4 keV-Strahlung des 57Fe. Es gelingt, Strahlung zu erzeugen, die mit der nuklearen Resonanzbreite von 5 - 10 neV um einen Faktor approx 106 monochromatischer ist als die schmalsten energetischen Bandbreiten, die durch Streuung an Elektronen erhältlich sind.
Das Gebiet wurde vor 10 Jahren von der Hamburger Gruppe eröffnet und hat sich seither weltweit dynamisch entwickelt. Meßplätze an den Synchrotronstrahlungsquellen der 3. Generation (ESRF in Grenoble, APS in Argonne) werden genutzt. Die Gruppe beteiligt sich an dem Aufbau der Beam Lines bei ESRF und APS. In Hamburg sind zwei Meßstände aufgebaut, die für Energien <= 20 keV eingesetzt werden können: ein Meßstand (F4) an einem Ablenkungsmagneten von DORIS und ein Meßstand (BW4) an einem Wiggler von DORIS. Zukünftig wird es auch Meßmöglichkeiten am Speicherring PETRA geben bei gamma-Energien bis 70 keV.
Das experimentelle Programm der Gruppe konzentriert sich derzeit hauptsächlich auf die Durchführung von Experimenten, mit denen die vielfältigen möglichen Anwendungen der neuen Technik gezeigt werden sollen. Es besteht eine enge Zusammenarbeit mit Gruppen in Lübeck, München, Grenoble, Budapest, Moskau, Argonne und Houston.
Die Diplomarbeiten werden im allgemeinen in enger Zusammenarbeit mit den Doktoranden und promovierten Wissenschaftlern im Rahmen eines der Forschungsprojekte der Gruppe angefertigt.
Themenschwerpunkte der letzten Zeit waren:
Oberflächen von Festkörpern können mit Synchrotronstrahlung und durch die dazu komplementäre Technik der Rastertunnelmikroskopie untersucht werden. Die Verbindung beider Techniken erlaubt einzigartige Experimente.
Die Arbeitsgruppe ist z.Zt. weltweit die einzige, die die gleichen Proben mit Röntgenoberflächenbeugung, Rastertunnelmikroskopie und Photoemissionsspektroskopie untersucht. Zur Charakterisierung werden außerdem weitere Labormethoden hinzugezogen.
Schwerpunkt der Arbeiten liegt bei der Untersuchung von Halbleiteroberflächen und Hochtemperatursupraleitern.
Diplomanden haben die Gelegenheit, die modernsten Methoden der Oberflächenphysik in großer Breite kennenzulernen.
Röntgenmikroskopie ist ein alter Wissenschaftstraum, dessen Realisierbarkeit durch die Nutzung der Synchrotronstrahlung möglich geworden ist. Es gibt unterschiedliche Ansätze.In Hamburg wird der Weg beschritten, die Strahlung in einen mikroskopischen Fleck auf die Probenoberfläche zu fokussieren und diese abzurastern. Die unterschiedlichen, durch die Strahlung ausgelösten Sekundärprozesse führen zu Bildern mit unterschiedlichem Kontrast. Daraus lassen sich Aussagen über die chemische Zusammensetzung und den Bindungstyp an strukturierten Proben gewinnen.Außerdem lassen sich kleine Proben und kleine Probenbereiche mikrospektroskopisch untersuchen.
Diplomanden erhalten Gelegenheit, an der Verbesserung der Optik des Mikroskops und an der Weiterentwicklung der Sekundärspektrometer mitzuarbeiten und diese dann für Untersuchungen einzusetzen.
Monochromatisierte Synchrotronstrahlung ist hervorragend geeignet, um Elektronen aus den inneren Schalen freier Atome anzuregen. Erzeugung und Zerfall dieser hochangeregten Atomzustände werden mit Hilfe der Absorptions-, Ionen-, Elektronen- und Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Durch Bestimmung der Energie- und Winkelverteilung der auslaufenden Teilchen und durch Präparation der Atome in definierten Ausgangszuständen können sehr genaue Aussagen über Mehrelektroneneffekte, die sich in deutlichen Abweichungen von den Vorhersagen der Modelle unabhängiger Elektronen manifestieren, gewonnen werden.
Es besteht enge Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen in Berlin und Dublin.
Die Lumineszenzspektroskopie ist eine sowohl grundlagen- als auch anwendungsorientierte Meßmethode, mit der strahlende Zerfälle elektronischer Festkörperanregungen untersucht werden. Die Synchrotronstrahlung wird zur zustandsselektiven primären Anregung der Proben benutzt.
Einer der Schwerpunkte ist die Untersuchung der Exzitonendynamik in Isolatoren. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist die exziton-induzierte Desorption von Atomen. Die lumineszenzspektroskopische Charakterisierung von Laserkristallen und von neuartigen Szintillatoren bilden einen weiteren Schwerpunkt. Für die Experimente steht ein komplexer Meßplatz mit hervorragenden Ausstattungsmerkmalen zur Verfügung, der bei Diplomarbeiten eine gründliche Einarbeitung in zahlreiche moderne Experimentiertechniken ermöglicht, aber auch erfordert.
Hochenergetische Gammastrahlung und geladene kosmische Strahlung, die auf die Erdatmosphäre treffen, erzeugen sogenannte Luftschauer, die mit denselben experimentellen Techniken und Geräten nachgewiesen werden können, wie sie für die Elementarteilchenphysik entwickelt worden sind. Das II. Institut für Experimentalphysik ist an dem Experiment HEGRA-CRT beteiligt, das auf der kanarischen Insel La Palma betrieben und weiter ausgebaut wird. Meßziele sind unter anderem: Suche nach kosmischen Punktquellen (kosmischen Beschleunigern, Supernovaereste), Gammastrahlung kosmischen Ursprungs und die chemische Komposition der geladenen kosmischen Strahlung.
Die Arbeitsgruppe untersucht Fragestellungen aus dem Grenzbereich zwischen den Naturwissenschaften und internationaler Sicherheit in interdisziplinären Forschungsprojekten. Zur Zeit werden folgende Themen bearbeitet:
Für die Projekte 1. und 2. werden eigene Bilddaten aufgenommen, kalibriert und ausgewertet. Die Arbeitsgruppe kooperiert örtlich mit dem Fachbereich Informatik - Arbeitsbereich Kognitive Systeme - und mit dem Institut für Friedensforschung und Sicherheitspolitik an der Universität Hamburg (IFSH). ·