Kernreaktionen

Reaktionen zwischen Atomkernen werden von der Arbeitsgruppe Höhne untersucht, um die Eigenschaften stark verdichteter und hoch erhitzter Kernmaterie zu verstehen, die kurzfristig in diesen Kollisionen entsteht. Ähnliche Materiezustände hat das Universum kurz nach dem Urknall durchlaufen und werden im Innern von Neutronensternen vermutet. Hauptziel der Untersuchungen ist es, das Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie über einen großen Parameterbereich zu studieren. Der Schwerpunkt liegt hier auf der Untersuchung komprimierter Kernmaterie bei verschiedenen Dichten aber moderaten Temperaturen, wie sie in Experimenten an der GSI Darmstadt erzeugt wird.

Kernstruktur und nukleare Astrophysik

Die Struktur von Atomkernen weit ausserhalb des Stabilitätstals steht im Vordergrund der von der Arbeitsgruppe Scheidenberger und der Helmholtz-Nachwuchsgruppe Dillmann an der GSI Darmstadt duchgeführten Experimente. Spezielle Verfahren sind entwickelt worden, um die Masse und Lebensdauer von Atomkernen mit aussergewöhnlichen Neutron-zu-Proton-Verhältnissen zu messen. Ergebnisse dieser Messungen sind von Bedeutung sowohl für ein besseres Verständnis der Struktur exotischer Kerne wie für die Elementsynthese im Universum. Diese Arbeitsgruppen schlagen daher die Brücke zwischen der Kernstrukturphysik und der nuklearen Astrophysik.

Struktur des Nukleons

Die Struktur von Nukleonen wird gleich von drei Arbeitsgruppen mit unterschiedlichen Methoden untersucht. Die Arbeitsgruppe Brinkmann führt spektroskopische Messungen des Anregungsspektrums des Nukleons in photonuklearen Reaktionen an den Elektronenbeschleunigern MAMi (Mainz) und ELSA (Bonn) durch, um so Aussagen über die Kräfte zwischen den Konstituenten des Nukleons zu gewinnen. Weiterhin untersucht die Arbeitsgruppe, wie sich die Eigenschaften von Hadronen in stark wechselwirkender Materie verändern. Die Arbeitsgruppe Düren studiert die Verteilung der Impulse und Spins der Partonen im Nukleon aufgrund von Elektronenstreuexperimenten am HERA Beschleuniger (DESY, Hamburg).  Die Arbeitsgruppe Kühn führt Experimente zur Produktion schwerer Mesonen am Elektron-Positron Collider (BESIII) in Peking durch. Informationen über das Anregungsspektrum von Nukleonen ergeben sich aus den Zerfällen der produzierten Mesonen.

Teilchenphysik

Die Experimente der Gruppe Kühn/Lange an BESIII geben auch Aufschluss über Symmetrien der fundamentalen Wechselwirkungen, ebenso wie Experimente am BELLE-Detektor in Japan, an denen die Arbeitsgruppe ebenfalls beteiligt ist.

Die Suche nach neuen Teilchen und nach Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik ist zentrales Thema der Arbeitsgruppe Düren/Stenzel, die an den Experimenten der ATLAS Kollaboration am Large Hadron Collider (CERN, Genf) mitarbeitet.

Zukünftige Experimente: FAIR

Alle Arbeitsgruppen des Instituts sind an der Vorbereitung von Experimenten an der International Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt beteiligt, an der mit Antiprotonen und Schwerionenstrahlen offene Fragen auf dem Gebiet der Kern- und nuklearen Astrophysik, der Physik verdichteter und erhitzter Kernmaterie, der Hadronenphysik und der Plasma- und Atomphysik angegangen werden sollen. Die Gruppe Geissel/Scheidenberger ist verantwortlich für den supraleitenden Fragmentseparator, das zentrale Gerät der NUSTAR-Kollaboration zur Herstellung und Charakterisierung exotischer Kernstrahlen. Die Gruppe Novotny/Brinkmann ist zuständig für das elektromagnetische Kalorimeter des PANDA Detektors, mit dem ein breites Spektrum offener Fragen der Hadronenphysik bearbeitet werden soll. Die Gruppe Lange/Kühn ist verantwortlich für die Frontendelektronik und Datenselektion beim PANDA Detektor und die Gruppe Düren entwickelt zur Verbesserung der Teilchenidentifikation im PANDA Detektor einen völlig neuartigen scheibenförmigen Cherenkov Detektor (DIRC). Die Gruppe Höhne arbeitet ebenfalls an einem Cherenkov Detektor für die Teilchenidentifkation im CBM Detektor an FAIR.

Interdisziplinäre Aktivitäten

Miglieder des Instituts sind aktiv an verschiedenen interdisziplinären Aktivitäten an der Justus-Liebig Universität beteiligt, so die Arbeitsgruppe Plass/Scheidenberger im AMBIPROBE Projekt, bei dem im Institut entwickelte Methoden der Massenspektroskopie in den Lebenswissenschaften eingesetzt werden, und ebenso die Arbeitsgruppe Düren, die federführend in der SEPA Initiative engagiert ist, die alle Aspekte der solar-thermischen Energie für Europa aus den Wüsten Afrikas untersucht.