Diese Arbeitsgruppe steht in der Tradition von Victor Franz Hess, der im Jahre 1930 den Ruf an die Universit¨at Innsbruck annahm und dort das
”Institut f¨ur Strahlenforschung“ errichtete. Derzeit ist das Institut Mitglied der CERN-Kollaborationen ALEPH und ATLAS. W¨ahrend das ALEPH-Experiment beendet wurde und die aufgezeichneten Daten noch weiter analysiert werden, hat die Datennahme am ATLAS-Experiment inzwischen begonnen. Die Forschungsgebiete der Innsbrucker Arbeitsgruppe umfassen: Test und Ph¨anomenologie der Theorie der starken Kr¨afte (QCD), Physik der B-Hadronen (Teilchen, die ein beauty-Quark enthalten), Software-Entwicklung und Validierung von Daten f¨ur das ATLAS-Experiment, sowie Mitwirkung am Aufbau und Betrieb einer weltweiten GRID Struktur f¨ur die Analyse der LHC Daten.
Den Kern der Gruppe bilden drei permanente und ein emeritierter Mitarbeiter. Hinzu kommen f¨unf Projektmitarbeiter sowie etwa drei Dissertanten und Diplomanden.
3.9.1 Test und Ph¨anomenologie der Theorie der starken Kr¨afte
Die e+e−-Vernichtung in Hadronen am Z-Pol stellt eine einzigartige Reaktion dar, um Vorhersagen der QCD zu testen. Anhand von ALEPH-Daten werden die g¨angigen QCD-Monte-Carlo-Modelle, die eine st¨orungstheoretische Phase mit einem Ansatz f¨ur den ¨Ubergang von Quarks und Gluonen in Hadronen in sich vereinen, getestet und ihre freien Parameter bestimmt. In Proton-Proton-Kollisionen bei LHC-Energie sind die starken Kr¨afte bei praktisch allen interessanten Prozessen beteiligt. In der Anfangsphase von LHC sollen Messungen zu einer verbesserten Bestimmung der Verteilungsfunktion der Quarks und Gluonen im Proton beitragen.
3.9.2 Physik der B-Hadronen
B-Physik am LHC ist ein viel versprechendes Forschungsgebiet, sowohl wegen des großen Wir-kungsquerschnitts f¨ur die Produktion von b-Quark-Paaren, als auch wegen der hohen Luminosit¨at am LHC. Der ATLAS-Detektor wurde als
”general-purpose“-Experiment mit sehr guten Detekti-onseigenschaften geplant und ist in der Lage, durch Pr¨azisionsmessungen von B-Hadron-Zerf¨allen das Standardmodell zu testen. Das B-Physik-Programm von ATLAS, an dem Innsbruck beteiligt ist, beinhaltet unter anderem genaue Messungen der CP-Verletzung in Zerf¨allen von B-Mesonen, der Periodendauer von Flavour-Oszillationen von B0s- und B0d-Mesonen, Studien von seltenen B-Meson-Zerf¨allen.
3.9.3 Software-Entwicklung und Validierung von Daten f¨ur das ATLAS-Experiment F¨ur die Analyse der Daten des ATLAS-Detektors ist es wichtig, parallel dazu die Software weiter-zuentwickeln. Der wissenschaftliche Nachwuchs in Innsbruck ist speziell damit besch¨aftigt, schnelle Algorithmen f¨ur die Detektorsimulation zu entwickeln. In der Anfangsphase des Experimentes ist ein Arbeitsgebiet, die Daten mithilfe von bestimmten Messgr¨oßen auf Korrektheit zu ¨uberpr¨ufen.
3.9.4 Mitwirkung am Betrieb einer weltweiten GRID-Struktur f¨ur die Analyse der LHC-Daten
Die riesigen am LHC Beschleuniger des CERN anfallenden Datenmengen k¨onnen nur mit einem weltweiten Netz von Computing-Infrastruktur bew¨altigt werden, dem so genannten GRID. Inns-bruck liefert dazu zusammen mit dem HEPHY in Wien im Rahmen des
”Austrian Federated Tier 2“
einen f¨ur die Teilnahme an den LHC-Experimenten notwendigen Beitrag. Zus¨atzlich laufen Bestre-bungen, dieses in der Hochenergiephysik erfolgreiche Konzept auch f¨ur andere Wissenschaftszweige nutzbar zu machen.
4 Internationale Beteiligungen
4.1 Osterreich am Kernforschungszentrum CERN, Genf¨
CERN ist die weltweit gr¨oßte Beschleunigeranlage, und hat ¨uber die letzten 50 Jahre Dank einer immer komplexeren Reihe von Beschleunigern (PS mit Protonen von 26 GeV, ISR mit 62GeV, SPS mit 450 GeV, Proton-Antiproton Kollisionen mit 620 GeV Schwerpunktsenergie, und LEP mit bis zu 209 GeV) und den daran stattfindenden Experimenten maßgeblich zum Verst¨andnis der Teilchenphysik und des Ursprungs des Universums beigetragen. Die dadurch aufgeworfenen Fragestellungen motivieren diese Entwicklung zu immer h¨oheren Energien, von denen man sich ein
zunehmend tieferes Verst¨andnis der Natur erhofft. Der aktuellste Schritt ist die Inbetriebnahme des LHC (bis zu 14 TeV), die Ende 2009 stattgefunden hat. Der LHC betritt, was die Komplexit¨at des Beschleunigers und der Experimente betrifft, absolutes Neuland .
Osterreichische Mitarbeiter spielen bei dieser Entwicklung eine wesentliche Rolle. Man kann¨ am CERN zwei Gruppen unterscheiden: einerseits CERN-Angestellte (Forscher/Ingenieure ¨ oster-reichischer Staatsb¨urgerschaft mit einem Vertrag mit CERN), Postdocs (CERN Fellows) und Dok-toranden sowie Diplomanden, andererseits Angestellte ¨osterreichischer Institute, die am CERN an Experimenten, der Theorieabteilung oder sonstigen Projekten arbeiten. Diese zweite Gruppe wird in den Abschnitten der einzelnen Institute aufgef¨uhrt. Die erste Gruppe besteht derzeit aus 29 Angestellten mit langj¨ahrigem Vertrag, 12 Angestellten mit Zeitvertrag, 11 Fellows und 23 Dok-toranden und Diplomanden.
CERN-Angestellte arbeiten zum Großteil am Aufbau und Erhalt der Experimente (PH-Abteilung) und der damit direkt verbundenen Infrastruktur (Beschleuniger: BE-Abteilung, In-formationstechnologie: IT-Abteilung) sowie im Rahmen der allgemeinen CERN-Infrastruktur (Ge-neral Services: GS, Technology and Engineering: TE, Human Resources: HR, Finance: FI, Direk-torat), oftmals in leitenden oder koordinierenden Rollen.
4.1.1 Experimente am Large Hadron Collider (LHC)
An den vier großen LHC-Experimenten (ATLAS, CMS, ALICE und LHCb) sind die weitaus mei-sten der in der Physikabteilung angestellten ¨Osterreicher aktiv. Die Zielsetzung dieser Experimen-te, die an der weltweit h¨ochsten Energie angesiedelt sind, ist die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Die damit verbundenen Bereiche sind die Suche nach dem Higgsteilchen, nach su-persymmetrischen Teilchen, nach Materie-Antimaterie Symmetrieverletzung (CP-Verletzung) oder die Untersuchung von Materie bei extrem hohen Dichten und Temperaturen. Obwohl die jeweili-gen Kollaborationen aus Hunderten von Physikern und Injeweili-genieuren bestehen, spielen die CERN-Osterreicher eine wesentliche und sehr sichtbare Rolle, sei es bei dem Bau der Detektoren (Si-¨ liziumpixeldetektoren, Kalorimeter, etc.), des Datennahmesystems, der Datenrekonstruktion, der detektorseitigen Elektronik oder weiteren f¨ur den Betrieb der Experimente essenziellen Bereiche (technische Infrastruktur, Software, Logistik, etc.).
4.1.2
”Fixed-Target“-Programm am Super-Proton Synchrotron (SPS), NA48 Das NA48-Experiment wurde mit dem Ziel, direkte CP-Verletzug in neutralen Kaonen zu messen, entworfen. Ebenso wurden K`3-Zerf¨alle gemessen, die eine wichtige Information zur ¨Uberpr¨ufung der Unitarit¨at der CKM-Matrix im Rahmen des Standardmodells lieferten. Bedeutsam waren auch die Daten der K`4-Zerf¨alle, wo aus einer Analyse der Endzustandswechselwirkung Parameter der Pion-Pion-Streuung und somit eine wichtige Information ¨uber den Niederenergielimes der QCD gewonnen werden konnten. Seit dem Erreichen des urspr¨unglichen Ziels wurden in einem weiteren Schritt seltene Zerf¨alle von neutralen und geladenen Kaonen, sowie die Ladungsasymmetrie in den Zerf¨allen positiv und negativ geladener Kaonen untersucht. HEPHY hat f¨ur dieses Experiment die Triggerelektronik f¨ur das elektromagnetische Kalorimeter, den Protonnachweis und die zen-trale Zeiteinheit beigesteuert. Der Detektor, der seit 1997 in Betrieb ist, wird derzeit erweitert, um einen extrem seltenen Zerfallskanal geladener Kaonen nachzuweisen, was eine außerordentlich empfindliche ¨Uberpr¨ufung des Standardmodells erlauben wird.
4.1.3
”Fixed-Target“-Programm am Proton Synchrotron (PS), n TOF Im Jahr 2001 wurde eine neue Anlage, n TOF (
”Neutron Time-of-Flight“) in Betrieb genommen.
Ein Neutronenstrahl mit hoher Intensit¨at wird aus einem sehr intensiven gepulsten Protonstrahl, der auf einen aus Blei bestehenden Zielblock auftrifft, gewonnen.
Flugzeitmessungen ¨uber mehrere hundert Meter erlauben die Energie der Neutronen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Diese Energie-analysierten Neutronen dienen einer Reihe von Unter-suchungen, vor allem f¨ur pr¨azise Messungen von Wirkungsquerschnitten (n,γ; n, Spaltung; n, xn;
etc. ) z. B. f¨ur den Th-U-Zyklus, Transmutationen oder nukleare Astrophysik. Nach einer kur-zen Unterbrechung, um Verbesserungen an dem Blei-Target vornehmen zu k¨onnen (um h¨ohere Neutronintensit¨aten zu erreichen), ist die Anlage seit 2009 wieder in Betrieb.
Das Atominstitut (Technische Universit¨at Wien), das Institut f¨ur Isotopenforschung und Kern-physik (Universit¨at Wien), sowie bis 2009 die Technische Fachhochschule Wiener Neustadt tragen zu dem Programm bei, mit besonderem Augenmerk auf Instrumentierungen um die prompten gamma(n,xn) Wirkungsquerschnitte zu messen.
4.1.4 Weitere Experimente und Projekte
Zus¨atzlich zu diesen Programmen gibt es eine große weitere Bandbreite von Experimenten und technischen Projekten, an denen ¨osterreichische Forscher, Doktoranden oder Studenten beteiligt sind oder in den letzten Jahren waren. Diese Aktivit¨aten spannen den Bogen von Grundlagen-forschung (Antiprotonen, NA60) ¨uber Beschleuniger-Entwicklungen (ISOLDE) bis zu neuartigen Detektoren und Elektronik, mit vielseitigen Anwendungsbereichen.
Ein ¨osterreichischer Forschungsphysiker des CERN arbeitet in der Antiprotonforschung, und f¨uhrt dort das AEGIS-Experiment, mit dem erstmals die Gravitationswechselwirkung von Antima-terie nachgewiesen werden soll, an. Weitere drei Experimente am
”Antiproton Decelerator“ (AD) testen die CPT-Symmetrie (die fundamentalste Symmetrie der relativistischen Quantenfeldtheo-rie). Diese Experimente messen die Eigenschaften von Antimaterie (Antiwasserstoff im Fall der ATRAP-, ALPHA- und ASACUSA-Experimente; letzteres untersucht außerdem antiprotonisches Helium). Ein letztes Experiment (ACE), and dem auch ein ¨Osterreicher beteiligt ist, untersucht die Auswirkungen von Antiprotonbestrahlung auf Zellen, im Hinblick auf Tumorbehandlung.
Das NA60 Experiment, in dem Schwerionenphysik untersucht wird, hat von der Mitarbeit eines technischen Doktoranden profitiert, der Detektorentwicklung, Detektorsimulation und Datenana-lyse (Wirkungsquerschnitte f¨ur die Produktion von ω- und φ-Mesonen, Analyse des χc, das eine wichtige Rolle f¨ur das Verst¨andnis der J/ψ-Unterdr¨uckung spielt) durchgef¨uhrt hat.
Zwei Doktoranden haben bei ISOLDE-Messungen und Analysen des ISOLDE-Targets und der Ionenquelle durchgef¨uhrt. Ein Postdoc und ein Student haben wesentliche Beitr¨age am
” Medipix-Project“, das die Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung von CMOS-Z¨ahlern f¨ur Halb-leiterdetektoren zum Ziel hat. Eines der wichtigsten Einsatzgebiete ist die Mammographie, sowie weitere Gebiete, die R¨ontgenstrahlen zur Diagnose verwenden. Im Vergleich zu weit verbreiteten Detektoren, wie CCDs und Film erlaubt der “Medipix-Chip“ einen viel besseren Bildkontrast, und die neuere Generation (Medipix2) h¨alt außerdem den Weltrekord f¨ur die h¨ochste Fl¨achenz¨ahlrate.
Das Projekt an dem die meisten ¨osterreichischen Doktoranden (je drei abgeschlossene und laufen-de Doktorate) mitgewirkt haben ist hingegen die Untersuchung von Szintillations-Kristallen, die eine wesentliche Rolle bei der Positronemissions-Tomographie (PET) spielen. Derzeit geht die Ent-wicklung in Richtung h¨ochstm¨oglicher Zeitaufl¨osung bzw. Lichtausbeute, um eine Ortsaufl¨osung bei medizinischen Anwendungen von weniger als einem Millimeter zu erreichen. Die L¨osung
die-ser Herausforderung bringt die Doktoranden in Kontakt mit Nanotechnologie (Strukturierung der Kristalloberfl¨achen), neuartigen Fabrikationstechnologien und komplexen Simulationen.
4.1.5 Beschleunigeraktivit¨aten am CERN
In den letzten Jahren hat die CERN-Beschleunigergruppe w¨ahrend 150 bis 200 Tagen im Jahr diverse Teilchenstrahlen f¨ur Physikexperimente zur Verf¨ugung gestellt und gleichzeitig den Bau des LHC-Beschleunigers vorangetrieben. Seit November 2009 ist diese Anlage in Betrieb, und kollidiert sowohl Protonen wie auch (ab 2010) Blei-Ionen. Bis Ende 2000 hat der LEP-Beschleuniger Elektronen und Positronen bei einer maximalen Energie von 104 GeV + 104 GeV zu Kollisionen gebracht.
Parallel zum routinem¨aßigen Betrieb der existierenden Anlagen, sowie technischen Neuerun-gen, die mit dem Ziel einer verbesserten Strahlqualit¨at, sowie neuartiger Strahlen f¨ur Physik-experimente, durchgef¨uhrt werden, finden in Hinblick auf m¨ogliche zuk¨unftige Beschleuniger auch eine Reihe von Entwicklungsprojekten statt. Die an den Beschleunigern arbeitenden ¨Osterreicher sind auf gewisse Bereiche und Forschungsgebiete spezialisiert, tragen aber nat¨urlich auch zu dem Betrieb im Allgemeinen, sowie zu den die Beschleuniger betreffenden Forschungsprojekten bei.
Derzeit arbeiten 22 ¨Osterreicher mit Vertrag mit dem CERN, sowie 8 Doktoranden und Fellows im Beschleunigersektor. Von diesen stehen 15 in direktem Bezug zu dem MedAustron Projekt.
4.1.6 Theorieabteilung des CERN
Die Theorieabteilung des CERN arbeitet in einer Reihe von Bereichen: Physik des Standard-modells,
”neue Physik“, Gittereichtheorien, Stringtheorie, Astroteilchenphysik und Kosmologie.
Derzeit werden vor allem Modelle der Physik im TeV-Bereich im Hinblick auf die LHC-Experimente gr¨undlich untersucht. Die Theorieabteilung arbeitet eng mit den Experimentatoren zusammen, so-wohl in der Vorbereitung der Analysen (z. B. durch die Exploration von neuartigen Signaturen) wie in der Analyse und Interpretation der Daten (wie z. B. die Suche nach Higgs-Signalen in den LEP-Daten, oder die Suche nach Punktquellen f¨ur h¨ochstenergetischste kosmischen Strahlen). Die Theorieabteilung bietet durch
”CERN-Fellowships“ eine einzigartige Ausbildungsm¨oglichkeit f¨ur fortgeschrittene Postdocs. Die meisten ¨osterreichischen Physiker in der theoretischen Teilchenphy-sik arbeiteten im Laufe ihrer Karriere als
”Fellows“ oder
”Research Associates“ in der Theorieab-teilung des CERN.
4.1.7 Das ¨osterreichische Doktorandenprogramm am CERN
CERN spielt eine wichtige akademische Rolle durch die Aufnahme und Betreuung von Doktorats-und Diplomstudenten. ¨Osterreichische akademische Institutionen nutzen dieses Potential in einer Reihe von Bereichen am CERN. Dieses Programm wird von anderen Mitgliedsstaaten als exemp-larisch angesehen, und seit kurzem von einigen kopiert. Im Jahr 1993 hat das Ministerium f¨ur Wissenschaft und Forschung das ¨osterreichische technische Doktorandenprogramm ins Leben ge-rufen, um ¨osterreichischen Studenten Zugang zu der am CERN verwendeten Spitzentechnologie zu erm¨oglichen. Der Beitrag des CERN in diesem Programm umfasst die lokale Betreuung, die technische Infrastruktur und alle mit dem Forschungsprojekt verbundenen Kosten. Andererseits deckt ¨Osterreich den f¨ur Doktoranden am CERN ¨ublichen Tagessatz ab. Mehr als 90 Studenten von sieben ¨osterreichischen Universit¨aten haben bisher an diesem Programm teilgenommen und in Bereichen wie angewandte Physik, Mikroelektronik, Informatik, Strahlenschutz, Geod¨asie und
mechanischen und elektrischen Ingenieurswissenschaften gearbeitet. In einer Reihe von F¨allen ha-ben sich dadurch langj¨ahrige Kollaborationen mit ¨osterreichischen Universit¨atsinstituten ergeben, die CERN als Forschungslabor f¨ur angewandte Wissenschaft und Technologie verwenden.
Besondere Erw¨ahnung verdient die relativ kurze Promotionsdauer, sowie die hohe Erfolgsrate, was sowohl auf die hohe Qualit¨at der ¨osterreichischen Studenten, als auch auf die aufmerksame und zielorientierte Betreuung am CERN zur¨uckzuf¨uhren ist.
Zus¨atzlich zu diesem Technologieprogramm unterst¨utzt das Ministerium einige auf Forschung in der Elementarteilchenphysik ausgerichtete Doktoratsstellen. Dieses zus¨atzliche Programm wird besonders von theoretischen Teilchenphysikern aus ¨Osterreich genutzt (mehr als 10 Studenten haben diese M¨oglichkeit wahrgenommen), und es wird als wesentlicher Beitrag zur Ausbildung junger ¨osterreichischen Theoretiker angesehen.
Zus¨atzlich zu diesen beiden Programmen haben nat¨urlich viele experimentelle Teilchenphysiker ihre Doktorarbeit ausgearbeitet, wobei sie direkt in das Forschungsprogramm der ¨osterreichischen Institute am CERN eingebunden sind.