Aktuelle Meldungen – FB 08 – Kernphysik
Neue Methode zur Erzeugung eines extrem schweren Wasserstoffisotops am Mainzer Teilchenbeschleuniger MAMI
Erzeugung und Vermessung des extrem neutronenreichen Wasserstoffisotops ⁶H gelingt erstmals an einem Elektronenstreuexperiment / Ergebnis weist auf unerwartet starke Wechselwirkung zwischen Neutronen innerhalb des Kerns hin
30.04.2025
Der A1-Kollaboration am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es zusammen mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus China und Japan erstmals gelungen, in einem Elektronenstreuexperiment eines der neutronenreichsten Isotope, Wasserstoff-6, zu erzeugen. Das Experiment an der Spektrometeranlage am Teilchenbeschleuniger Mainzer Mikrotron (MAMI) präsentiert eine neue Methode zur Untersuchung leichter neutronenreicher Kerne und stellt bisherige Auffassungen über Vielnukleon-Wechselwirkungen infrage. „Diese Messung konnte nur dank der einzigartigen Kombination aus der exzellenten Qualität des MAMI-Elektronenstrahls und den drei hochauflösenden Spektrometern der A1-Kollaboration durchgeführt werden“, kommentiert Prof. Dr. Josef Pochodzalla aus dem Institut für Kernphysik. Am Experiment beteiligt waren Forschende der Fudan University in Shanghai (China) sowie der Tohoku University Sendai und der University of Tokyo (beide Japan). Die experimentelle Arbeit wurde von dem Doktoranden Tianhao Shao geleitet und in dem renommierten Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht.
Wir gratulieren Dr. Sebastian Stengel herzlich zur erfolgreich abgeschlossenen Dissertation mit dem Titel „Design and Development of the MAGIX Trigger Veto System“
In seiner Dissertation entwickelte, realisierte und testete Sebastian Stengel ein zentrales Detektorsystem für das MAGIX-Experiment am neuen Elektronenbeschleuniger MESA in Mainz.
Das vielseitige MAGIX-Experiment ist ausgelegt für hochpräzise Untersuchungen in der Kern- und Hadronenphysik, eröffnet aber etwa auch die Möglichkeit zur Suche nach sogenannten dunklen Photonen – hypothetischen Teilchen, die in engem Zusammenhang mit Theorien zur dunklen Materie stehen. Der Nachweis gestreuter Teilchen erfolgt dabei im Wesentlichen über zwei hochauflösende Magnetspektrometer.
Im Mittelpunkt der Arbeit stand das sogenannte Trigger-Veto-System dieser Spektrometer. Es liefert eine schnelle und zuverlässige Triggerentscheidung für die Datennahme, erfasst Zeit-Koinzidenzen und stellt entscheidende Informationen zur Teilchenidentifikation bereit. Darüber hinaus dient es als Zeitreferenz für die Auslese der Spektrometer-Spurdetektoren.
Das System besteht aus einer segmentierten Triggerebene aus Plastikszintillatoren, die mit Photomultipliern ausgelesen wird, sowie einem flexiblen Vetosystem aus zusätzlichen Szintillatorschichten mit Silizium-Photomultipliern und Bleischichten zur Unterdrückung von Untergrundsignalen. Die Auslese erfolgt über eine schnelle, ratenfeste FPGA-basierte Elektronik.
Im Verlauf der Arbeit wurden sämtliche Komponenten des Systems entworfen, ausgewählt, getestet und systematisch optimiert - einschließlich der mechanischen Konstruktion für die Integration in die Spektrometer. Dabei kamen sowohl umfangreiche Simulationen mit Geant4 als auch umfassende Systemtests unter realistischen experimentellen Bedingungen zum Einsatz.
Bei einer Strahlzeit am MAMI-Beschleuniger erzielte das Triggersystem eine bemerkenswerte Nachweiseffizienz von 99,93%, eine Zeitauflösung von rund 180 ps (FWHM) sowie eine Ortsauflösung von etwa 25 mm - und übertraf damit die ursprünglich gesetzten Anforderungen deutlich. Dieses System ist nun vollständig einsatzbereit für den bevorstehenden Betrieb bei MAGIX.
Die Dissertation entstand im Rahmen der MAGIX-Kollaboration unter der Betreuung von Univ.-Prof. Achim Denig und dokumentiert eindrucksvoll den Beitrag von Sebastian Stengel zur Vorbereitung eines der zentralen Experimente am MESA-Beschleuniger.
Diese Arbeit ist ein herausragendes Beispiel für eine umfassende moderne experimentelle Detektorentwicklung – von der Konzeptphase bis zur erfolgreichen Umsetzung eines komplexen und leistungsfähigen Detektorsystems.
Forschende des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA+ sind an internationalem Großprojekt zur Suche nach "neuer Physik" beteiligt
15.04.2025
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat ihre Förderung des Mu3e-Experiments um weitere vier Jahre verlängert. Das Projekt, an dem Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der Universität Heidelberg und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) beteiligt sind, wird damit ab dem 1. Mai 2025 mit 5,6 Millionen Euro gefördert. Die Verlängerung der DFG-Forschungsgruppe 5199 ermöglicht den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die Suche nach der Verletzung der Lepton-Familienzahl fortzusetzen.
Das Mu3e-Experiment, das am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen in der Schweiz durchgeführt wird, ist ein internationales Vorhaben, an dem auch Forschende aus der Schweiz und Großbritannien beteiligt sind. Ziel des Projekts ist es, einen sogenannten Lepton-Flavor-verletzenden Zerfall eines positiven Muons zu beobachten, bei dem das Muon in zwei Positronen und ein Elektron zerfällt. Da dieser Zerfall im Standardmodell der Teilchenphysik nicht vorgesehen ist, wäre die Beobachtung dieses Prozesses ein deutliches Indiz für neue Physik.
Wir gratulieren Dr. Viacheslav Tsaran nachträglich zur abgeschlossenen Dissertation mit dem Titel
Unified approach to nuclear pion scattering and photoproduction
Ein vielversprechender Weg, um zu untersuchen, wie Protonen und Neutronen im Inneren von Atomkernen angeordnet sind, ist die Erzeugung neutraler Pionen durch Photonenwechselwirkungen mit den Kernen. Die genaue Modellierung dieser Wechselwirkungen war jedoch bisher eine Herausforderung. Diese Forschungsarbeit entwickelt einen neuen theoretischen Rahmen für die Pionenproduktion im Bereich niedrigen Energien, der die komplexen Wechselwirkungen zwischen Pionen und Kernen berücksichtigt.
Supraleitende Kernkomponente für internationales P2-Experiment in unterirdischer Halle in zehn Metern Tiefe installiert
25.11.2024
Eines der Leuchtturmprojekte des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist der Bau des neuen, energierückgewinnenden Teilchenbeschleunigers MESA (Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator), der zukünftig Experimente mit bisher unerreichter Präzision ermöglichen wird. Eines der Hauptexperimente an MESA, P2, wird durch die Messung des sogenannten schwachen Mischungswinkels eine Schlüsselrolle bei der Erforschung der "neuen Physik" – Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik– spielen. Die zentrale Komponente des P2-Experiments, eine supraleitende Magnetspule mit einem Durchmesser von vier Metern und einem Gewicht von 21 Tonnen, ist jetzt auf dem Campus der JGU angeliefert und in den MESA-Teilchenbeschleuniger eingebaut worden. Der Magnet wurde in Vannes, Frankreich, hergestellt und am vergangenen Donnerstag nach Mainz geliefert. "Wir haben fast fünf Jahre lang mit der Firma SigmaPhi zusammengearbeitet, um die Herausforderungen zu meistern und das hochmoderne Design für unser Experiment zu realisieren", sagt Prof. Dr. Frank Maas, Sprecher des P2-Experiments, das zurzeit von einer Kollaboration aus Physikerinnen und Physikern aus Deutschland, Frankreich, Kanada und den USA aufgebaut wird. "Ein solcher Solenoidmagnet wird zum ersten Mal für Experimente dieser Art eingesetzt. Sein großer Durchmesser ermöglicht es, besonders hohe Teilchenraten aufzunehmen. Die Größe des Magneten hat aber auch eine besondere Herausforderung in der Konstruktion und Produktion dargestellt."
Wir gratulieren Herrn Marius Köppel zur abgeschlossenen Dissertation mit dem Titel
"Data Flow in the Mu3e Data Acquisition System"
Marius Köppel hat seine Doktorarbeit zum Datennahmesystem für das Mu3e-Experiment erfolgreich verteidigt. Mu3e benutzt den intensiven Muonstrahl des Paul Scherrer Instituts in der Schweiz um nach dem Lapton-Flavour-verletzenden Zerfall eines positiven Muons in zwei Positronen und ein Elektron zu suchen. Marius hat Firmware entwickelt, die die Daten des Experimentes aus dem Detektor zur Filter-Farm fliessen lässt. Er hat entscheidend mitgewirkt, das Datennahmesystem und die Echtzeit-Analyse für die Mu3e Cosmic- und Integrationsruns zum Laufen zu bringen. Des weiteren hat er große Beiträge dazu geleistet, die für Mu3e entwickelten MuPix-Pixelsensoren auch als Werkzeuge für Muon-Spin-Relaxationsexperimente (MuSR) zu etablieren. Die Doktorarbeit ist hier erhältlich.
Große Ehre für theoretischen Physiker der JGU und Mitglied des Exzellenzclusters PRISMA+
Große Ehre für theoretischen Physiker der JGU und Mitglied des Exzellenzclusters PRISMA+08.10.2024
Prof. Dr. Pierre Capel, Professor für theoretische Physik am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und Mitglied deren Exzellenzclusters PRISMA+, ist zum Fellow der American Physical Society (APS) gewählt worden. Damit wird seine Anwendung von Wenig-Körper-Methoden bei der Untersuchung von Kernreaktionen mit exotischen Kernen ausgezeichnet. Das Fellowship-Programm der APS ist eine Auszeichnung für Mitglieder, die durch herausragende Forschung und Publikationen einen bedeutenden Beitrag zur Weiterentwicklung des Fachs geleistet haben. Jedes Jahr werden deutlich weniger als ein Prozent der Mitglieder der Gesellschaft zu Fellows gewählt.
Sonderforschungsbereich am Institut für Kernphysik der JGU sucht nach neuen physikalischen Phänomenen durch ein besseres Verständnis der Prozesse der starken Wechselwirkung
31.05.2024
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat heute die Einrichtung eines neuen Sonderforschungsbereichs (SFB) an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) bewilligt. Der SFB 1660 "Hadrons and Nuclei as Discovery Tools" zielt darauf ab, die starke Wechselwirkung zu verstehen, die zu Prozessen führt, an denen Hadronen, Kerne und Atome beteiligt sind. Damit sollen grundlegende Fragen beantwortet werden: Welche physikalischen Phänomene treten jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) auf und wie können wir sie messen und beschreiben? Sprecherin und Sprecher des neuen Sonderforschungsbereichs sind Prof. Dr. Concettina Sfienti (Experiment) und Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen (Theorie) vom Institut für Kernphysik der JGU.
24.05.24
Vom 13. bis 17. Mai fand in Trient der Workshop Strange Hadrons as precision tool for strongly interacting systems (SPICE) statt. "Mit 52 internationalen Teilnehmern und 39 Hauptrednern bot die Konferenz eine perfekte Plattform, um den aktuellen Stand des Feldes zu bewerten, potenzielle Synergien innerhalb der Community zu identifizieren und experimentelle Ziele für neue Forschungsaktivitäten zu definieren", fasst Prof. Josef Pochodzalla, einer der Organisatoren, zusammen. Um das Feld so breit wie möglich abzudecken, wurde während des fünftägigen Workshops eine Vielzahl von Themen behandelt, darunter Hypernuklei, exotische Atome, Femtoskopie, extrem neutronenreiche Kerne, die Kaon-Kern-Wechselwirkung und die 
„Strangeness“ in Neutronensternen.
Der Workshop wurde durch das EU-Projekt Strong 2020 und ECT* unterstützt.
Francesca Bonaiti erhält den DAAD-Preis 2024 für internationale Studierende
Francesca Bonaiti aus der Arbeitsgruppe von Sonia Bacca gehört zu den besten Physik-Doktorandinnen der JGU. In ihrer theoretischen Forschung erzielt sie immer wieder herausragende Ergebnisse und hat bereits mehrere Arbeiten in Fachzeitschriften veröffentlicht. Aufgrund ihres großen Potenzials hat sie mehrere Einladungen zu internationalen Konferenzen erhalten und erhielt kürzlich ein fünf Jahres FRIB-Theoriestipendium in den USA.
Francesca Bonaitis Forschung liegt im Bereich der theoretischen Kernphysik. Mit Hilfe komplexer Berechnungsmethoden untersucht sie das Verhalten von Atomkernen in elektrischen und magnetischen Feldern, ausgehend von der starken Kraft, die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält. Ihre Arbeit erweitert somit allgemein unser Wissen über die Kernstruktur und trägt im Speziellen dazu bei, unser physikalisches Verständnis von Neutronensternen zu verbessern.
Neue Physik der Paritätsverletzung: Vom Thomson-Limit zur Energiegrenze / Förderung in Höhe von 3,2 Millionen Euro
11.04.2024
Ein Konsortium um Prof. Dr. Maarten Boonekamp von der Universität Paris-Saclay als Sprecher, und die Mainzer Wissenschaftler Prof. Dr. Jens Erler und Prof. Dr. Frank Maas hat im April 2024 einen ERC Advanced Grant für das Projekt "Zeptometry" erhalten. Dieses Projekt zielt darauf ab, neue Präzisionsmessungen bei höchsten Energien am LHC am CERN mit anspruchsvollen neuen Präzisionsmessungen bei sehr niedrigen Energien mit dem kommenden MESA-Beschleuniger in Mainz in Verbindung mit der theoretischen Interpretation der experimentellen Ergebnisse zu kombinieren. Die Förderung ist der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen dem Z-Boson und den Fermionen – also den Quarks und Leptonen, die die gewöhnliche Materie ausmachen – gewidmet, wofür das bevorstehende Experiment P2 Elektronenbeschleuniger MESA der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) von entscheidender Bedeutung sein wird.
Der Gründungsdirektor unseres Instituts wird heute 100
28.02.2024
Herwig Schopper, ein Pionier der experimentellen Teilchenphysik in Deutschland und Europa und Gründungsdirektor des Instituts für Kernphysik an der JGU Mainz feiert heute seinen 100. Geburtstag.
Mainzer Kernphysikerin für vorbildhafte Leistungen in Lehre und Forschung ausgezeichnet
01.12.2023
Prof. Dr. Concettina Sfienti vom Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat den mit 25.000 Euro dotierten Akademiepreis des Landes Rheinland-Pfalz erhalten. Die Auszeichnung wird von der Akademie der Wissenschaften und der Literatur Mainz und dem Land Rheinland-Pfalz jährlich an Persönlichkeiten vergeben, die im Bereich der Hochschulen des Landes herausragendes Engagement im Rahmen ihres Fachs gezeigt haben. Prof. Dr. Concettina Sfienti sei nicht nur eine exzellente und erfolgreiche Forscherin, so die Vorsitzende der Jury, Prof. Dr. Margret Wintermantel, in ihrer Laudatio, sondern zugleich eine begeisternde Lehrende, die durch ihren Enthusiasmus und ihr Engagement in Lehre und Öffentlichkeitsarbeit immer wieder junge Menschen für die Wissenschaft und insbesondere für ihr faszinierendes Fachgebiet begeistert. Als leidenschaftliche Experimentatorin sei sie nicht nur an Forschungsinhalten, sondern auch an der Ausprägung neuer Experimentiertechniken sowie an der möglichen Anwendung ihrer Erkenntnisse interessiert.
31.10.2023
Im November 2023 gibt es wieder eine Woche voller spannender Veranstaltungen zur Teilchenphysik: Die bundesweite „Woche der Teilchenwelt“ organisiert vom Netzwerk Teilchenwelt!
Und auch die Johannes Gutenberg-Universität in Mainz ist dabei – mit einer Teilchenphysik Masterclass und einer virtuellen Führung bei unserem Elektronenbeschleuniger MAMI.
Alle Informationen zu den Veranstaltungen und der Anmeldung gibt es hier.
27.10.2023
Im historischen Gebäude des Erbacher Hofs in der Mainzer Altstadt fand vom 16. bis 20. Oktober 2023 die „International Conference on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleon (MENU 2023)“ statt. Mehr als 140 Teilnehmer und Teilnehmerinnen aus 15 Ländern diskutierten dort in 26 Plenar- und 77 Parallelsitzungsvorträgen ihre Forschungsergebnisse zu Themen aus dem Gebiet der Hadronenphysik sowie verwandter Bereiche. Eine große Rolle spielten auch zukünftige Entwicklungen in diesem Forschungsgebiet, wie zum Beispiel der Electron-Ion-Collider in den USA und der Mainz Energy Recovering Accelerator MESA in Mainz sowie neue zukunftsweisende Entwicklungen in der Theorie.
26.10.2023
Um den neuen Elektronenbeschleuniger MESA betreiben zu können, wird neben den eigentlichen Beschleunigerkomponenten auch eine umfangreiche technische Infrastruktur benötigt: so zum Beispiel ein auf verflüssigtem Helium basiertes Kryosystem zur Kühlung der supraleitenden Beschleunigereinheiten. Dieses Kryosystem wurde von den Wissenschaftler:innen und Technikern des Instituts für Kernphysik rückgewinnend konzipiert, d.h. der Anteil des flüssigen Heliums, der während des Kühlprozesses verdampft, wird anschließend wieder einer Verflüssigungsanlage zugeführt und kann somit wiederverwendet werden. Eine zentrale Komponente hierfür ist der sogenannte subatmosphärische Kompressor, der nun erfolgreich von den Mitarbeitern unserer technischen Betriebseinheit „Vakuum“ gemeinsam mit der Herstellerfirma installiert wurde. Dieser große Kompressor mit einer Grundfläche von ca. drei auf sechs Metern wird verwendet, um das im System verdampfte Helium vor der Rückführung zum Verflüssiger zunächst von einem Druck von etwa 16 mbar wieder auf Atmosphärendruck (~1 bar) zu verdichten, bevor es dann über eine weitere Kompressorengruppe auf den Arbeitsdruck des Verflüssigers von ca. 10 bar gebracht werden kann.
11.10.2023
Mächtige Magnete für MAGIX
Kernkomponenten für anlaufendes MESA-Experiment MAGIX in Mainz eingetroffen
Eines der Leuchtturmprojekte des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA+ ist der Bau des neuen energierückgewinnenden Teilchenbeschleunigers MESA, der zukünftig Experimente mit bisher unerreichter Präzision ermöglichen wird. Eines dieser Experimente trägt den Namen MAGIX und ist ein ausgeklügelter Spektrometeraufbau, mit dem die Wissenschaftler*innen einige der grundlegendsten Fragen der modernen Physik beantworten wollen: Wie groß ist das Proton wirklich? Können wir Anhaltspunkte für dunkle Photonen finden? Können wir die Fusion von Kohlenstoff und Helium zu Sauerstoff in Sternen genauer verstehen? Jetzt sind mit zwei jeweils 18 Tonnen schweren Magnetsystemen ganz entscheidende Bauteile für MAGIX in Mainz eingetroffen.
07.08.2023
Die „European Conference on Few-Body Problems in Physics“ fand bereits zum 25. Mal statt – dieses Jahr auf dem Campus der JGU Mainz. Mehr als 150 Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus aller Welt diskutierten dabei über fünf Tage in 13 Sessions aktuelle Fragen aus den Bereichen der Hadronen und (Hyper-)Kernphysik, der kalten Atome und Quantenphysik, der Wenig-Körper-Systeme und anderen mehr. Um einen möglichst umfassenden Diskurs zu ermöglichen, wurden ukrainische Forscher:innen online zugeschaltet , da es ihnen wegen des Krieges in der Ukraine nicht möglich war vor Ort dabei zu sein.
01.08.2023
Nach jahrelanger Entwicklungsarbeit wurde der neue Pixel Vertex Detektor (PXD2) im internationalen Belle-II Experiment am SuperKEKB Elektron-Positron Beschleuniger in Japan erfolgreich installiert. An der Gestaltung und Konstruktion war auch die Arbeitsgruppe von Concettina Sfienti am Institut für Kernphysik beteiligt. Unter Mainzer Federführung wurde die Echtzeit-Überwachung der Datenqualität umgesetzt und wichtige Bereiche der Software zur Steuerung des PXD2 programmiert. Außerdem wurden Sensormodule bei MAMI auf ihre Strahlenhärte getestet.
04.07.2023
Vom 26.06.23 bis 30.06.23 fand der diesjährige Workshop des “Proton Radius European Network” (PREN 2023) und der „Muonic Atom Spectroscopy Theory Initiative“ (µASTI) in den Räumlichkeiten des HIM an der JGU Mainz statt. Über 50 Wissenschaftler aus mehr als einem Dutzend Ländern diskutierten in den fünf Tagen ihre Forschung zum Aufbau von Nukleonen und Kernen, sowie der Suche nach Neuer Physik, durch die Konfrontation von präzisen Theorievorhersagen mit Experimenten der Elektronenstreuung und der Spektroskopie von teils exotischen Atomen und Molekülen. „Insgesamt hatten wir ein sehr vielseitiges Programm mit vielen spannenden Diskussionen, die motivieren und inspirieren in Zukunft noch enger an den gemeinsamen Fragestellungen zu arbeiten. Wir freuen uns schon auf die nächste Veranstaltung.“, resümierten die lokalen Veranstalter Franziska Hagelstein (Institut für Kernphysik) und Randolf Pohl (Institut für Physik).