Johannes Gutenberg-Universität Mainz > Fachbereich 08 > Physik > Physikforschung > Forschungsfelder > Astro-, Astroteilchen- & Neutrinophysik
Neutrinos sind die Außenseiter des Standardmodells. Da sie nur schwach mit den anderen Teilchen interagieren, sind eine Reihe von Schlüsseleigenschaften der Neutrinos noch unbekannt – einschließlich ihrer winzigen Massen und wie diese erzeugt werden. Während das Experiment Project 8 darauf abzielt, den absoluten Wert der Massen direkt zu messen, versucht man mit den Experimenten JUNO und IceCube, ihre Ordnung zu bestimmen. Eine mögliche Erklärung für die geringe Masse der Neutrinos könnte sein, dass sie ihre eigenen Antiteilchen sind. Dies würde zu dem Phänomen des neutrinolosen doppelten Betazerfalls führen, nach dem die NuDoubt++ Kollaboration sucht. Ganz allgemein könnten sich Neutrinos und Anti-Neutrinos unterschiedlich verhalten. Dies wird gemeinhin durch eine CP-verletzende Phase beschrieben, die beim Vergleich von Neutrino- und Anti-Neutrinostrahlen bei DUNE beobachtet werden kann. Die technologische Entwicklung für zukünftige Experimente und Querschnittsmessungen für Beschleuniger-Neutrinos werden am ANNIE-Experiment am Fermilab durchgeführt.
Neutrinos bieten auch eine einzigartige Möglichkeit für die theoretische Forschung. Wir erforschen den Ursprung ihrer Massen, nicht-standardmäßige Neutrino-Wechselwirkungen und ihre mögliche Rolle bei der Entstehung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie (Gruppen der Professoren Harz und Kopp). Trotz vieler offener Fragen zu ihren Eigenschaften und ihrem Ursprung können Neutrinos als kosmische Boten dienen, die Informationen von einer Vielzahl astrophysikalischer Objekte transportieren – einschließlich der Erde, der Sonne und entfernter kosmischer Quellen.
Das frühe Universum, vom Urknall bis zur Entstehung von Galaxien und Sternen, ist der Schlüssel zu mehreren ungelösten fundamentalen Fragen der Physik. Dazu gehören die Dynamik der Ausdehnung, der Ursprung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie sowie die Natur und die Entstehung der dunklen Materie. Einblicke in diese Epoche gewähren Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, großräumiger Strukturen und zunehmend auch die Suche nach Gravitationswellen.
Unsere Forschung befasst sich mit diesen tiefgreifenden Fragen durch eine Vielzahl von Ansätzen. Wir untersuchen Mechanismen wie die Baryogenese und die Leptogenese, um den Ursprung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie zu erklären. Wir untersuchen Phasenübergänge und die Dynamik des dunklen Sektors, die zu Gravitationswellen und anderen Beobachtungen des frühen Universums führen. Wir untersuchen auch die inflationäre Dynamik, gefolgt von der Aufwärmung des Universums, erforschen Kandidaten für dunkle Materie und entwickeln die theoretischen Grundlagen der Kosmologie des frühen Universums mit Hilfe der Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit und der Nicht-Gleichgewichts-Quantenfeldtheorie weiter. Dabei stellen wir enge Verbindungen zwischen der Hochenergiephysik und kosmologischen Beobachtungen her. Auf der experimentellen Seite wird das GravNET-Experiment nach Gravitationswellen bei GigaHertz-Frequenzen suchen, mit dem Ziel, das frühe Universum kurz nach dem Ende der Inflation und der Wiedererwärmung zu untersuchen. Ergänzende Untersuchungen zur Physik des frühen Universums werden in der Hochenergie-Teilchenphysik durchgeführt, insbesondere die Erforschung der Higgs-Physik im Zusammenhang mit dem elektroschwachen Phasenübergang und der Quark- und Leptonenflavour-Physik als Schlüsselelement der Baryogenese.
Astrophysikalische Beobachtungen liefern überwältigende Beweise für die Existenz einer zusätzlichen nicht leuchtenden Materiekomponente in unserem Universum, die gemeinhin als dunkle Materie bezeichnet wird. Über ihre Eigenschaften ist jedoch nur wenig bekannt. Tatsächlich ist ihre Masse praktisch unbegrenzt und reicht von ultraleichten Skalarfeldern mit Massen, die viel leichter sind als die der Neutrinos, bis hin zu primordialen schwarzen Löchern mit einem Vielfachen der Sonnenmasse. Die Bestimmung der Natur der dunklen Materie ist daher eine der wichtigsten offenen Fragen der Astroteilchenphysik.
In Mainz suchen die Experimente CASPEr und GNOME mit hochempfindlichen Spinpräzessionsgeräten und optischen Magnetometern (Gruppe von Dmitry Budker) nach ultraleichter dunkler Materie. Das XENON-Experiment sucht nach Kollisionen von Dunkle-Materie-Teilchen im GeV- bis TeV-Bereich mit Xenon-Atomen in einem hoch abgeschirmten unterirdischen Experiment. Das COSI Compton-Teleskop, ein Satellit, der 2027 gestartet werden soll, wird nach Gammastrahlenemission von dunkler Materie im MeV-Bereich suchen. Die Mainzer Theoriegruppen entwickeln und analysieren neue Modelle der dunklen Materie, verbessern die Methoden zur theoretischen Vorhersage der Häufigkeit dunkler Materie und ihrer Wechselwirkungen und entwerfen neue Strategien zur Suche nach dunkler Materie. Ergänzt werden diese Bemühungen durch die Suche nach Teilchen der dunklen Materie oder ihren Vermittlern am MESA-Beschleuniger in Mainz und im Rahmen der ATLAS-Kollaboration.
Wie entstehen die Elemente in den Sternen und was geschieht mit der Materie unter den extremsten Bedingungen im Universum? Wie werden die Elemente in unserer Milchstraße geschmiedet? Was geschieht bei einer Supernova-Explosion? Unsere Forschung geht diesen Fragen mit Experimenten am Himmel und im Labor auf den Grund. Unsere Studien zur stellaren Nukleosynthese und zur Struktur von Neutronensternen kombinieren modernste Experimente mit theoretischer Modellierung. Am Hochintensitätsbeschleuniger MESA untersuchen wir Kernreaktionen, die für das Verständnis der Entstehung von Elementen in Sternen unerlässlich sind. Gleichzeitig erforschen wir die Eigenschaften neutronenreicher Materie, um das Verhalten von Materie unter extremen Dichten und die Physik, die Neutronensterne formt, besser zu verstehen. Der Compton Spectrometer and Imager (COSI) ist eine Satellitenmission zur Erforschung der Sternenphysik, insbesondere der Gammastrahlenemissionen von radioaktiven Isotopen, die in Supernovae entstehen, und des Ursprungs von Positronen in unserer Galaxie.
