Teilchenbeschleuniger erlauben Experimente in der Grundlagenforschung und praktische Anwendungen unter Bedingungen, die sonst nicht realisierbar wären. Am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) auf unserem Campus bietet beispielsweise ein kompakter Beschleuniger neue Möglichkeiten für eine verbesserte Strahlentherapie. Fortschritte in der Supraleitungstechnologie ermöglichen auch wegweisende Experimente in der Grundlagenphysik, die zuvor aufgrund technischer oder wirtschaftlicher Einschränkungen nicht möglich waren. Zu diesem Zweck wird der neue energie-rückgewinnende Elektronenbeschleuniger MESA, der derzeit am Institut für Kernphysik gebaut wird, in naher Zukunft seinen Betrieb aufnehmen. Darüber hinaus wird der von einer Mainzer Beschleunigergruppe entwickelte Schwerionenbeschleuniger HELIAC auf dem nahegelegenen Campus der GSI installiert. Dies bietet das spannende Potenzial, Kerne bisher unbekannter chemischer Elemente herzustellen.

An der Schnittstelle von Teilchenphysik, Physik der Sterne und Kosmologie zielt das Gebiet der Astroteilchenphysik darauf ab, gleichzeitig unser Verständnis des Universums als Ganzes und der Elementarteilchen, aus denen es besteht, zu verbessern und unser Wissen über die Dunkle Materie zu erweitern. Um die oft schwachen Signale zu verstehen, sind wir an einigen der gewagtesten Experimente an zahlreichen Orten rund um den Globus beteiligt. Wir untersuchen die extremsten Bedingungen, die im Universum auftreten, durch theoretische Forschung und als Mitglieder internationaler experimenteller Kollaborationen. Das Detektorlabor und das neue Zentrum für Grundlagenphysik ermöglichen es uns, neue Technologien zu entwickeln, um die Grenzen des Wissens zu erweitern.

Das Institut für Physik der Atmosphäre untersucht, wie Wetter und Klima entstehen und sich verändern. In sechs Arbeitsgruppen – Theoretische Meteorologie, Theoretische Wolkenphysik, Erdsystem- und Klimamodellierung, Modellierung von Wolken-Aerosol-Dynamik-Wechselwirkungen, Flugzeugmessungen und UTLS-Transportprozesse sowie Atmosphärische Spurenstoffe – analysieren wir die Prozesse, die das Wettergeschehen und den Klima- und Umweltwandel prägen. Durch die Kombination von numerischen Modellen, experimentellen Methoden und Messungen in der Atmosphäre leisten wir einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis der Atmosphärenforschung und des Erdsystems als Ganzes.

In der Atom- und Quantenphysik an der JGU Mainz erforschen wir grundlegende Phänomene der Quantenwelt an einzelnen Atomen, Ionen und Photonen. Mithilfe modernster Techniken wie Präzisionsmessungen, hochauflösender Laserspektroskopie und Quantenoptik testen wir fundamentale Symmetrien, bestimmen Naturkonstanten mit höchster Genauigkeit und entwickeln neuartige Konzepte für Quanteninformation und Quantensensorik. Unsere Arbeiten verbinden experimentelle Spitzenforschung mit theoretischen Modellen, um das Verständnis der physikalischen Grundlagen zu vertiefen und neue technologische Anwendungen zu erschließen.

Eine starke Kraft bindet Quarks an Hadronen und Kerne. Wir untersuchen, welche gebundenen Zustände existieren und welche Eigenschaften sie haben. Zu diesem Zweck nutzen wir die Elektronenbeschleuniger MAMI und MESA auf unserem Campus sowie Experimente am IHEP Peking, am KEK in Japan und am CERN und PSI in der Schweiz. Diese Experimente werden durch intensive theoretische Bemühungen ergänzt, bei denen sowohl Gitterberechnungen als auch analytische Methoden zum Einsatz kommen.

Die Forschung in der Hochenergie-Teilchenphysik zielt auf ein tieferes Verständnis der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen als fundamentale Bausteine der Natur, und möchte die Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik entdecken. Durch theoretische Forschung und als Mitglieder großer experimenteller Kollaborationen, die einige der kompliziertesten und umfangreichsten Forschungsgeräte der Welt betreiben, entwickeln wir effektive Feldtheorien und führen Präzisionstests des Standardmodells durch, erforschen die Physik des Higgs-Sektors, suchen nach neuer Physik und dunklen Sektoren und untersuchen die Geheimnisse der Quark- und Lepton-Flavours.

Die mathematische Physik verwendet mathematische Methoden, um physikalische Probleme zu lösen, die darauf abzielen, das Verhalten von physikalischen Systemen streng zu definieren und systematisch zu untersuchen. Da die moderne Mathematik die Forschung in der Physik inspiriert und umgekehrt, ist die mathematische Physik ein interdisziplinäres Forschungsgebiet, das die theoretische Physik und die reine Mathematik verbindet.

In Mainz konzentriert sich die Forschung im Bereich Mathematische Physik vor allem auf Fragen der theoretischen Hochenergiephysik, wobei der Schwerpunkt auf perturbativen und nicht-perturbativen Behandlungen von Quantenfeldtheorien sowie auf der Stringtheorie liegt, die einen Rahmen für die Quantengravitation bietet.

Das Zusammenspiel vieler quantenmechanischer Freiheitsgrade in Festkörpersystemen führt zu völlig neuen Materiezuständen. Diese neu entstehenden Phasen, die in Stoffen erzeugt werden, können nicht-triviale Topologien mit bemerkenswerten elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften aufweisen. Die Forschung im Bereich Quantenmaterie und Spintronik schlägt eine Brücke zwischen Grundlagenwissenschaft und Spitzentechnologie und ebnet den Weg für energieeffiziente Speicher, fortschrittliche Sensorik und revolutionäre Ansätze der künstlichen Intelligenz.

Wo immer es Leben gibt, gibt es auch weiche Materie. Diese Materialien – basierend auf Kolloiden, (Bio-)Polymeren, Tensiden, Schäumen, Gelen und ähnlichen Systemen – existieren zwischen den herkömmlichen Phasen der Materie und sind weder echte Flüssigkeiten noch echte Feststoffe. Sie werden durch ein Zusammenspiel zahlreicher schwacher molekularer Wechselwirkungen, mesoskopischer Organisation und emergentem Verhalten gesteuert, lassen sich leicht durch thermische Fluktuationen verformen und reagieren stark und effizient auf äußere Reize. Die Physik der weichen Materie ist das Herzstück der Mechanik des Lebens und der Entwicklung von Funktionssystemen der nächsten Generation.