ANNIE ist ein mit Gadolinium dotierter Wasser-Tscherenkov-Detektor, der Messungen im Booster Neutrino Beam (BNB) am Fermilab in Batavia (Illinois) in den Vereinigten Staaten durchführt. Das Hauptziel ist die Bestimmung der Neutronenmultiplikation, die durch Myon-Neutrino-Wechselwirkungen in Wasser erzeugt wird, als eine Funktion des Impuls-Transfers: Die Ergebnisse werden sich auf die Rekonstruktion von Neutrino-Wechselwirkungen in Oszillationsexperimenten mit langer Basislinie auswirken, aber auch auf die Suche nach dem Protonenzerfall und dem diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund in zukünftigen groß angelegten Detektoren.

Die Mainzer Gruppe leistet einen Beitrag zu den Nahdetektoren des DUNE-Komplexes, die für das Verständnis der Eigenschaften des Neutrinostrahls und der Wechselwirkung von Neutrinos mit Argon unerlässlich sind. Der Prozess, bei dem ein Neutrino oder Anti-Neutrino mit Materie wechselwirkt, kann dadurch beschrieben werden, dass das Neutrino ein W- oder Z-Boson mit einem Neutron oder Proton innerhalb des Argonkerns austauscht. Um diesen Prozess zu verstehen, ist es nicht nur wichtig, die Energie-/Impulsverteilung der Argon-Nukleonen zu kennen, sondern auch zu wissen, wie die im Kern erzeugten Teilchen beim Durchqueren des Kernmediums des Argon-Kerns interagieren.

Der IceCube-Detektor ist ein Kubikkilometer großes Neutrinoteleskop, das im Gletschereis am geografischen Südpol aufgestellt wurde. Seine enorme Größe ermöglicht es, die sehr seltenen Wechselwirkungen astrophysikalischer Neutrinos zu untersuchen – einzigartige Sonden aus den Tiefen des Universums, die helfen können, die schwer fassbaren Quellen der kosmischen Strahlung zu identifizieren. Gleichzeitig können die Eigenschaften der Neutrinos selbst anhand der Fülle der beobachteten atmosphärischen Neutrinos und ihrer Schwingungen auf ihrem Weg durch die Erde untersucht werden.

Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ist ein hochmodernes Neutrinoexperiment in China, mit dem die Neutrinomassenhierarchie mit noch nie dagewesener Präzision bestimmt werden soll. Sein Hauptziel ist es, die Ordnung der Neutrinomassen zu klären, eine grundlegende Frage der Teilchenphysik. Das Besondere an JUNO ist sein massiver 20.000-Tonnen-Flüssigszintillator-Detektor, der eine außergewöhnliche Energieauflösung und Empfindlichkeit bietet. Neben den Reaktorneutrinos wird JUNO auch Sonnen-, Atmosphären-, Supernovaausbruchsneutrinos, Geoneutrinos und den diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund (DSNB) untersuchen und bietet damit ein breit gefächertes Wissenschaftsprogramm. Dank seiner Größe und Vielseitigkeit wird JUNO eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung unseres Verständnisses der Neutrino-Eigenschaften und astrophysikalischer Prozesse spielen.

Während man lange Zeit dachte, dass Neutrinos masselos sind, ist ihre Oszillation ein klarer Beweis dafür, dass sie es nicht sind. Die exakteste Methode zur Bestimmung dieser winzigen Massen im Labor ist die Beobachtung des Endpunkts des β-Zerfallspektrums von Tritium. Die neuartige CRES-Methode zur Bestimmung der β-Energie durch die schwache Radioemission wird die Energieauflösung durch eine genauere Messung der Elektronenbewegung verbessern, aber auch dadurch, dass sie die Verwendung von Tritiumatomen anstelle von Molekülen ermöglicht. Die Erzeugung dieser Atome stellt eine große technologische Herausforderung dar, da die Atome auf über 2300K erhitzt werden müssen, um sie zu dissoziieren, aber in der Falle nur Milli-Kelvin-Temperaturen haben können. Eine weitere Herausforderung stellen die Magnetfelder dar, die einen genau kontrollierten homogenen Bereich, in dem die Elektronenenergie gemessen wird, und steile Wände benötigen, um sowohl Elektronen als auch Atome einzufangen.

COSI ist ein weltraumgestütztes Gammastrahlen-Observatorium, das die Geheimnisse von Sternexplosionen aufdecken soll, indem es radioaktive Isotope aufspürt, die in Supernovae geschmiedet wurden. Durch die Kartierung der Gammastrahlenemissionen von Isotopen wie Aluminium-26 und Eisen-60 wird COSI die chemische Entwicklung der Milchstraße nachzeichnen und aufzeigen, wo schwere Elemente entstehen. Es wird auch nach Gammastrahlen von Titan-44 suchen, einer Schlüsselsignatur von jungen Supernova-Überresten, die Aufschluss darüber geben, wie massereiche Sterne ihr Leben beenden. COSI wird die 511 keV-Linie untersuchen, die ausgesendet wird, wenn Positronen mit Elektronen vernichtet werden, und so dazu beitragen, die Quellen von Antimaterie in unserer Galaxie zu identifizieren. Mit seinem empfindlichen Compton-Teleskop wird COSI den MeV-Gammastrahlenhimmel erforschen – eine weitgehend unerforschte Region, die ein neues Fenster zu Phänomenen wie Schwarzen Löchern, Neutronensternen und Gammastrahlenausbrüchen öffnet.

XENON ist ein tief unter der Erde liegendes Experiment, das Teilchen der dunklen Materie aufspüren soll, indem es ihre seltenen Wechselwirkungen mit flüssigen Xenon-Atomen aufzeichnet. XENON ist unter dem italienischen Berg Gran Sasso gelegen und verwendet eine Zweiphasen-Zeitprojektionskammer, um nach schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen (WIMPs) zu suchen, einem der wichtigsten Kandidaten für dunkle Materie. Der Detektor sucht nach winzigen Lichtblitzen und Elektronen, die entstehen, wenn ein WIMP mit einem Xenon-Kern kollidiert – Signale, die auf das Vorhandensein dunkler Materie hinweisen könnten. Die Oberlack-Gruppe in Mainz trägt zu XENON bei, indem sie fortschrittliche Datenanalysetechniken und Präzisionskalibrierungswerkzeuge entwickelt, die dabei helfen, potenzielle Signale der dunklen Materie von Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Diese Bemühungen werden eine entscheidende Rolle im kommenden XLCD-Programm spielen, das darauf abzielt, sowohl die dunkle Materie als auch die Neutrinophysik mit noch größerer Empfindlichkeit zu untersuchen.