Abteilung für Teilchen- & Astroteilchen-Physik
 
 

Forschung: Theorie - Überblick

Teilchenphysikalische Experimente mit Hochenergie-Beschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) ermöglichen uns das Studium der grundlegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten bei kleinsten Längenskalen. Auf diesem Weg konnte der Existenznachweis des theoretisch vorhergesagten Higgs-Sektors des Standardmodells der Teilchenphysik erbracht werden. Die genaue Beschaffenheit dieses Sektors wird weiterhin untersucht. Darüber hinaus besteht die Hoffnung, dass solche Hochenergie-Experimente uns die Überprüfung verschiedener Theorien über mögliche neue Physik jenseits des Standardmodells, wie sie durch dessen unvollständige mathematische Struktur nahe gelegt werden, ermöglichen. (-> Physik jenseits des Standardmodells)

Ein ebenso bedeutsames und noch schlechter verstandenes Problem ist das sogenannte Flavour-Problem, welches sich, in Bezug auf das Standardmodell, in der Frage ausdrückt, warum drei Generationen von Quarks und Leptonen existieren und warum diese so transformieren wie von den Symmetrien des Standardmodells vorgesehen. Die meisten der Parameter des Standardmodells stehen mit dessen Flavour-Struktur in Beziehung und ihr Ursprung ist theoretisch bislang unverstanden. Trotzdem weist das beobachtete Muster der Fermion-Massen und Mischungen bemerkenswerte Regelmäßigkeiten auf, die eine tiefer liegende Erklärung vermuten lassen. Neutrino-Physik (->Neutrinos) liefert in diesem Zusammenhang sehr wertvolle neue Einsichten. In den vergangenen Jahren hat die Entdeckung der Neutrino-Oszillationen (-> GLoBES) und der Neutrinomassen (-> MANITOP, REAP) ein neues und einzigartiges Fenster für die Untersuchung dieser Frage geöffnet. Beobachtungen auf sehr verschiedenen Energieskalen mit unterschiedlichen Neutrino-Quellen wurden damit zu einer weiteren bedeutenden Informationsquelle für das Studium des Flavour-Problems und die Sondierung neuer Physik. Tatsächlich war die Entdeckung der Neutrinomassen der erste ernst zunehmende Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells. Sie zeigte zum ersten mal, dass die Leptonen völlig unerwartet große Mischungen aufweisen und wandelten dadurch unser Bild des Mechanismus für die Erzeugung der Fermionmassen deutlich. Heute wird allgemein vermutet, dass die Kleinheit der Neutrinomassen durch den sogenannten See-Saw Mechanismus in einer seiner Varianten verursacht wird. Die Erklärung der beobachteten Mischungen erfordert allerdings weitere Zutaten. Eine besondere Konsequenz des See-Saw Mechanismus ist, dass die Baryon-Asymmetrie des Universums (die innerhalb des Standardmodells keine Erklärung findet) als Folge einer Lepton-Asymmetrie, die im frühen Universum generiert wird, erklärt werden kann. Weiteren Einblick in das Flavour-Problem und grundlegende neue Physik könnten wir durch die Suche nach sehr seltenen Lepton-Zahl-verletzenden Prozesse wie dem Zerfall μ → e + γ erhalten. Die Experimente, die auf der Suche nach diesem und ähnlichen Prozessen sind, werden in den kommenden Jahren deutlich größere Empfindlichkeiten erreichen.

Eine Eigenart der Natur ist, dass Messungen auf sehr großen Skalen ebenfalls Aussagen über die Physik auf kleinsten Skalen ermöglichen. Die Entwicklung astronomischer Objekte, und des Universums insgesamt, hängt in vielfältiger Weise von den mikroskopischen Naturgesetzen ab. Diese Einsicht resultiert aus der erfolgreichen theoretischen Vorhersage kosmischer Phänomene basierend auf Beobachtungen von Laborexperimenten und der aus diesen abgeleiteten Physik. Die enge Verbindung zwischen Kosmologie, Astronomie und Teilchenphysik ermöglicht einen wechselseitigen Erkenntnisgewinn in diesen Gebieten. Aus diesem Grund kombiniert das neuere Feld der Astroteilchen-Physik Wissen aus den verschiedenen Bereichen, um zusätzliche Informationen zu gewinnen. Eine kombinierte Analyse der Beobachtungsdaten zum Zwecke der Erforschung von Grundlagenphysik erfordert eine breit gefächerte theoretische Expertise in den verschiedenen Feldern. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, die Grundgesetze der Natur aufzudecken, die beobachteten Teilchen und deren Wechselwirkungen zu verstehen, die Natur der dunklen Materie und der Dunklen Energie zu erkennen (-> Dunkle Materie) sowie die Rolle der Neutrinos in Astrophysik und Kosmologie zu verstehen. Beispiele für die ambitionierten theoretischen Anstrengungen, die zur Erreichung dieses Ziels führen sollen, sind das Studium der Physik von Materie bei extremen Temperaturen und Dichten im Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht (Bedingungen wie sie während der ersten paar Sekunden nach dem Urknall vorherrschen) ebenso wie das Studium verallgemeinerter Theorien und deren Konsequenzen. Dieses breit angelegte Vorhaben liefert auch die Anleitung zur Erreichung der langfristigen Ziele unserer experimentellen Aktivitäten, da es die Suche nach neuer Physik in Laborexperimenten inspiriert.

 
 


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