Methoden und Werkzeuge für die Analyse und Interpretation von Experimenten und kosmologischen Beobachtungen zum Nachweis Dunkler Materie

• Antragsteller: Professor Dr. Felix Kahlhoefer
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 359879810

Die klaren Hinweise, dass sichtbare Materie nur einen kleinen Teil des Universums ausmacht, erzeugen zugleich Demut und Begeisterung. Die Natur der vorherrschenden Form von Materie, sogenannter dunkler Materie, ist nach wie vor unbekannt. Dank großer Fortschritte in der experimentellen Sensitivität versprechen die kommenden Jahre jedoch zahlreiche Chancen für die Entdeckung von Dunkle-Materie-Teilchen und die Bestimmung ihrer fundamentalen Eigenschaften. Gleichzeitig müssen wir daraus lernen, dass bisher noch kein überzeugendes Dunkle-Materie-Signal entdeckt wurde, und unsere Annahmen über dunkle Materie überdenken und das experimentelle Programm erweitern.Dieser Antrag hat das Ziel die Bandbreite der verfügbaren Werkzeuge zur Analyse und Interpretation von Dunkle-Materie-Signalen zu erweitern und diese Werkzeuge auf neue Dunkle-Materie-Modelle anzuwenden. Der Fokus liegt dabei auf Modellen, in denen die Dunkle-Materie-Teilchen entweder viel kleinere Massen oder viel kleinere Kopplungen haben als üblicherweise angenommen. Derartige Dunkle-Materie-Teilchen sind nur schwer im Labor nachzuweisen, haben aber eine Vielzahl interessanter Effekte auf die Kosmologie des frühen Universums. Die geplanten Analyse-Werkzeuge sollen daher eine detaillierte Interpretation kosmologischer Daten im Zusammenhang mit dunkler Materie ermöglichen und somit eine Brücke zwischen Teilchenphysik und Kosmologie schlagen.Dieses Ziel kann in drei Aufgaben unterteilt werden: Erstens, die Entwicklung von Methoden zur Übersetzung zwischen den fundamentalen Parametern dunkler Materie und einer effektiven Beschreibung zur Berechnung kosmologischer Observablen. Zweitens, die Veröffentlichung eines Codes zur Berechnung kosmologischer Schranken an die Energieinjektion durch Annihilation und Zerfall von dunkler Materie. Und drittens, die Erforschung der einzigartigen Effekte, die in Dunkle-Materie-Modellen durch die hohen Temperaturen im frühen Universum entstehen, wie beispielsweise Phasenübergänge und Gravitationswellen. Das finale Ziel ist dann die Durchführung von globalen Analysen neuartiger Dunkle-Materie-Modelle durch Kombination aller verfügbaren Informationen aus Laborexperimenten und kosmologischen Messungen.Es werden Mittel beantragt für Gehalt und Reisekosten des Nachwuchsgruppenleiters und eines wissenschaftlichen Mitarbeiters, der an Phasenübergänge und Gravitationswellen arbeiten wird. Das gesamte Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit anderen Teilchenphysikern und Kosmologen durchgeführt, um den maximalen Nutzen für beide Felder zu gewährleisten. Durch die Veröffentlichung des entwickelten Codes bekommen andere Forscher zudem die Möglichkeit, ähnliche Analysen durchzuführen und die Entdeckung spannender Dunkle-Materie-Signale vorzubereiten. Durch die Erforschung vieler verschiedener Dunkle-Materie-Modelle mit komplementären Informationen aus verschiedenen Zweigen der Physik eröffnet sich uns eine einzigartige Chance, eines der großen Rätsel des Universums zu lösen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen