Proton-Struktur, hochenergetische Neutrinos und die Suchen nach der Dunklen Materie

• Antragsteller: Dr. Sergey Ostapchenko, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394966107

Die präzise Beschreibung der Teilchenerzeugung in Vorwärtsrichtung in hadronischen Wechselwirkungen ist von grundlegender Bedeutung für Studien der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung (UHECR), hochenergetischer Neutrinos und Dunkler Materie. Während die gegenwärtige Experimente am Large Hadron Collider (LHC) zahlreiche wertvolle Einblicke gewähren, ist im Allgemeinen ein selbstkonsistenter theoretischer Ansatz einschließlich der Behandlung der nichtperturbativen Proton-Struktur notwendig, um die experimentellen Daten zu einem kohäranten Bild zu kombinieren und zuverlässig verschiedene Wechselwirkungen ausserhalb der gemessenen kinematischen Regionen vorhersagen zu können. Die Hauptziele dieses Projektes sind die Entwicklung einer Monte Carlo (MC) Prozedur für die Teilchenerzeugung einschließlich von Charm-Hadronen in Vorwärtsrichtung in hadronischen und nuklearen Kollisionen und deren Anwendung in Studien der kosmischen Strahlung, von hochenergetischen Neutrinos, und der Suche nach Dunklen Materie. Das zentrale Element des vorgeschlagenen wissenschaftlichen Programms ist ein kohärenter theoretischer Ansatz für die Behandlung der nicht-störungstheoretischen Fock--Zustände der Konstituenten-Partonen einschließlich schwerer Quarks, und dessen Einbeziehung in den QGSJET-II MC-Generator für hadronischen Wechselwirkungen. Die Anwendung des neuen Modells zur Beschreibung von UHECR Wechselwirkungen in der Atmosphäre und zur Analyse der Massenzusammensetzung der UHECRs wird es dem Antragsteller ermöglichen, zahlreiche aktuelle Rätsel heutiger UHECR Studien anzugehen: Hierbei sind insbesondere die selbstkonsistente Interpretation der gegenwärtigen und künftigen Daten über die kosmische Strahlung und die Unterscheidung verschiedener UHECR-Quellmodelle zu nennen. Eine Verallgemeinerung des MC-Generators für die Behandlung der Produktion von Charm-Hadronen, die den nichtperturbativen Beitrag der intrinsischen Charm-Quarks einbezieht, wird die Grundlage für eine zuverlässige Berechnung des atmosphärischen Neutrino-Hintergründes und der astrophysikalischen Neutrino-Flüsse für eine Reihe von UHECR Quellmodellen bilden. Eine Verallgemeinerung des QGSJET-II-Modells zur Behandlung der Erzeugung von Antikernen, mit einem weiterentwickelten Koalezenzansatz, wird ein wichtiger Schritt zu zuverlässigen Berechnungen der Hintergründe in indirekten Suchen nach der Dunklen Materie darstellen. Der interdisziplinäre Charakter des Projektes ist mit der Tatsache verbunden, dass die vorgeschlagenen Entwicklungen eine Brücke zwischen den Experimenten am LHC und denen aus dem Bereich der hochenergetischen Astrophysik bilden werden, sodass die letzteren von dem breiten und vielfältigen experimentellen Programm am LHC profitieren können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen