Identifizierung des dunklen Sektors unseres Universums: Spuren früher Dynamik im späten Kosmos

• Antragsteller: Dr. Mathias Pierre
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527296308

Um unser Universum auf großen Skalen erfolgreich beschreiben zu können, erfordert das ΛCDM-Modell der Kosmologie, dass ~25% der Gesamtenergie als eine mysteriöse Substanz vorliegt, die sogenannte dunkle Materie, welche vom Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklärt werden kann. Die fundamentale Natur der dunklen Materie ist somit eine der größten offenen Fragen der modernen Physik. Dieser Antrag widmet sich der Untersuchung von Effekten der Wechselwirkung zwischen dunkler Materie und den übrigen Konstituenten unseres Universums. Das Hauptziel ist es, die Konsequenzen von neuer Physik aus „dunklen Sektoren“ zu verstehen. Dieser Antrag ist in vier Unterprojekte geteilt, die jeweils unterschiedliche, aber verbundene Aspekte dieser dunklen Sektoren und deren Verbindung zur Produktion dunkler Materie beleuchten. Inflation ist unsere beste Theorie, um zeitgleich die Quasi-Homogenität unseres Universums auf großen Skalen und die primordiale Größe der Inhomogenitäten zu erklären. Vor der „recombination“ wird die Energiedichte, die das (die Inflation antreibende) Inflaton-Feld trägt, in das Standard-Modell-Plasma (als Strahlung) übertragen („reheating“). Zwei Unterprojekte erforschen die Dynamik dieses Vorgangs indem der Energietransfer, die Entwicklung der Inhomogenitäten sowie die anschließende Produktion von primordialen Schwarzen Löchern und Gravitationswellen untersucht werden. Desweiteren werden zwei Unterprojekte jeweils einen Fokus auf die Wechselwirkung zwischen Inflaton und dunkler Materie sowie zwischen dunkler Materie und der (Standardmodell-)Strahlung legen. Das Ziel ist es, zu verstehen, welche Wechselwirkungen und Eigenschaften diese drei Komponenten (Inflaton, dunkle Materie, Strahlung) benötigen, um den Beginn der Entwicklung unseres Universums erklären zu können. Mit besonderem Augenmerk auf Nicht-Gleichgewichts-Produktionsmechanismen für dunkle Materie soll sich ein drittes Projekt mit den Signaturen beschäftigen, die durch die Wechselwirkung der dunklen Materie mit den übrigen Komponenten in kosmologischen Observablen hinterlassen werden, indem folgende Punkte untersucht werden: i) Die Rolle von thermalen Effekten in der Produktion von dunkler Materie und ihr Einfluss auf das „matter power spectrum“; ii) Der Transfer der Inhomogenitäten von der Strahlung in den dunklen Sektor; iii) Nutzung der Anisotropien in der kosmischen Hintergrundstrahlung, um die Parameter von Modellen zur Beschreibung der Neutrinomassen und der dunklen Materie einzuschränken. Ein letztes Projekt beschäftigt sich mit kosmologischen Phasenübergängen, motiviert durch die Möglichkeit, die Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universumes (Baryogenese) zu erklären. Ein Hauptziel ist die Modellierung des Einflusses eines starken Phasenübergangs auf die Inhomogenitäten, konsistent formuliert durch kosmologische Störungstheorie. Das schließt eine Untersuchung der Konsequenzen für primodiale Schwarze Löcher und Gravitationswellenproduktion ein.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen