Das dunkle Universum entschlüsseln: Neue Physik mit Gravitationswellen erforschen

• Antragsteller: Dr. Daniel Marco Schmitt
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575304310

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle bekannten fundamentalen Teilchen und ihre Wechselwirkungen. Trotz seiner experimentellen Überprüfung mit bemerkenswerter Genauigkeit kann das Standardmodell nicht die endgültige Theorie sein, da es weder eine Erklärung für die Neutrinomassen, noch eine Quantentheorie der Gravitation liefert. Darüber hinaus deuten kosmologische Beobachtungen auf die Existenz einer zusätzlichen Materieform – Dunkle Materie – sowie auf eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum hin; beide Phänomene erfordern neue Physik. In diesem Zusammenhang könnte das frühe Universum, nur Augenblicke nach dem Urknall, der Schlüssel zu einem tieferen Verständnis sein. Während diese heiße und dichte kosmische Epoche undurchlässig für elektromagnetische Strahlung ist, können Gravitationswellen ungehindert propagieren. Falls diese Wellen in der Raumzeit im frühen Universum erzeugt wurden, würden sie sich bis heute ausbreiten und als primordialer Gravitationswellenhintergrund in zukünftigen Observatorien wie der Laser Interferometer Space Antenna messbar sein. Ein solcher Nachweis würde nicht nur ein Fenster in eine unerforschte Phase der kosmischen Entwicklung öffnen, sondern auch auf die Existenz neuer Physik hinweisen. In diesem Projekt werde ich die theoretischen Vorhersagen mehrerer neuer physikalischer Theorien vorantreiben, die die Existenz eines primordialen Gravitationswellenhintergrunds vorhersagen. Zunächst werde ich skaleninvariante Erweiterungen des Standardmodells untersuchen. Diese Modelle liefern einen dynamischen Mechanismus zur Erzeugung der Higgs-Masse. Gleichzeitig beinhalten sie Kandidaten für Dunkle Materie und eine Erklärung für die Neutrinomassen. Interessanterweise sagen diese Modelle eine Phasenübergang erster Ordnung vorher. Ich werde verschiedene Symmetriebrechungsmuster analysieren und die resultierenden Gravitationswellensignale mit hoher Genauigkeit berechnen. Zudem werde ich den Einfluss hochpräziser thermodynamischer Berechnungen auf die Nachweismöglichkeiten analysieren. Darüber hinaus werde ich einen Baryogenese-Mechanismus entwickeln, um in diesen Modellen die Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erzeugen. Dies wird erstmals zu einem umfassenden Modell führen, das Neutrinomassen, das Dunkle-Materie-Rätsel und Baryogenese gemeinsam erklärt. Zusätzlich werde ich die theoretischen Vorhersagen für axionartigen Teilchen weiterentwickeln. Diese pseudoskalaren Felder sind vielversprechende Kandidaten für Dunkle Materie, experimentell aber schwer nachweisbar. Gravitationswellen, die entstehen können, wenn ein axionartiges Teilchen an ein abelsches Eichfeld koppelt, eröffnen hier neue Möglichkeiten. Ich werde einen neuen theoretischen Formalismus entwickeln, der Axion-Photon Systeme in Gegenwart des primordialen Plasmas beschreibt. Darüber hinaus werde ich die Möglichkeit untersuchen, axionartige Teilchen mittels Multimessenger-Signalen über intergalaktische Magnetfelder zu detektieren.

• DFG-Verfahren: Stipendium
• Internationaler Bezug: Polen
• Gastgeber: Dr. Marek Lewicki