Für ein vertieftes Verständnis kosmischer Antikerne

• Antragsteller: Dr. Maximilian Mahlein
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575942576

Das Forschungsvorhaben widmet sich der Untersuchung der Eigenschaften von Dunkler Materie: Dunkle Materie umgibt uns überall und sie macht ca. 75% der gesamten Masse des Universums aus, dennoch ist ihre Natur kaum bekannt. In eingen theoretischen Modellen kann Dunkle Materie mit sich selbst wechselwirken und dabei bekannte Teilchen erzeugen, darunter auch Antimaterie. Eine besonders interessante Signatur dieser Prozesse ist die Entstehung von Antikernen. Letztere sind Atomkerne aus Antiprotonen und Antineutronen, die bereits heute in Beschleunigerexperimenten auf der Erde untersucht werden. Sollten Antikerne durch die Wechselwirkungen von Dunkler Materie entstehen, würden sie als Teil der kosmischen Strahlung zur Erde fliegen, wo sie in dedizierten Experimenten wie AMS-02 und GAPS gemessen werden könnten. Bisherige Modellvorhersagen basierend auf sekundären Prozessen, etwa durch Kollisionen hochenergetischer Protonen mit dem interstellaren Medium, erwarten eine sehr geringe natürliche Häufigkeit von Antikernen in kosmischer Strahlung. Ein Beitrag durch Prozesse der Dunklen Materie würde in Messungen somit klar hervorstehen. Ein Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erstellung theoretischer Vorhersagen für die Produktion kosmischer Antikerne durch bekannte Prozesse. Damit wird ein verlässlicher Referenzrahmen geschaffen, um potenzielle Anomalien in zukünftigen Beobachtungen als Signal neuer Physik identifizieren zu können. Grundlage für diese Vorhersagen sind moderne Koaleszenzmodelle, die die Bildung von Antikernen aus Antinukleonen in hochenergetischen Kollisionen beschreiben. Diese Modelle werden durch neue experimentelle Daten des NA61/SHINE-Experiments am CERN gestützt, das ab Ende 2025 umfangreiche Messungen bei niedrigen Energien durchführen wird. Erstmals werden Antikerndaten mit hoher Präzision bei für kosmische Strahlung relevanter Energie genommen. Diese Messungen werden die bisher präzisesten Modellvorhersagen von Antikernen in kosmischer Strahlung ermöglichen. Zusätzlich wird das Vorhaben durch Beiträge zur Weiterentwicklung künftiger Antimateriedetektoren ergänzt. Insbesondere stehen hier ballonbasierte Experimente wie GAPS im Fokus, dessen erster wissenschaftlicher Flug für Dezember 2025 geplant ist. In der Folge ist eine umfassende Weiterentwicklung zum GAPS-II-Detektor vorgesehen. Dabei soll im Rahmen dieses Antrags, der mögliche Einsatz von Scintillating-Fiber-(SciFi-)Detektoren untersucht werden. SciFi Detektoren sind eine etablierte Detektortechnologie, die erfolgreich im LHCb-Experiment zum Einsatz kommt, und nun für Anwendungen unter den spezifischen Bedingungen ballonbasierter Detektion adaptiert werden soll. Durch die Kombination aus theoretischer Modellierung, experimenteller Verankerung und technologischer Weiterentwicklung leistet das Vorhaben einen entscheidenden Beitrag zur indirekten Suche nach Dunkler Materie und zur physikalischen Charakterisierung natürlicher kosmischer Antikerne.

• DFG-Verfahren: Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Philip von Doetinchem