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Vom Higgs-Teilchen zum Big Bang

Was ist das Ziel? 

Woraus besteht Materie, was sind ihre Grundbausteine? Wie ist das Universum entstanden, und wie wird es enden? Seit Urzeiten ist die Physik diesen Fragen auf der Spur. Viele Antworten hat sie bereits gefunden: Materie setzt sich aus Elementarteilchen zusammen, darunter Quarks und Elektronen. Entstanden sein dürfte unsere Welt vor 13,8 Milliarden Jahren in einem spektakulären Ereignis, dem Urknall. Seitdem dehnte sich das All immer weiter aus und brachte Sterne, Planeten und intelligentes Leben zustande.

Doch längst nicht alle Rätsel sind heute gelöst: Die ominöse dunkle Materie und die geheimnisvolle dunkle Energie scheinen das Universum entscheidend zu prägen – nur was dahintersteckt, ist unklar. Ebenso offen ist, warum es im All offenbar viel mehr Materie als Antimaterie gibt – ein Umstand, dem wir unser Dasein verdanken. Könnten diese Rätsel mit dem wohl seltsamsten aller Elementarteilchen zusammenhängen, dem Neutrino? Oder stecken hypothetische, bislang unentdeckte Elementarteilchen dahinter, wie Axionen oder Supersymmetrie-Teilchen? Auch bei grundsätzlich bekannten Phänomenen gibt es noch manches Detail zu klären: Wie bilden sich superschwere chemische Elemente, wenn zwei Sterne miteinander kollidieren? Und woher stammt jene extrem energiereiche kosmische Strahlung, die immer wieder auf unseren Planeten trifft?

Was tut Helmholtz, um dieses Ziel zu erreichen?

Nach den Antworten auf diese Fragen sucht das Forschungsprogramm „Materie und Universum“. Eine Grundidee ist die Verbindung von Astroteilchenphysik und Astronomie in der Multimessenger-Astronomie, die Informationen verschiedener Boten (engl.: messenger) aus dem All, wie elektromagnetische Strahlung, Neutrinos und Gravitationswellen, kombiniert. Jedes Botenteilchen liefert dabei unterschiedliche Informationen – erst durch die Verknüpfung der Informationen entsteht ein Gesamtbild.

Beispiele aus der Forschung

Helmholtz-Zentren sind maßgeblich an den Experimenten am größten Teilchenbeschleuniger der Welt beteiligt, dem LHC am CERN in Genf. Dort analysieren sie das 2012 entdeckte Higgs-Teilchen im Detail und fahnden insbesondere nach Anzeichen für eine Physik jenseits des gängigen Standardmodells.

Auch der im Bau befindliche Beschleunigerkomplex FAIR in Darmstadt soll grundlegende Fragen aufklären: Die Anlage wird Materiezustände erzeugen, wie sie unmittelbar nach dem Urknall herrschten. Und sie wird Extrembedingungen in Neutronensternen und Supernova-Explosionen ins Labor holen – unfassbare Temperaturen und Drücke, die nötig sind, um Elemente wie Gold und Platin zu erzeugen.

Außerdem sind die Helmholtz-Zentren an einigen der ungewöhnlichsten Teleskopen der Welt beteiligt: Am Südpol detektiert der IceCube-Detektor Neutrinos, die aus fernen Winkeln des Alls kommen und über das Verhalten gewaltiger schwarzer Löcher Auskunft geben können. In Argentinien sucht das Pierre-Auger-Observatorium nach extrem schnellen Teilchen aus dem All. Und in einigen Jahren wird das Cherenkov Telescope Array in Chile und Spanien nach sogenannter Gamma-Strahlung Ausschau halten, die bevorzugt bei gewaltigen kosmischen Ereignissen erzeugt wird, etwa beim Zusammenstoß zweier Neutronensterne.

Factsheet

Zentrale Forschungsfragen:

  • Welches sind die fundamentalen Bausteine der Materie, was hält sie zusammen?
  • Was spielte sich kurz nach dem Urknall ab, welche Materiezustände gab es damals?
  • Warum gibt es im Universum viel mehr Materie als Antimaterie?
  • Was steckt hinter der dunklen Materie, was hinter der dunklen Energie?
  • Wie im Detail entstehen Elemente im Universum?
  • Wodurch werden die schnellsten Teilchen der kosmischen Strahlung beschleunigt?
  • Wie lässt sich durch die Multimessenger-Astronomie etwas über kosmische Ereignisse lernen?

Fachgebiete:

- Kosmologie

- Teilchenphysik

- Handron- und Kernphysik

- Astroteilchenphysik

Drei Programmthemen:

- Fundamentale Teilchen und Kräfte

- Kosmische Materie im Labor

- Strahlung aus dem Universum

Forschungsinfrastrukturen mit Helmholtz-Beteiligung:

- Detektoren ATLAS, CMS und ALICE am LHC-Beschleuniger, Genf

- Belle-II-Detektor am SuperKEKB-Beschleuniger, Japan

- Beschleunigeranlage FAIR, Darmstadt

- GridKa, deutsches Daten- und Rechenzentrum für die Elementarteilchen-, Hadronen- und Astroteilchenphysik 

- Speicherring COSY, Jülich

- Neutrino-Experiment KATRIN, Karlsruhe

- Pierre-Auger-Observatorium, Argentinien

- Neutrino-Detektor IceCube, Antarktis

- Cherenkov Telescope Array (CTA), Chile, Spanien

Beteiligte Helmholtz-Zentren:

Deutsches Elektronen‐Synchrotron (DESY)

Forschungszentrum Jülich (FZJ)

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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Ralph Engel

Sprecher des Programms

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