Theoretische Teilchenphysik im frühen Universum
Theoretical Particle Physics in the Early Universe

Diese Vorlesung konzentriert sich auf die Physik des frühen Universums aus der Perspektive der theoretischen Astroteilchenphysik mit Verknüpfung zur Kosmologie und Kolliderphysik. Nach einem kurzen Überblick über die Entwicklungsgeschichte unseres Universums, beginnen wir unsere Reise mit den offenen Fragen, die der Urknall für uns bereitstellt und lernen wie Inflation diese erklären kann. Wir werden ausgewählte Teilchenphysikmodelle kennenlernen, die eine solche inflationäre Phase aufweisen. Um zudem unsere eigene Existenz zu erklären, muss es einen Mechanismus geben, der die Asymmetrie von Materie über Antimaterie generiert hat. Wir werden verschiedene Konzepte (z.B. Leptogenese und Baryogenese) und entsprechende teilchenphysikalische Modelle kennenlernen, die die Baryonasymmetrie erklären können. Darüberhinaus werden wir die Phänomenologie und Testbarkeit solcher Modelle diskutieren. Automatisch werden wir an dieser Stelle auch die Neutrinophysik streifen und über sterile Neutrinos reden. Dies bringt uns ebenso zu anderen relevanten Themen der Astroteilchenphysik, nämlich der dunklen Materie. Wir werden verschiedene Mechanismen (freeze-out vs freeze-in) diskutieren und entsprechende Kandidaten (z.B. WIMPs, FIMPs, axions, asymmetrische dunkle Materie) kennenlernen. Wir werden die relevanten theoretischen Berechnungen in diesem Zusammenhang besprechen und wichtige auftretende Effekte, welche für die akkurate theoretische Berechnung der Restdichte dunkler Materie notwendig sind, kennenlernen. Darüberhinaus werden wir über die Komplementarität zu anderen Bereichen der Teilchenphysik (z.B. Kolliderphysik) sprechen.

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden mit den grundlegenden, offenen Fragen der Astroteilchenphysik vertraut und haben mögliche theoretische Konzepte kennengelerent, diese zu erklären (z.B. Inflation, Leptogenese, Baryogenese, sterile Neutrino, dunkle Materie). Der Kurs stattet die Studierenden mit dem notwendigen theoretischen Hintergrundwissen aus, um erste Forschungsarbeiten in diesen oder angrenzenden Themenbereichen unter Betreuung durchzuführen und schlägt eine Brücke zu aktuellen Forschungsthemen.

Quantenfeldtheorie 1 und / oder Relativität, Teilchen und Felder.

So weit wie möglich werden alle Themen an der Tafel mit Schritt-für-Schritt Herleitungen erarbeitet. Ein interaktives Lernumfeld ist ausdrücklich willkommen, Studierende sollen ermutigt werden Fragen zu stellen und Diskussionen während der Vorlesung zu initiieren. Ausgewählte Themen werden in den wöchentlichen Übungen vertieft.

Tafelanschrieb

wöchentliche Übungsaufgaben

Die Vorlesung wird nicht einem Lehrbuch direkt folgen, sondern für spezifische Themenbereiche auf die entsprechenden Kapitel der Literatur verweisen.

Kolb, Turner: The Early Universe

Dodelson: Modern Cosmology

Mukhanov: Physical Foundations of Cosmology

Valle: Neutrinos in High Energy and Astroparticle Physics

Liddle: Cosmological Inflation and Large-Scale Structure

White: A Pedagogical Introduction to Electroweak Baryogenesis

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Was motiviert Inflation?
• Was ist die "Slow-Roll Näherung"?
• Erläutere die Boltzmanngleichungen für Leptogenese und die Bedeutung von Washout.
• Vergleiche den "freeze-out" mit dem "freeze-in" Mechanismus.