Astroteilchenphysik

Die Astroteilchenphysik befasst sich mit der Verknüpfung zwischen den größten Strukturen im Universum und den kleinsten Bausteinen der Materie, den Kräften zwischen ihnen und den zugrundeliegenden Symmetrien.

Auf der Suche nach solaren Neutrinos: Borexino Experiment am Grand Sasso, Italien. Bild: Henning Back/Virginia Tech. Aus astronomischen Beobachtungen wissen wir heute, dass die Energiedichte nur zu etwa 5% aus sichtbarer Materie besteht, die in Sternen sowie interstellaren und intergalaktischen Gaswolken vorliegt. Der Hauptanteil von 70% der Energiedichte besteht aus sogenannter Dunkler Energie, über deren Natur man bis heute nicht viel weiß, und Dunkler Materie (25%), deren gravitative Effekte man in den Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien und durch die Ablenkung des Lichtes weit entfernter Galaxien auf dem Weg zu uns im Schwerefeld anderer Galaxien erkennen kann. Auch die Natur der Dunkeln Materie ist noch unbekannt, jedoch gibt es verschiedene theoretisch vorhergesagte Kandidaten, wie z.B. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), nach denen experimentell gefahndet wird. Da diese Teilchen, die nicht in das Standardmodell der Teilchenphysik passen, jedoch fast nicht mit normaler Materie wechselwirken müssen große Detektoren aufgebaut werden, um die seltenen Zusammenstöße zwischen WIMPs und Atomkernen im Detektor zu messen. Um störende Signale anderer Prozesse, wie z.B. durch die kosmische Strahlung in der Atmosphäre erzeugte Höhenstrahlung, zu unterdrücken, geht man hierfür in tief unter der Erde gelegene Untergrundlaboratorien, wie z.B. ins Gran Sasso Laboratorium.

Untergrundlabor Garching. Bild: TUM/Heddergott. In solchen Untergrundlaboratorien wird auch die Natur eines anderen zentralen Teilchens der Astroteilchenphysik untersucht, des Neutrinos, die als Elektron-, Muon- und Tau-Neutrino auftreten können. Die langwierige Messungen gezeigte Tatsache, dass auf der Erde nur etwa der Hälfte der in der Sonne erzeugten Elektron-Neutrinos ankommen, da diese sich auf dem Weg durch sog. Neutrinooszillationen in Muon- oder Tau-Neutrinos umwandeln, hat zu der Erkenntnis geführt, dass Neutrinos eine Masse haben und dass es Physik jenseits des Standardmodels geben muss. Die genauen Eigenschaften der Neutrinos, ihre Massen und der sog. Mischungswinkel zwischen den Neutrinofamilien stehen im Zentrum heutiger theoretischer und experimenteller Untersuchungen.

Die Bildkombo zeigt den Borexino-Detektor und die Sonne. Bild: Borexino Collaboration. Auch die Rolle von Neutrinos bei der Explosion von Sternen und der Erzeugung schwerer Elemente in diesen Explosionen ist ein wichtiger Aspekt aktueller Untersuchungen.

Andere Bereiche der Astroteilchenphysik befassen sich mit der Untersuchung der hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung und kurzen Ausbrüchen höchstenergetischer Gammastrahlung, sog. Gamma Ray Bursts, die in den wohl größten Explosionen im Universum entstehen. Bei der kosmischen Strahlung handelt es sich im Übrigen um Atomkerne verschiedenster Massen und mit Energien, die z.T. um viele Größenordnungen höher sind, als die in den größten terrestrischen Beschleunigern erreicht werden können.

Arbeitsgruppen: Beneke - Fierlinger - Garbrecht - Ibarra - Oberauer - Ratz - Resconi - Schönert