STRONG-DM

Eine der wichtigsten Fragen der modernen Physik betrifft die Natur der Dunklen Materie. Letztere ist ein Sammelbegriff für ein Phänomen fehlender gravitativer Masse, beobachtet auf de-fakto allen astrophysikalischen Skalen - sichtbar sowohl in den Bewegungen von Sternen in unserer unmittelbaren Nachbarschaft in der Milchstraße als auch in den Strukturen der kosmischen Hintergrundstrahlung am Horizont des beobachtbaren Universums. Die vorherrschende wissenschaftliche Erwartung ist, dass Dunkle Materie eine Form neuer Teilchen darstellt, die selbst zwar kein Licht aussenden, deren weitere mikrophysikalische Eigenschaften aber weitgehend unbekannt sind. Die Forschungsgruppe STRONG-DM nimmt sich dem Thema in einem bis dato weniger erforschten Teilchenkandidaten in einer einzigartigen Kombination an Forschern an. Ähnlich wie Neutronen - massive und elektrisch neutrale Teilchen des Atomkerns - durch die starke Kraft aus Quarks und Gluonen gebunden sind, könnte Dunkle Materie ebenso ein massiver und neutraler Bindungszustand einer neuen starken Kraft sein. Diese Hypothese hat wichtige Konsequenzen für die kosmische Ursprungsgeschichte, die Erzeugung dieser Teilchen in Beschleunigerexperimenten, für das astrophysikalische Verständnis der Strukturbildung, sowie deren Nachweis in sog. Dunkle Materie Detektionsexperimenten. Jedem dieser Aspekte widmet sich eine Forscherin oder ein Forscher die oder der bereits breite Erfahrung in diesem Teilgebiet mitbringt. Durch die enge Zusammenarbeit wird das Thema in seiner Komplementarität voll beleuchtet. Ein wesentliches Hindernis in detaillierten Studien der obigen Art bestand bisher in der der unzulänglichen quantitativen Beschreibung der Bindungszustände. Das Team bedient sich der Expertise eines weiteren Forschers und damit Methoden eines aus dem Bereich der starken Wechselwirkung kommenden Gebiets, der sog. Gitter-Quantenchromodynamik. Es wird damit zum ersten Mal möglich sein, stark wechselwirkende Dunkle Materie von ihrer fundamentalen Struktur bis zu ihrer Detektion in einer synergetischen Forschungsinfrastruktur zu studieren. Dadurch wird die Existenz eines bis dahin noch relativ wenig verstandenen, aber dringend möglichen Teilchenkandidaten getestet.

Eine der wichtigsten Fragen der modernen Physik betrifft die Natur der Dunklen Materie. Diese ist ein Sammelbegriff für das Phänomen fehlender gravitativer Masse, beobachtet auf allen astrophysikalischen Skalen - von den Bewegungen von Sternen in der Milchstraße bis hin zu den Strukturen der kosmischen Hintergrundstrahlung am Horizont des beobachtbaren Universums. Die wissenschaftliche Erwartung, dass Dunkle Materie eine Form neuer Teilchen darstellt, deren mikrophysikalische Eigenschaften bislang unbekannt waren, bildete den Ausgangspunkt des Projekts STRONG-DM. Die Forschungsgruppe hat sich in einzigartiger Zusammensetzung einem bis dato wenig erforschten Teilchenkandidaten gewidmet: einem massiven und neutralen Bindungszustand einer neuen starken Kraft, analog zur Bindung von Quarks und Gluonen im Neutron. Im Verlauf des Projekts wurden die kosmologischen Konsequenzen dieser Hypothese untersucht, die Produktionsmechanismen solcher Teilchen in Beschleunigerexperimenten analysiert, deren Rolle in der astrophysikalischen Strukturbildung bewertet und die Möglichkeiten für einen direkten Nachweis in Dunkle-Materie-Experimenten detailliert ausgearbeitet. Jedes dieser Themen wurde von einer Expertin oder einem Experten mit einschlägiger Erfahrung bearbeitet, wodurch eine komplementäre und umfassende Betrachtung erreicht wurde. Ein zentrales Hindernis für Fortschritte lag in der fehlenden quantitativen Beschreibung der postulierten Bindungszustände. Dieses wurde durch den erfolgreichen Einsatz von Methoden der Gitter-Quantenchromodynamik überwunden, die aus der starken Wechselwirkung bekannt sind. Dadurch war es erstmals möglich, stark wechselwirkende Dunkle Materie von ihrer fundamentalen Struktur bis hin zu realistischen Detektionsszenarien in einer konsistenten Forschungsinfrastruktur zu untersuchen. Mit STRONG-DM wurde somit die Existenz eines bislang nur wenig verstandenen, aber physikalisch plausiblen Teilchenkandidaten umfassend getestet und in allen relevanten Bereichen - von der Theorie über die Phänomenologie bis zur experimentellen Perspektive - neu bewertet.