Dunkle Materie: an der Schnittstelle zwischen Theorie und Experimenten

Das Bestreben, die fundamentalen Gesetze und Bausteine des Universums zu verstehen, hat uns zum Standardmodell (SM) der Teilchenphysik geführt. Während dieses Modell sämtliche Messergebnisse im Labor korrekt vorhersagt, erklärt es nur 5% des beobachteten Universums. Die genauen Eigenschaften der restlichen 95% sind weitgehend unbekannt. Dunkle Materie (DM) trägt etwa 20% bei und ist durch ihre gravitative Wirkung wesentlich für die Bildung von Strukturen im Universum verantwortlich. Wir beobachten DM indirekt durch diese Wirkung, sowohl in den Rotationsbewegungen der Sterne in Galaxien als auch in den Anisotropien der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die konkreten, teilchenphysikalischen Eigenschaften der DM sind bisher allerdings weitgehend unbekannt. Die Existenz von DM verlangt nach neuer Physik jenseits des Standardmodells. Im Rahmen meines Forschungsprogramms werde ich die Eigenschaften von DM im Licht aller relevanten experimentellen Ergebnisse beleuchten. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf hat vor kurzem eine neue Rekordenergie erreicht. Die resultierenden Daten werden unser Verständnis zur Teilchenphysik erweitern und Suchen nach neuen Teilchenarten, wie z.B. möglichen DM Teilchen, erlauben. In der kommenden Dekade werden neben dem LHC eine Vielzahl an Untergrund- sowie Satellitenexperimenten ihre Ergebnisse veröffentlichen. Können im Falle eines Signals die teilchenphysikalischen Eigenschaften der DM eindeutig bestimmt werden? Welche theoretischen Modelle wären mit den experimentellen Daten unvereinbar? Wie können wir mögliche Szenarien weiter einschränken und was wären die nächsten Schritte, sollten die Experimente kein Anzeichen von DM finden? Dies sind die Fragen, die ich bearbeiten werde. Ich werde die Bedeutung der neuesten experimentellen Ergebnisse für mehrere Arten von DM Modellen analysieren. Teilchen der DM könnten nur mit Teilchen des SM oder zusätzlich auch miteinander wechselwirken. Diese zwei Szenarien führen am LHC zu sehr unterschiedlichen experimentellen Signaturen. Ich werde eine detaillierte Analyse dieser zwei Szenarien durchführen um zu verstehen, wie wir am LHC nach ihnen suchen können. Wir leben in einer Zeit, in der experimentelle Ergebnisse und theoretische Modelle stark verwoben sind. Diese Verbindung kann durch die enge Zusammenarbeit von Experimentalphysikern und theoretischen Physikern effizient genützt werden - ein wichtiger Aspekt meiner Forschungsarbeit. In Zusammenarbeit mit Experimentalphysikern werde ich neue Methoden zur Suche nach DM entwickeln. Die Programme, die ich für eine effiziente und universelle Auswertung der Daten entwickle, werden frei zur Verfügung stehen und einen bedeutenden Beitrag zur Forschung in diesem Gebiet darstellen.

Our Universe contains a large amount of invisible matter, which can be felt via gravitational interactions but can not otherwise be seen with existing experiments. This matter is called dark matter. Currently, there is no explanation for dark matter in the Standard Model of particle physics and therefore, new dark matter theories are necessary to explain observations. Therefore, theoretical physicists write new theories of dark matter, which can explain the observed amount of dark matter. Such theories are also searched for at the experiments. The outcomes of these experiments inform us about the viability of such new theories. This project concentrated on the interplay of different dark matter theories and the effect of experimental results on the theory development. In particular, three different aspects were explored. In the first part, we improved on existing tools to use experimental results from the Large Hadron Collider. We made this tool available to other members of scientific community. In the second part, we collaborated with the experimentalists from the Large Hadron Collider. Such collaborations are necessary as theory models are often non-trivial and effective searches can be developed if theoriests and experimentalists work together. Through this collaboration, we devised a new way to search for particles responsible for Standard Model - dark matter interactions. In the final part of the project, we looked at the astrophysical properties of dark matter. Dark matter can interact with itself and with the Standard Model particles. Both these interactions lead to significant restrictions on the viable dark matter theories. We showed that the combination of dark matter interactions with itself and with the Standard Model particles can generically predict long-lived particles in the simplest models. Such long-lived particles if experimentally found will bring exciting prospects for progress in understanding dark matter. We therefore developed a variety of ways to make progress in the field of dark matter. We showed how to use existing results from the Large Hadron Collider, which are otherwise hard to comprehend. We showed the importance of working together with the experimentalists and communicating with them. And finally, we showed how our existing knowledge of dark matter interactions either with itself and with the Standard Model particles can shape the theoretical models. Understanding the nature of dark matter has proven to be a difficult problem. Because dark matter is observed at astrophysical scales and can also be searched for at experiments at the Earth, it is important to combine multiple probes to make progress in understanding dark matter properties. Projects such as this Richter project help achieve this aim.