Erforschung der Dunklen Materie des Universums

• Antragsteller: Professor Dr. Wim de Boer (†)
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263859030

Kosmologen haben herausgefunden, dass mehr als 80% der Materie des Universums nicht sichtbar ist. Diese Dunkle Materie (DM) besteht vermutlich aus Teilchen, deren Natur noch unbekannt ist. Die DM Teilchen machen sich nur durch Gravitationskräfte bemerkbar und können höchstens schwach wechselwirken. Daher nennt man diese hypothetischen Teilchen WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Mehrere WIMP Kandidaten existieren: massive Neutrinos, Axionen und Neutralinos. Es ist gut möglich, dass alle drei Kandidaten beitragen. Die bekannten Neutrinos haben jedoch eine zu geringe Masse, um signifikant zur DM beizutragen, wie aus der Kosmologie bekannt ist.Die Suche nach der Natur der WIMPs ist eines der herausragenden Forschungsziele im interdisziplinären Bereich der Teilchenphysik, Astroteilchenphysik und Kosmologie. Wir möchten untersuchen, ob die DM hauptsächlich aus Neutralinos besteht, wie es erwartet wird. Die Neutralinos sind die DM Kandidaten der Supersymmetrie (SUSY). Die hohe Popularität von SUSY ist begründet in der Tatsache, dass diese Erweiterung des SMs mehrere Mankos des SMs gleichzeitig beseitigt und eine Vereinheitlichung aller SM Kräfte erlaubt. Dies könnte zu einer GUT (Grand Unified Theorie) führen. SUSY sagt WIMP Annihilation und elastische Streuung von WIMPs an Kernen vorher. Diese Erwartungen sind die Basis für die indirekten und direkten Suchen nach DM. Annihilation in unserer Milchstraße würde zu anomalen Spektren der Gammastrahlung und der Antimaterieteilchen führen, die im Weltraum mit Teilchendetektoren nachgewiesen werden könnten. Elastische Streuung könnte zu Rückstößen der Kerne in einem Detektor führen. Da der Wirkungsquerschnitt jedoch klein ist, kann man diese Experimente nur in tiefen Untergrundlabors durchführen, um den Untergrund durch kosmische Strahlung möglichst klein zu halten. WIMPs wurden bisher nicht eindeutig in Experimenten nachgewiesen, aber die Daten des Fermi-LAT Satelliten zeigen einen kleinen Überschuss in den Gammaspektren der Zwerggalaxien, der mit der Annihilation von WIMPs mit einer Masse von ca. 25 GeV kompatibel ist. Daher möchten wir die öffentlichen Fermi_LAT Daten mit Methoden der Teilchenphysik analysieren. Diese erlauben es, den Untergrund gleichzeitig mit dem Signal zu bestimmen. Erste Resultate sind ermutigend, aber die möglichen Unsicherheiten müssen im Detail untersucht werden. Weiter möchten wir die Gammaspektren des AMS-02 Detektors auf der Internationalen Raumstation analysieren und mit den Fermi-LAT Daten vergleichen. In einem letzten Schritt möchten wir die Daten der indirekten und direkten DM Suchen mit WIMP-Suchen am Large Hadron Collider (LHC), dem weltweit größten Beschleuniger am Europäischem Teilchenphysiklabor CERN in Genf, vergleichen. Am LHC bekommt man Hinweise auf WIMPs, entweder durch direkte Produktion oder indirekt, durch anomale Kopplungen des neu entdeckten Higgs Bosons, die auf SUSY hinweisen könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen