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Theoretische Teilchen- und Astroteilchenphysik

Theoretische Physik
Abb.: CMS Collaboration; KIT

Theoretische Kolliderphysik

Informationen über die Kräfte zwischen Elementarteilchen werden durch Experimente gewonnen, bei denen Teilchen sehr hoher Energie gestreut werden. Die höchsten Energien und damit die kleinsten Abstände werden an den modernen Kollidern wie dem LHC in Genf erreicht. Die theoretische Kolliderphysik macht Vorhersagen für diese Experimente und hilft bei der Interpretation der Daten.

Messgrößen

Streuexperimente liefern Teilchenströme mit sehr komplexen Mustern, die durch optimale Messgrößen mit theoretischen Modellen in Verbindung zu setzen sind. Theoretiker des KIT haben hier wichtige Beiträge geleistet, insbesondere für die Suche nach dem Higgs-Boson, das direkt für die Massen aller Elementarteilchen verantwortlich ist.

Quantenkorrekturen

Für eine genaue Vorhersage von Messungen müssen Quantenkorrekturen zu den Produktionsraten komplexer Prozesse berechnet werden. Diese Rechnungen werden für die Streuung von Quarks, Gluonen und Leptonen durchgeführt.

Neue Phänomene

Ein Ziel der Experimente am LHC ist die Suche nach neuen Phänomenen. Am KIT werden unter anderem Modelle mit zusätzlichen Raumdimensionen oder mit Supersymmetrie untersucht und Vorhersagen für die zu erwartenden Signale solcher "neuer Physik" gemacht.

Monte Carlo-Entwicklung

Die Transformation der Quarks und Leptonen in den theoretischen Rechnungen zu den an Kollidern direkt beobachtbaren Teilchen erfordert die Simulation der stochastischen Prozesse mit so genannten Monte Carlo-Programmen, die diesen Übergang beschreiben.


Flavourphysik

Flavourphysik
Abb.: Belle Collaboration

Die Grundbausteine der Materie sind Quarks (aus denen Protonen und Neutronen aufgebaut sind) und Leptonen (Elektronen und Neutrinos). Von beiden Klassen gibt es sechs unterschiedliche Sorten, genannt Flavours ("Geschmacksrichtungen"). Diese gruppieren sich in drei Generationen mit jeweils zwei Teilchen. Die uns umgebende Natur besteht nur aus den Teilchen der ersten, leichtesten Generation; die der beiden anderen Generationen haben viel höhere Massen, sind instabil und zerfallen in kürzester Zeit in die leichten Teilchen.

Zerfälle

Nur mit Beschleunigern können auch die schwereren Partikel erzeugt werden. Die Flavourphysik studiert deren Zerfälle, um aus Präzisionsmessungen Naturkonstanten zu messen, das derzeitige Standardmodell zu testen und Hinweise auf neue Naturgesetze zu finden. Diese bestimmen die Physik auf Längenskalen, die kleiner sind als 1/10000 des Atomkern-Durchmessers. Solche Messungen führten beispielsweise zur Vorhersage von Existenz und Masse des Charm- und des Top-Quarks, lange bevor diese direkt entdeckt wurden.

CP-Verletzung

Spektakulär und für die Grundlagenphysik von großer Bedeutung ist die Entdeckung der so genannten CP-Verletzung: Die Naturgesetze für Materie und Antimaterie sind leicht unterschiedlich. Solche Effekte sind dafür verantwortlich, dass unser heutiges Universum, das praktisch nur aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, aus dem Urknall entstehen konnte. Die bisher gefundenen Quellen von CP-Verletzung reichen zur alleinigen Erklärung jedoch nicht aus; hier sind noch viele interessante Fragen zu erforschen. In KCETA werden theoretische Berechnungen zur Flavourphysik durchgeführt und es gibt eine experimentelle Gruppe, die am japanischen Experiment Belle forscht.


Quantenfeldtheorie

Quantenfeldtheorie
Foto: KIT

Die fundamentalen Bausteine der Materie, die Elementarteilchen, werden im sogenannten Standardmodell beschrieben: Es gibt Auskunft über ihre Eigenschaften und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte von den kleinsten Abständen bis zu astronomischen Entfernungen.

Produktions- und Zerfallsraten von Elementarteilchen

Relativistische Quantenfeldtheorien sind meist nur näherungsweise lösbar, ermöglichen aber oft Vorhersagen mit beliebig hoher Genauigkeit. Das KIT hat sich hier mit Hilfe neuer mathematischer Methoden, innovativer Algorithmen und durch die Entwicklung von Computeralgebra eine international führende Rolle erarbeitet.

Quarkmassen und Kopplungskonstanten

Der Vergleich von Vorhersagen und Messungen ermöglicht die Bestimmung der Kopplungskonstanten und Quarkmassen  eine wichtige Voraussetzung für die Tests der Theorie ebenso wie für die Entwicklung neuer theoretischer Modelle. Die weltweit genauesten Werte für die starke Kopplung und die Masse der schweren Charm- und Bottom-Quarks wurden kürzlich am KIT bestimmt.

Vereinheitlichte Feldtheorie

Die Werte der starken, elektromagnetischen und schwachen Kopplungskonstanten lassen sich im Rahmen einer großen vereinheitlichten Theorie auf einen einzigen Parameter zurückführen. Untersuchungen am KIT liefern indirekt Aufschlüsse über die Struktur dieser übergeordneten Theorie.

Nicht-störungstheoretische Effekte

Die anomale Baryonenzahlverletzung in der elektroschwachen Theorie, die vermutlich eine Rolle im Ursprung der kosmischen Teilchen-Antiteilchenasymmetrie spielt, wird am KIT mit nicht-störungstheoretischen Methoden untersucht.

Quantenkorrekturen

Die hohe experimentelle Genauigkeit verlangt es, Quanteneffekte in theoretische Vorhersagen einzubauen. Die Forscher des KIT arbeiten an einer weitestgehend automatisierten Berechnung von Quantenkorrekturen, basierend auf störungstheoretischen Methoden.

 


Theoretische Astroteilchenphysik

Theoretische Astroteilchenphysik
Abb.: NASA/WMAP; KIT

Astroteilchenphysik verbindet Erkenntnisse der Elementarteilchenphysik mit Kosmologie und astrophysikalischen Phänomenen. Durch das Wechselspiel von Mikro- und Makrokosmos suchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach neuer fundamentaler Physik und erforschen die Entwicklung des Universums.

Die Arbeitsgruppe Theoretische Astroteilchenphysik des Instituts für Kernphysik (IKP) am KIT beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Neutrinophysik sowie dem Problem der Dunklen Materie im Universum. In diesem Kontext arbeitet die Gruppe an der Phänomenologie theoretischer Modelle sowie der Interpretation experimenteller Ergebnisse.