FORSCHUNGSBEREICH
Die Heidelberger Gruppe ist Mitglied der ATLAS-Kollaboration seit deren Gründung im Jahr 1992. Die Heidelberger Gruppe hat zusammen mit fünf anderen Gruppen aus England, Deutschland und Schweden den ATLAS Level-1 Kalorimetertrigger entwickelt und gebaut. Der Entwurf und der Bau des Kalorimeter-Trigger-Präprozessors (PPr), der 8000 Kanäle mit kalorimetrischen Energiemessungen 40 Millionen Mal pro Sekunde digitalisiert und verarbeitet, wurde hier in Heidelberg durchgeführt. Der PPr ist eine entscheidende Komponente für den Betrieb von ATLAS.
Bei der Analyse der physikalischen Prozesse widmet sich die Gruppe sowohl der Präzisionsmessung des Standardmodells als auch der Suche nach neuer Physik jenseits dieses Modells. Zu den laufenden Arbeiten gehören Tests der Quantenchromodynamik (QCD) bei extrem hohen Impulsüberträgen, die Untersuchung des fehlenden Transversalimpulses von nicht nachweisbaren Teilchen und die Suche nach Teilchen der dunklen Materie. Darüber hinaus arbeitet die Gruppe an der Kalibrierung von hadronischen Jets, der Entwicklung neuer Analyseansätze wie der Suche nach neuer Physik auf der Triggerebene und der Verbesserung von Analysemethoden durch Einbeziehung von maschinellem Lernen.
Die Heidelberger Gruppe ist ein Mitglied der LHCb-Kollaboration. Wir decken ein breites Feld von Aktivitäten ab: Wir waren eine der Gruppen, die den OuterTracker (OT) - das Hauptverfolgungsgerät des LHCb-Experiments - entworfen und konstruiert und die Ausleseelektronik entwickelt haben. Da der Bau und die Installation dieses Subdetektors fast abgeschlossen ist, konzentriert sich die LHCb-Gruppe Heidelberg auf die physikalische Analyse. Zu den Aktivitäten unserer Gruppe gehören die Messung der Mischfrequenz Δms, die Messung von Teilchenmultiplikationen und die Aufrüstung des Systems.
Das μ3e-Experiment ist eine neue Suche nach dem Lepton-Flavour-verletzenden Zerfall eines positiven Myons in zwei Positronen und ein Elektron und wird am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz betrieben. Da dieser Zerfall im Standardmodell der Teilchenphysik auf ein nicht beobachtbares Niveau unterdrückt wird, wäre jede Messung dieses Zerfalls ein deutliches Zeichen für neue Physik. Die Heidelberger Gruppen spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und dem Bau des Detektors sowie bei der Analyse der Daten. Um die für dieses Experiment erforderliche präzise Vertexung und Zeitmessung zu erreichen, arbeiten die Gruppen an Pixeldetektoren und einem Detektor, der aus kleinen szintillierenden Kacheln besteht, die von Silizium-Photomultipliern ausgelesen werden.
In diesem Forschungsbereich werden die grundlegendsten mikroskopischen Naturgesetze erforscht. Diese Gesetze beruhen auf der Quantenfeldtheorie (der quantisierten Version z. B. des Elektromagnetismus) und der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein. Auf dieser theoretischen Grundlage beschreibt das so genannte "Standardmodell der Teilchenphysik" mit Hilfe eines Lagrangs, der nur wenige Zeilen umfasst, alles, was wir über die mikroskopische Welt wissen. Diese Lagrange ist auf einzigartige Weise mit der Schwerkraft gekoppelt, die eine effektive (Quanten-)Feldtheorie mit niedriger Energie darstellt. Doch viele drängende Fragen bleiben unbeantwortet: Wie passen die Dunkle Materie und die kosmologische Inflation im sehr frühen Universum in diesen Rahmen? Wie wird die Energieskala des Higgs-Mechanismus festgelegt? Wie verändert die vollwertige Quantengravitation, die bei sehr hohen Energien relevant wird, das Bild? Gibt es neue Teilchen, die mit dem LHC zugänglich sind und möglicherweise einige der Rätsel erklären, die in der Lagrange des Standardmodells verborgen sind? Wir setzen uns mit diesen Fragen auseinander, indem wir Ideen aus der quantenfeldtheoretischen Modellbildung über asymptotisch sichere Gravitations-Materie-Theorien bis hin zur 10-dimensionalen Superstring-Theorie und ihren Verdichtungen verwenden, wobei wir analytische Methoden, numerische Simulationen und maschinelles Lernen einsetzen. Wir befassen uns auch mit ultraleichten Teilchen wie Axionen und allgemeineren Ansätzen zur Quantengravitation und ihren möglichen Beziehungen zu Niedrigenergie-Observablen. Insbesondere versuchen wir, die grundlegenden Bestandteile von Materie und Raumzeit auf einheitliche Weise zu erforschen und Einblicke in die Teilchenphysik in und jenseits des Standardmodells zu gewinnen, indem wir das Zusammenspiel von Elementarteilchen und Feldern mit der Quantengravitation untersuchen.
Die Astroteilchenphysik ist ein relativ neues Forschungsgebiet an den Schnittstellen von Teilchenphysik, Kosmologie und Astrophysik. Im Mittelpunkt dieses Bereichs stehen Untersuchungen zur dunklen Materie und zu Neutrinos. Die Entschlüsselung der Natur der dunklen Materie ist eines der wichtigsten Probleme der Teilchenphysik und Kosmologie. Eine vielversprechende Methode, dunkle Materie zu finden, ist ihre Streuung an Kernen in direkten Nachweisexperimenten. Hier sind das aktuelle XENONnT- und das künftige DARWIN-Projekt, die alle in tiefen unterirdischen Labors angesiedelt sind, führend bei der weltweiten Suche nach Dunkler Materie auf und nahe der schwachen Massenskala. Die Suche nach leichteren Dunkle Materieteilchen wird durch neue Initiativen wie das DELight-Experiment vorangetrieben.
Neutrinos sind nach wie vor die einzige Physik jenseits des Standardmodells, die im Labor getestet werden kann. Mit GERDA und LEGEND wird nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall gesucht, dessen Beobachtung die Majorana-Natur der Neutrinos nachweisen würde und viele Modelle jenseits des Standardmodells testen würde. Die kohärente elastische Neutrino-Kern-Streuung ist ein Prozess, der es ermöglicht, Neutrino-Eigenschaften innerhalb und außerhalb des Standardmodells genau zu testen. CONUS zielt darauf ab, diesen Prozess mit Reaktorneutrinos zu messen. Die Suche nach sterilen Neutrinos, die durch mehrere experimentelle Anomalien motiviert ist, wird im Rahmen des STEREO-Projekts durchgeführt. Allen Projekten gemeinsam sind die Entwicklung von Detektoren und Techniken zur Unterdrückung des Hintergrunds, um die verschiedenen Quellen der Kontamination zu unterdrücken.
Die experimentellen Aktivitäten werden durch theoretische Arbeiten ergänzt. Dazu gehören die Entwicklung allgemeiner Modelle, die über das Standardmodell hinausgehen, die Interpretation der verschiedenen Beobachtungsergebnisse, ihre Einordnung in einen breiteren Kontext und die Erstellung zusätzlicher Vorhersagen für eine Vielzahl von Untersuchungen.
