Das Forschungsprogramm von PRISMA+ zielt auf einige der interessantesten Aspekte moderner Teilchen-, Astroteilchen- und Hadronenphysik ab. Es besteht aus fünf Forschungsfeldern:
„Die außergewöhnlich hohe Intensität von MESA bietet die Grundlage für extrem präzise Messungen von Naturkonstanten, aber auch der Struktur subatomarer Teilchen. Im Fokus unserer Arbeit stehen weiterhin die großen Unbekannten des Universums, wie zum Beispiel die mysteriöse dunkle Materie.“ Prof. Dr. Achim Denig
RA-A widmet sich den einzigartigen physikalischen Möglichkeiten, die der MESA-Beschleuniger und seine Experimente MAGIX, P2 und BDX@MESA bieten. Mit dem P2-Experiment werden PRISMA+-Wissenschaftler einen neuen Präzisionsstandard für die Messung des elektroschwachen Mischungswinkels bei niedriger Energie setzen und eine neue Generation von Experimenten für paritätsverletzende Verfahren anstoßen, die zur Bestimmung der Neutronenhaut in schweren Kernen erforderlich sind. Durch das MAGIX-Spektrometer mit seinem neuartigen pseudo-internen Gas-Target wird es möglich sein, den Protonenladungsradius mittels Elektronen-Protonen-Streuung genauer zu bestimmen und nach Botenteilchen für dunkle Materie zu suchen. Beim Strahlenfänger-Experiment BDX@MESA geht es um die Erzeugung von Partikeln der dunklen Materie und die Erkennung ihrer Zerfallssignaturen. Dies erfolgt in Ergänzung zur direkten Suche nach dunkler Materie, die aus WIMPs (weakly interacting massive particles - schwach wechselwirkende massereiche Teilchen) besteht und den galaktischen Halo bildet.
„Mit unseren Experimenten stellen wir das Standardmodell auf den Prüfstand. Dazu sind immer ausgeklügeltere Techniken nötig, die wir in Mainz sehr erfolgreich entwickeln. Wir stellen exotische Atome her oder fangen Teilchen in Fallen, um sie präziser als je zuvor studieren zu können.“ Prof. Dr. Randolf Pohl
RA-B stellt das Standardmodell der Teilchenphysik bei niedrigen Energien auf den Prüfstand. Die Hauptaktivitäten beinhalten eine umfassende Untersuchung des anomalen magnetischen Moments des Myons, der Lebenszeit des Neutrons, der Ladungsradien des Protons und leichter Kerne sowie die Suche nach neuer Physik mittels atomarer Paritätsverletzung. Diese Forschung basiert in entscheidendem Maße auf innovativen Untersuchungsverfahren, die PRISMA+-Wissenschaftlern entwickelt haben, wie Laserspektrokospie myonischer und elektronischer Atome, Neutronen-Magnetfallen usw. Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt ist die zuverlässige Bestimmung des hadronischen Beitrags zum anomalen magnetischen Moment.
„Neutrinos sind Geisterteilchen, die sich nicht leicht zu erkennen geben. In unseren tonnenschweren Detektoren können wir sie jedoch aufspüren. Dann erlauben sie uns einen unverhüllten Blick auf die Vorgänge im Innern der Sonne. Vielleicht sind Neutrinos sogar Cousins der geheimnisvollen dunklen Materie?“ Prof. Dr. Michael Wurm
RA-C legt den Fokus auf grundlegende ungelöste Fragen im Zusammenhang mit Neutrinomassen und der Existenz dunkler Materie. Das Problem der Neutrino-Massenhierarchie und der absoluten Skala von Neutrinomassen wird durch entscheidende Beiträge zu den Experimenten JUNO, PINGU und Projekt 8 adressiert. Bei der Suche nach WIMPs sind unsere Wissenschaftler an den weltweit führenden Experimente XENONnT und DARWIN beteiligt. Hoch innovative Suchverfahren nach Axionen und Axion-ähnlichen Teilchen mithilfe der Experimente GNOME und CASPEr in Mainz sowie eine führende Beteiligung am DM Radio-Experiment an der Stanford University bilden einen weiteren Schwerpunkt.
„Wir arbeiten an riesigen Teilchenbeschleunigern in aller Welt. So lernen wir, was im frühen Universum passiert ist. Mit dem ATLAS-Detektor am CERN etwa erforschen wir das Higgs-Teilchen, mit Neutrino-Experimenten in den USA wollen wir klären, warum es so viel mehr Materie als Antimaterie gibt.“ Prof. Dr. Volker Büscher
RA-D widmet sich der indirekten Suche nach neuer Physik an der Energiegrenze. Sie bringt Wissenschaftler aus der Theorie mit einer großen Bandbreite an experimentellen Physikern zusammen, um sich auf die Lösung wichtiger grundlegender Fragestellungen zu konzentrieren. Dabei liegt der Schwerpunkt in der Erforschung des Mechanismus, welcher der elektroschwachen Symmetriebrechung zugrunde liegt, sowohl am Large Hadron Collider als auch an einem zukünftigen Elektron-Positron-Teilchenbeschleuniger. Zu den relevanten Observablen zählen die Kopplungen des Higgs-Bosons, die Masse des W-Bosons und verschiedene Diboson-Produktionsraten. Dieses Programm wird durch die Suche nach seltenen Zerfällen im NA62-Experiment am CERN und bei Belle II ergänzt. Eine dritte Forschungsrichtung widmet sich Long-Baseline-Neutrinoexperimenten, deren Hauptziel in der Messung der CP-Verletzung im Leptonsektor besteht.
„Wir arbeiten daran, die innere Struktur der Materie mit Methoden der Theoretischen Physik besser zu erklären. Unsere Rechnungen führen wir mit riesigen Computern durch. Dabei liefern wir wichtige Beiträge zur Forschung unserer experimentell arbeitenden Kollegen.“ Prof. Dr. Stefan Weinzierl
Bei den Aktivitäten von RA-E geht es im Kern um innovative Verfahren in der Quantenfeldtheorie, wie störungstheoretische High-Order-Berechnungen, Anwendungen effektiver Feldtheorien und neue Verfahren in der Gittereichtheorie. Weitere wichtige Forschungsfelder umfassen Physik jenseits des Standardmodells, Astroteilchenphysik, mathematische Physik und die Stringtheorie. Theoretiker von PRISMA+ arbeiten nicht nur an vorderster Front ihrer jeweiligen Fachgebiete, sondern erbringen wichtige theoretische Beiträge zu den Hauptforschungszielen der anderen Forschungsfelder.
Diese werden durch drei Struktureinheiten ergänzt:
Mainz Energy-Recovering Superconducting Accelerator (MESA)
Mainzer Institut für Theoretische Physik (MITP)
Gleichwohl die Bereiche nach inhaltlichen Schwerpunkten gegliedert sind, stehen sie in engem Zusammenhang mit den wissenschaftlichen Gesamtzielen von PRISMA+. Denn: Know-How und fachliche Expertise aus allen Bereichen ergänzen und vernetzen sich gegenseitig. Gleichzeitig können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die einzigartige Umgebung und die vorhandene Infrastruktur in Mainz nutzen.