Die Erforschung der Grundbausteine der Materie und deren fundamentaler Wechselwirkungen ist Teil weltweiter Forschungsbemühungen. Zahlreiche internationale Großexperimente, die entweder bereits mit der Datenerfassung begonnen haben oder im Laufe des nächsten Jahrzehnts den Betrieb aufnehmen werden, widmen sich dieser spannenden Herausforderung. An vielen von ihnen sind PRISMA++ Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt. So wollen sie wichtige Beiträge zur Beantwortung einer Reihe fundamentaler offener Fragen in diesem Forschungsfeld leisten:

  • Gibt es neue Teilchen oder neue Kräfte jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik?
  • Was ist der Ursprung der Masse?
  • Warum weist das Universum mehr Materie als Antimaterie auf?
  • Woraus besteht die dunkle Materie?

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, umfasst die Forschung bei PRISMA++ fünf grundlegende, zusammenhängende Forschungsfelder. Gemeinsames Ziel ist es, fundamentale Kräfte und Symmetrien zu untersuchen, ihre Verbindungen zur Existenz neuer Teilchen, die interne Struktur der gewöhnlichen (sichtbaren) Materie und die Natur der dunklen Materie sowie ihre Wechselwirkungen mit dem sichtbaren Sektor zu erforschen.

An der JGU zeichnet sich die Erforschung der grundlegenden Bausteine und Wechselwirkungen der Natur durch eine große Bandbreite komplementärer Vorgehensweisen und Methoden aus, die zur Beantwortung dieser Fragen eingesetzt werden, wie zum Beispiel:

  • Experimente an Teilchenbeschleunigern
  • Neutrinoteleskope und Experimente zur Suche nach dunkler Materie
  • Präzisionsspektroskopie und Magnetometrie sowie Experimente mit Atom- und Ionenfallen
  • Reaktor-basierte Experimente mit kalten und ultrakalten Neutronen
  • Theoretische Berechnungen und Modellbildung

Dabei kommt PRISMA++ insbesondere die in Mainz vorhandene Kompetenz in den Bereichen numerische Methoden und Hochleistungsrechnen zugute sowie die große Erfahrung in der Konzeption und beim Betrieb großer Experimentier- und Beschleunigeranlagen.

Das Forschungsprogramm von PRISMA++ zielt auf einige der interessantesten Aspekte moderner Teilchen-, Astroteilchen- und Hadronenphysik ab. Es besteht aus fünf Forschungsfeldern:

RA-A widmet sich den einzigartigen physikalischen Möglichkeiten, die der MESA-Beschleuniger und seine Experimente MAGIX und P2 bieten. Mit dem P2-Experiment werden PRISMA++ Wissenschaftlerinnen und 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 Gas-Target wird es möglich sein, die Streuung von Elektronen mit geringem Impulsübertrag zu messen, wodurch wir unser Verständnis der Formfaktoren und Ladungsradien von Nukleonen verbessern können.

Das Hauptziel von RA-B ist es, die Existenz von Teilchen jenseits des Standardmodells nachzuweisen, indem Quanten-Loop-Effekte untersucht werden. Zu den Hauptaktivitäten gehören die Lösung der Cabibbo-Winkel-Anomalie sowie die präzise Messung der Lebensdauer von Neutronen, des schwachen Mischungswinkels und der Kernladungsradien. Darüber hinaus wird das anomale magnetische Moment des Myons umfassend untersucht. Diese Forschung stützt sich in hohem Maße auf innovative Untersuchungsmethoden, die von PRISMA + + Forschenden entwickelt wurden, wie die Laserspektroskopie von myonischen Atomen und der Einsatz von Neutronenmagnetfallen, sowie auf Beiträge zu großen internationalen Experimenten wie ATLAS und NA62 am CERN sowie τSPECT am PSI. Hochpräzise Berechnungen ergänzen diese experimentellen Bemühungen und maximieren durch Loop-Korrekturen die Empfindlichkeit für neue physikalische Effekte.

RA-C erforscht die Physik jenseits des Standardmodells, indem es die Eigenschaften der Neutrinos und den Ursprung ihrer Massen untersucht. Entscheidende Beiträge zu den internationalen Experimenten JUNO, IceCube, Project 8 und DUNE befassen sich mit dem Problem der Neutrino-Massenhierarchie und der absoluten Skala der Neutrino-Massen. Insbesondere eine kombinierte Analyse der Neutrinooszillationsdaten mit Schwerpunkt auf den Experimenten IceCube-Upgrade und JUNO ist entscheidend für die Aufklärung der Massenordnung. Darüber hinaus wird die Kombination von Fachwissen im Bereich fortschrittlicher Szintillatortechnologien im PRISMA-Detektorlabor die Demonstration neuer Technologien für zukünftige Experimente ermöglichen.

RA-D verfolgt eine Vielzahl innovativer Ansätze auf der Suche nach dunkler Materie. Dazu gehören die Suche nach neuen Teilchen und Kräften sowie die Erforschung neuartiger Sonden für das frühe Universum. Die Experimente GNOME und CASPEr in Mainz nutzen hochinnovative Methoden, um nach Axionen und axionähnlichen Teilchen zu suchen. Das unterirdische DARWIN/XLZ-Experiment mit seiner verbesserten Empfindlichkeit wird für den direkten Nachweis von Dunkler Materie im GeV-TeV-Bereich eingesetzt. Darüber hinaus nutzt das ATLAS-Experiment Daten aus der Hochluminositätsphase des LHC, um auch nach schwach wechselwirkender dunkler Materie im TeV-Bereich zu suchen. Die Empfindlichkeit wird durch das neue SHiP-Experiment am CERN weiter verbessert werden.  

Die Aktivitäten von RA-E befassen sich mit der Grundlagenphysik auf allen Ebenen. Die Theoretiker von PRISMA + + arbeiten an innovativen Methoden der Quantenfeldtheorie, wie perturbativen Berechnungen hoher Ordnung, Anwendungen effektiver Feldtheorien und neuen Verfahren in der Gitter-Eichtheorie. Weitere wichtige Forschungsgebiete sind die Physik jenseits des Standardmodells, die Astroteilchenphysik, die mathematische Physik und die Stringtheorie. Darüber hinaus verbessern numerische Techniken, die mit Hilfe von Machine-Learning-Tools entwickelt wurden, die enge Wechselwirkung zwischen Theorie und Experiment und erhöhen damit die Aussichten auf die Entdeckung neuer physikalischer Phänomene erheblich.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Mainz profitieren seit vielen Jahren von der hervorragenden und einzigartigen lokalen Forschungs-Infrastruktur auf dem Campus der JGU. Derzeit gehört dazu der MAMI-Beschleuniger, welcher vom Institut für Kernphysik gebaut und betrieben wird, und der Forschungsreaktor TRIGA Mainz am Institut für Kernchemie, der als hochwertige Quelle für ultrakalte Neutronen dient.

Diese Einrichtungen werden bei PRISMA++ ergänzt durch:

Mit MESA erkunden wir die Möglichkeiten, die die kürzlich etablierte Energy-Recovery-Linac (ERL) Beschleunigertechnologie für physikalische Experimente bietet. Diese neue Technologie ermöglicht sehr hohe Luminositäten des Elektronenstrahls, der bei niedrigen Energien auf „interne“ Targets zielt. MESA ist der erste Beschleuniger, der Multiturn-Energierückgewinnung in einem supraleitenden Umfeld einsetzt. Die Maschine wird damit als Testumgebung für andere Großanlagen weltweit dienen, wie z.B. dem LHeC [1].

Der MESA Beschleuniger und die dazugehörigen Experimente werden sich über mehrere Untergeschosse erstrecken und umfassen auch eine neue Experimentierhalle, die im Rahmen des Forschungsbaus CFP errichtet werden wird. Im April 2024 wurde erstmals ein Elektronenstrahl mit MESA erzeugt.

MESA ist nicht nur ein bahnbrechendes Projekt für ERL-Anwendungen, der Beschleuniger ebnet auch den Weg für wichtige Experimente in der Teilchenphysik. Mehrere Schlüsselexperimente befinden sich derzeit in der Entwicklung. Zwei davon, P2 und MAGIX, sind bereits in einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium.

Das P2-Experiment, das im Betriebsmodus mit einem extrahierten Strahl (extracted beam) durchgeführt wird, wird existierende Messungen des elektroschwachen Mischungswinkels bei niedrigen Energien um mehr als eine Größenordnung übertreffen. Darüber hinaus ermöglicht es eine neue Generation von Experimenten zur Paritätsverletzung, die für die Bestimmung der Neutronenhaut von schweren Kernen benötigt werden. Mit MAGIX ergibt sich weltweit erstmals die Möglichkeit, einen hochintensiven ERL-Strahl in Kombination mit einem internen Gas-Target zu betreiben. Das MAGIX Vielzweckspektrometer erlaubt außerdem die präzise Messung der Formfaktoren des Protons sowie die Suche nach dunklen Photonen. Die direkte Suche nach Dunklen Materie Teilchen wird in DarkMESA verfolgt werden und wird von der außergewöhnlich hohen Zahl von beschleunigten Elektronen im MESA Beschleuniger profitieren.

Kollaborationen:

Im Juni 2015 hat die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz (GWK) die Förderung des neuen Forschungsbau „Centrum für Fundamentale Physik (CFP)“ bewilligt. Das neue Forschungsgebäude stellt die notwendige Infrastruktur für das erweiterte PRISMA++ Forschungsprogramm zur Verfügung. Es besteht aus zwei getrennten Teilen: Nach Fertigstellung bietet das CFP zum einen Büroräume und Laborflächen zum anderen eine unterirdische Experimentierhalle.

Die unterirdische Experimentierhalle stellt den notwendigen Raum und die Infrastruktur für den MESA Beschleuniger und dessen Experimentiereinrichtungen bereit. Die Halle deckt somit den zusätzlichen Flächenbedarf, der durch das signifikant erweiterte Forschungsprogramm an MESA entstanden ist.

Im oberirdischen Teil des neuen Komplexes sollen einige der neu eingerichtete Arbeitsgruppen untergebracht werden. Außerdem werden dort Speziallabore für Detektorentwicklung eingerichtet einschließlich eines Reinraums und einer Montagehalle, in der große Detektorteile montiert werden können. Ein Konferenzraum sowie Büroräume für Gastwissenschaftler und die PRISMA++ Administration sollen ebenfalls dort untergebracht werden.

Im Frühjahr 2018 haben die Bauarbeiten für den unterirdischen Teil des Forschungsbaus CFP begonnen. Um die Experimentierhalle des neuen Teilchenbeschleunigers MESA in zehn Metern Tiefe bauen zu können, mussten zuerst alte Neben- und Werkstattgebäude auf dem Gelände des Instituts für Kernphysik weichen. Die neuen Werkstätten sind bereits bezogen.

Das PRISMA Detektorlabor fördert die Zusammenarbeit sowie den Erfahrungs- und Technologieaustausch innerhalb von PRISMA++. Es stellt Labore und Arbeitsplätze zur Verfügung, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mit unterschiedlicher Hardware-Expertise eine gemeinsame Forschungsumgebung und Infrastruktur zu bieten.

Im Rahmen dieser Zusammenarbeit bietet das Detektorlabor Zugang zu eigenen Speziallaboren, hochwertigen Geräten und zu Design-Software. Für die Prüfung und Charakterisierung von Detektoren und Elektronik stehen zudem die Elektronen- und Photonenstrahlen am MAMI und die Bestrahlungseinrichtung am TRIGA-Reaktor zur Verfügung.

Das MITP ist eine der Hauptinitiativen des Clusters und soll langfristig die Rolle eines internationalen Theoriezentrums übernehmen. Es wurde im November 2012 im Rahmen des Exzellenzclusters PRISMA gegründet; Gündungsdirektor ist Professor Matthias Neubert (JGU Mainz). Das MITP vereint die theoretischen Aktivitäten in allen Forschungsbereichen von PRISMA++ unter einem Dach und fördert die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Fachgebieten.

Hierzu organisiert das Institut unter Einbindung externer Forscherinnen und Forscher wissenschaftliche Programme, Workshops und Konferenzen. Damit bietet es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus unterschiedlichen Forschungsgebieten der theoretischen Physik die Möglichkeit zum interdisziplinären Austausch.

Etwa 100 Doktorandinnen und Doktoranden sowie 90 Postdocs forschen aktuell in den verschiedenen Bereichen des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA++. Mit ihrem Engagement, ihren Ideen und ihrem Wissensdurst leisten sie einen unerlässlichen Beitrag zur Umsetzung des PRISMA++-Forschungsprogramms. In loser Folge stellen wir in der Rubrik „Woran forschen Sie gerade?“ Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler und ihre Forschungsprojekte vor.

Der Exzellenzcluster PRISMA++ lebt von der Exzellenz und Vielfalt seiner Mitglieder. Sie bilden ein interdisziplinäres Netzwerk mit innovativen Forschungsansätzen und internationaler Erfahrung. In der Rubrik „Neu bei PRISMA“ stellen wir Ihnen die herausragenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor, die wir für unser Cluster neu hinzugewinnen konnten. Wir freuen uns, die neuen Kolleginnen und Kollegen in unserer wissenschaftlichen Gemeinschaft begrüßen zu dürfen!