Physik - Charlotte Hellmann, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Arbeitstitel der Dissertation: Strahlungskorrekturen zu Dunkelmaterie-Paarannihilationsprozessen im frühen Universum

Theoretische Physik der Dunkelmaterie

Charlotte Hellmann promoviert bei Prof. Martin Beneke an der RWTH Aachen auf dem Gebiet der Theoretischen Elementarteilchenphysik. Sie beschäftigt sich mit Strahlungskorrekturen zu Dunkelmaterie-Paarannihilationsprozessen im frühen Universum.

Die uns bekannte Physik lässt sich gegenwärtig bis zu Energieskalen von einigen 100 GeV äußerst erfolgreich durch das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreiben, das Eigenschaften und Wechselwirkungen der fundamentalen Bausteine (den sog. Elementarteilchen) der uns vertrauten Materie zusammenfasst. Kosmologische und astrophysikalische Beobachtungen haben in den vergangenen Jahren jedoch zu der Erkenntnis geführt, dass ungefähr 80% der Materiedichte in unserem Universum nicht aus den Standardmodell-Teilchen aufgebaut sein kann. Die Existenz dieser als Dunkelmaterie bezeichneten Materiekomponente des Universums zeigt in eklatanter Weise, dass unser Verständnis der Physik der Elementarteilchen unvollständig ist. Eine der wichtigsten Aufgaben der Teilchenphysik besteht deshalb in der Klärung von Natur und Ursprung der Dunkelmaterie.

Aus Sicht der Teilchenphysik sind in diesem Zusammenhang insbesondere Erweiterungen des Standardmodells viel versprechend, die einen Teilchen-Kandidaten involvieren, mittels dessen sich das heute beobachtete kosmische Dunkelmaterie-Vorkommen als thermische Reliktdichte erklären lässt. Dem Reliktdichte-Szenario liegt die Idee zugrunde, dass die Dunkelmaterie Teilchen sehr kurz nach dem Urknall zusammen mit den bekannten Standardmodell Teilchen in einem extrem heißen Plasma vorlagen und zunächst vielfältige Wechselwirkungen mit diesen eingingen. Kurze Zeit später fiel die Wechselwirkungsrate der Dunkelmaterie-Teilchen jedoch unter die Expansionsrate des Universums- die Dunkelmaterie Teilchen fielen damit aus dem Gleichgewicht mit den übrigen Teilchen heraus. Es ist möglich, dass die heute beobachtete kosmische Dunkelmaterie ein solches Relikt aus dem frühen Universum ist.

Tatsächlich besteht die Möglichkeit, dass das Reliktdichte-Szenario, das Bezug auf Prozesse im frühesten Universum sehr kurze Zeit nach dem Urknall nimmt, bald experimentell getestet werden kann: Eine entscheidende Vorhersage des Reliktdichte-Szenarios besteht darin, dass die Masse des Dunkelmaterie Kandidaten- abhängig vom zugrunde liegenden Modell- von der Größenordnung einiger TeV sein sollte. Dies ist eine faszinierende Aussage, denn aufgrund anderer, nicht mit der Dunkelmaterie assoziierter Schwierigkeit im Standardmodell erwartet man an einer Energieskala von 1 TeV 'Neue Physik'. Insbesondere soll mit dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN der Energiebereich einiger TeV auf Signaturen neuer Physik hin untersucht werden. Damit scheint es in naher Zukunft möglich, Dunkelmaterie-Kandidaten im Experiment zu erzeugen und zu vermessen.

Um einen unter Umständen am LHC nachgewiesenen Dunkelmaterie-Kandidaten tatsächlich mit dem Konstituenten der kosmischen Dunkelmaterie identifizieren zu können, ist eine genaue Berücksichtigung der Bedingungen im frühen Universum notwendig, da diese in die Berechnung der Reliktdichte und damit auch eine Massenvorhersage eingehen.

Charlotte Hellmann untersucht in ihrem Promotionsprojekt sowohl nicht-perturbative als auch thermische Effekte in Dunkelmaterie-Paarannihilationsprozessen, die den Situationen zum Zeitpunkt der Entkopplung der Dunkelmaterie im frühen Universum Rechnung tragen. Die Einbeziehung der Effekte ist für eine präzise Massenvorhersage des Dunkelmaterie-Kandidaten und damit eine eventuelle Identifikation des Konstituenten der kosmischen Dunkelmaterie mit dem im Experiment erzeugten Kandidaten notwendig.