Im Meer, im Untergrund und auf Satelliten

  • 08. December 2017

Das europäische Konsortium der Astroteilchenphysiker stellt Empfehlungen vor, um das Forschungsgebiet in der kommenden Dekade voranzubringen.

Mit der „European Astroparticle Physics Strategy 2017-2026“ hat das Astroparticle Physics European Consortium (APPEC) eine Roadmap für das kommende Jahrzehnt vorgelegt. Die europäischen Astroteilchenphysiker geben darin einen Überblick zum aktuellen Stand der Forschung in ihrem interdisziplinären Arbeitsgebiet mit Einflüssen aus der Astronomie, Teilchenphysik und Kosmologie. Das Konsortium, dem Physiker aus 14 europäischen Ländern angehören, fasst in 21 Empfehlungen an die europäischen und nationalen Förderinstitutionen zusammen, wie sich das Forschungsfeld in der kommenden Dekade entwickeln sollte und welche instrumentellen Entwicklungen dazu nötig sind.

Astroteilchenphysiker betrachten sowohl die Welt des Mikrokosmos in Form von Elementarteilchen und ihren fundamentalen Wechselwirkungen als auch die des Makrokosmos der Himmelsobjekte und ihrer Entwicklung. Dadurch erhoffen sie sich Erkenntnisse zu unserem Universum, die über das Standardmodell der Teilchenphysik und das etablierte Big Bang-Modell der Kosmologie hinausgehen. Aus experimenteller Sicht ist es dafür nötig, möglichst viele Informationsträger zu nutzen, beispielsweise die kosmische Strahlung, elektromagnetische Wellen, Neutrinos und Gravitationswellen. Dazu sind wie im Fall der Gravitationswellen technisch höchst aufwändige Konstruktionen entstanden.

Mehrere tausend solcher Module mit optischen Sensoren bilden die dreidimensionalen Detektorarrays, mit denen KM3NeT im Mittelmeer Neutrinos nachweisen soll. (Quelle: KM3NeT)

Mehrere tausend solcher Module mit optischen Sensoren bilden die dreidimensionalen Detektorarrays, mit denen KM3NeT im Mittelmeer Neutrinos nachweisen soll. (Quelle: KM3NeT)

Solche Infrastrukturen benötigen erhebliche Investitionen. Ziel des vorliegenden Dokuments ist es daher auch, mögliche koordinierte europäische Strategien zur Finanzierung aufzuzeigen. Dabei gliedern sich die Empfehlungen in mehrere Bereiche, darunter Multi-Messenger-Beobachtungen sowie Dunkle Materie und Neutrinos. Insbesondere die Neutrinos spielen übergreifend eine wichtige Rolle: So nennt das Konsortium als Ziele, ihre Masse direkt mit dem KATRIN-Experiment zu bestimmen und mithilfe der Experimente GERDA, CUORE und NEXT sowie deren geplanten Upgrades die Frage zu klären, ob es sich um Majorana-Teilchen handelt. Hochenergetische kosmische Neutrinos soll KM3NeT nachweisen, das zunächst mit zwei großen dreidimensionalen Arrays aus optischen Sensoren im Mittelmeer, ACRA und OCRA, starten soll. Eine europäische Beteiligung an einem der weltweit geplanten Megatonnen-Detektoren (DUNE in den USA, JUNO in China oder Hyper-Kamiokande in Japan) ist vorgesehen, um die Quellen hochenergetischer kosmischer Neutrinos zu lokalisieren und die Massenhierarchie der Neutrinos zu verstehen.

Um das Dunkle Universum zu erforschen, unterstützt das Konsortium die Bemühungen, weltweit einen „Dunkle-Materie-Detektor“ auf Xenon-Basis mit einer Masse von 50 Tonnen (z.B. DARWIN) und einen Detektor auf Argon-Basis mit 300 Tonnen Masse (z.B. Argo) aufzubauen. Die Frage nach der Natur der Dunklen Energie soll die Satellitenmission Euclid der Europäischen Weltraumorganisation ESA klären. Komplementäre bodengebundene Experimente in den USA sollen durch eine europäische Beteiligung gestärkt werden.

Multi-Messenger-Beobachtungen sind das empfohlene Mittel, um den Ursachen des extremen Universums auf die Spur zu kommen, also Ereignisse zu verstehen, bei denen sehr hohe Energien freigesetzt werden. Dazu gehört für das Konsortium neben KM3NeT für die Neutrinos der Aufbau des Cherenkov Telescope Arrays (CTA) zum Nachweis hochenergetischer Gamma-Strahlung. Für den Nachweis hochenergetischer kosmischer Strahlung wird der Ausbau des Pierre-Auger-Observatoriums zu AugerPrime favorisiert. Auch auf den Erfolgen beim Nachweis von Gravitationswellen will man sich nicht ausruhen und unterstützt den Aufbau des Einstein-Teleskops sowie seines satellitenbasierten Pendants LISA.

Die europäischen Astroteilchenphysiker möchten aber auch dem Ursprung des Universums auf die Spur kommen. Dazu ist es nötig, frühe Stadien noch genauer als bisher zu untersuchen. Daher soll die europäische Expertise für satellitengebundenen Observation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds für eine Folgemission zu Planck genutzt werden. Um die Ergebnisse der verschiedenen Experimente zu einem Gesamtbild unseres Universums zusammenzufassen, ist für das Konsortium der Ausbau theoretischer Forschung zur Astroteilchenphysik essenziell.

Der Strategieplan mag auf den ersten Blick wie ein überdimensionierter Wunschzettel erscheinen. Gerade die Fülle an Themen und Experimenten macht es aber notwendig, die wichtigsten mit Förderempfehlungen herauszugreifen. Das APPEC folgt mit der dritten Auflage des Strategieplans den Gepflogenheiten anderer europäischer Forscherverbünde. Offiziell wird das Dokument Anfang Januar in Brüssel vorgestellt.

Kerstin Sonnabend

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