Astroteilchenphysik

Mit riesigen Detektoren und Teleskopen analysieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Neutrinos und Gammastrahlen, die aus fernen Winkeln des Weltalls kommen und über spektakuläre Phänomene Auskunft geben können: schwarze Löcher, explodierende Sterne und Strahlungsausbrüche von unvorstellbarer Intensität.

DESY verfügt über umfangreiche Erfahrungen und Kompetenzen in der experimentellen Gammastrahlungs- und Neutrinoastronomie sowie in der theoretischen Astroteilchenphysik. Der Forschungsbereich Astroteilchenphysik bei DESY bündelt diese Expertise und trägt entscheidend zur Entwicklung dieses wachsenden Forschungsfeldes bei. Der DESY-Standort in Zeuthen wird zu einem Zentrum und Anlaufpunkt der weltweiten Astroteilchenphysik ausgebaut.

Hochenergetische Strahlung

Ein Schwerpunkt von DESY in der Astroteilchenphysik ist die Gammaastronomie. Das Forschungszentrum beteiligt sich am zukünftigen Gammaobservatorium Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) in Chile und auf der Kanarischen Insel La Palma, an den bestehenden Gammateleskopen H.E.S.S. in Namibia und VERITAS in den USA sowie am Weltraumteleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope. Die DESY-Forschungen an den bestehenden Gammateleskopen reichen von der Beobachtung und Analyse verschiedenster Quellen kosmischer Gammastrahlung über Studien des intergalaktischen Magnetfelds bis hin zu Untersuchungen von kernphysikalischen Modellen. Diese experimentellen Aktivitäten werden durch theoretische Studien, z.B. zur Schockbeschleunigung von Teilchen, unterstützt.

Das Gammaobservatorium der Zukunft

Das Observatorium der nächsten Generation CTAO ist das größte Projekt von DESY auf dem Gebiet der Gammaastronomie. CTAO wird es erlauben, den Ursprung und die Rolle relativistischer kosmischer Teilchen mit deutlich verbesserter Empfindlichkeit zu ergründen, extreme astrophysikalische Umgebungen zu untersuchen und Grenzbereiche der Physik auszuloten. Das CTAO Science Data Management Centre (SDMC) entsteht auf dem DESY-Campus in Zeuthen. Zudem ist DESY Schlüsselpartner bei Entwicklung, Bau und Betrieb wesentlicher Komponenten sowohl in der Bauphase als auch bei zukünftigen Erweiterungen des Observatoriums.

Die Suche nach den Geisterteilchen

Zweiter Schwerpunkt der experimentellen Aktivitäten von DESY in der Astroteilchenphysik ist die Neutrinophysik. DESY ist entscheidend am Observatorium IceCube am Südpol beteiligt, das in einem Eisvolumen von einem Kubikkilometer hochenergetische Neutrinos registriert, wenn diese mit dem Eis reagieren. Da Neutrinos nur sehr selten mit anderen Teilchen wechselwirken, erreichen sie die Erde auf direktem Weg und liefern daher Informationen aus Bereichen des Universums, die sonst für die Astronomie unzugänglich wären, beispielsweise aus dem Inneren der Sonne oder von Sternenexplosionen. Als ein führendes Institut in der IceCube-Kooperation treibt DESY Design, Entwicklung und Ausbau sowie die Datenanalyse von IceCube voran, einschließlich der Erweiterung des Detektors zum Neutrinoobservatorium der nächsten Generation IceCube-Gen2.

DESY wirkt zudem federführend am Radio-Neutrinoobservatorium RNO-G in Grönland mit, einem Pionierprojekt, mit dem getestet werden soll, wie gut sich extrem energiereiche kosmische Neutrinos mit Radioantennen nachweisen lassen. Im Zuge des Ausbaus zu IceCube-Gen2 soll das Neutrinoobservatorium am Südpol dann mit Radioantennen, wie sie bei RNO-G getestet wurden, erweitert werden.

Kombinierte Botschaften aus dem All

DESY unterstützt den Ausbau eines globalen Multimessenger-Programms, das Informationen verschiedener Boten (engl.: messenger) aus dem All, wie elektromagnetische Strahlung, Neutrinos und Gravitationswellen, kombiniert. Jeder Bote liefert dabei unterschiedliche Informationen – erst durch die Verknüpfung entsteht ein Gesamtbild. So ermöglicht die Zusammenarbeit von Neutrino-, Gammastrahlungs- und optischen Observatorien es, die gemeinsamen Quellen von kosmischer Strahlung und Neutrinos bei höchsten Energien zu identifizieren und zu studieren.

Eine wichtige Rolle spielt dabei auch die theoretische Astroteilchenphysik, die danach strebt, die Daten der verschiedenen Messenger zu interpretieren, ihre Verbindungen zu beschreiben und ganzheitliche Multimessenger-Modelle zu entwickeln.

Von Ultraviolettstrahlung bis Gravitationswellen

DESY beteiligt sich an der Satellitenmission ULTRASAT unter der Leitung des Weizmann-Instituts für Wissenschaften in Rehovot, Israel. Mit der Ultraviolett-Kamera baut DESY das Herzstück des Satelliten, dessen Weitwinkelteleskop den Himmel im nahen Ultraviolett abbilden soll. UV-Licht wird in allen Arten von kosmischen Explosionen erzeugt und eignet sich daher besonders zur Multimessenger-Untersuchung von Gammastrahlenausbrüchen, Gravitationswellenereignissen und anderen kosmischen Ereignissen.

Zum Ausbau der Gravitationswellenforschung in Europa engagiert sich DESY gemeinsam mit außeruniversitären und universitären Partnern für eine deutsche Beteiligung am Einstein-Teleskop, einem in Europa geplanten Gravitationswellendetektor der nächsten Generation, der etwa 500-mal empfindlicher sein soll als die existierenden Detektoren LIGO in den USA oder Virgo in Italien.

DESY gehört zu den Antragstellern und wichtigen Partnern des Deutschen Zentrums für Astrophysik (DZA), das sich im Wettbewerb „Wissen schafft Perspektiven für die Region“ des Bundesforschungsministeriums und der Länder Sachsen und Sachsen-Anhalt durchgesetzt hat. Das DZA, das in der sächsischen Lausitz aufgebaut wird, ist eine gemeinsame Initiative der Astronomie und Astroteilchenphysik in Deutschland. Mit dem DZA entsteht ein nationales Forschungszentrum mit internationaler Strahlkraft, das ressourcensparende Digitalisierung vorantreibt, neue Technologien entwickelt, für Transfer sorgt und Perspektiven für die Region schafft.