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Um diese grundlegenden Fragen zu beantworten, arbeiten im Cluster mehr als 300 Personen aus der Mathematik, Teilchen-, Astro- und Mathematischen Physik zusammen. Die Forschungsarbeiten reichen von der Entwicklung mathematisch-theoretischer Modelle über das Studium der Physik des Higgs-Teilchens bis zu theoretischen und experimentellen Arbeiten zur Suche nach Dunkler Materie sowie zu Gravitationswellen als Fenster in das frühe Universum. Im Fokus steht die Beziehung zwischen der Quantenphysik, welche die kleinsten Objekte in der Natur beschreibt, und der Struktur und Entwicklung des Universums.

Hamburg hat eine lange Tradition in der Teilchenphysik. „Seit 60 Jahren gehören wir zur Weltklasse“, unterstreicht Clustersprecher Jan Louis, der sich als Physikprofessor der Universität Hamburg unter anderem mit der Stringtheo­rie beschäftigt. An der Schnittstelle zwischen Teilchen- und Astrophysik sowie Kosmologie haben Hamburger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen des SFB „Particles, Strings and the Early Universe“ zwölf Jahre lang geforscht und damit das Fundament geschaffen für den Exzellenz­cluster, der diese Felder zusammenführen, weiterentwickeln und mit weiteren Themengebieten verknüpfen möchte. „Um die Gravitation mit der Quantenfeldtheorie zu verbinden, müssen wir die Expertise aus all diesen Bereichen zusammennehmen und das Problem von den vielversprechendsten Seiten angehen“, ist der Teilchenphysiker Peter Schleper überzeugt, der zusammen mit Géraldine Servant das Co-Sprecherteam bildet. (...)

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt erfolgreich die Welt der kleinsten Teilchen und die auf sie wirkenden Kräfte. Allerdings versagt es, wenn man die Welt auf kosmologischen Skalen betrachtet: Die Dunkle Materie macht 85 Prozent der Materie unseres Universums aus. Eine Vielzahl von Erweiterungen des Standardmodells sagt Kandidaten für die Dunkle Materie in Form neuartiger Elementarteilchen vorher. Zwei dieser Kandidaten stechen besonders heraus, weil ihre Existenz auch andere Fragen der Teilchenphysik beantwortet und ihr direkter experimenteller Nachweis in Reichweite sein könnte [1]. Bekannt ist das Neutralino aus den supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells, die auch das Hie­rarchieproblem lösen könnten, also die Frage, warum sich Higgs- und Planck-Masse so sehr unterscheiden. Weniger bekannt ist das Axion. Seine Existenz wurde vorhergesagt, um das starke CP-Problem zu lösen (Info­kasten), also die Frage zu klären, warum bisher für die starke Wechselwirkung keine gleichzeitige Verletzung der Ladungs- und Raumspiegelungssymmetrie nachzuweisen war – obwohl die theoretische Beschreibung dies erlaubt.
Das Standardmodell beschreibt Teilchen und Kräfte in quantisierten Feldern, die unser Universum durchziehen. Die Felder lassen sich anregen, und diese Anregungen breiten sich wie Wellen auf einer Oberfläche aus. Teilchen entsprechen den Elementaranregungen dieser Felder, während klassische Oszillationen die kohärenten Zustände vieler Teilchen sind. Die Quanten­chromodynamik (QCD) erklärt die starke Wechselwirkung, die für die Kernkräfte verantwortlich ist, mit Hilfe so genannter Gluonfelder. Experimente haben die vorhergesagten Wechselwirkungen der Gluonen als Teilchenanregungen des Feldes mit den Bausteinen der Materie, den Quarks, und mit sich selbst mit großer Genauigkeit bestätigt.
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