Forschung - TRA Matter

Ausgehend von der subnuklearen Längenskala (10^-19m-10^-14m) führen wir im Bereich der Hochenergieteilchen-, und Hadronenphysik wegweisende Experimente an CERN, KEK und demnächst auch an FAIR sowie am Bonner Beschleuniger ELSA durch. Der Fortschritt auf diesem Gebiet wird sowohl von Präzisionsexperimenten als auch von der Suche nach neuen Phänomenen vorangetrieben. Ein sehr breites Spektrum an theoretischer Physik - von hochpräzisen Rechnungen und Modellbildungen bis hin zur mathematischen Physik - vervollständigt unsere auf großen Verbundprojekten basierende Forschung. Geplante Weiterentwicklungen in Richtung High Performance Computing und Data Engineering, sowie Detektorphysik unter Ausnutzung der neuen FTD-Infrastruktur sowie der vorhandenen Beschleuniger bieten exzellente Möglichkeiten für zukünftige Entdeckungen.

Auf der atomaren und molekularen Längenskala (10^-10m-10^-6m) sind Theoretische Chemie, Supramolekulare Chemie und Chemie an Spinzentren die Schwerpunkte unserer aktuellen Forschung. Diese Kernkompetenzen werden in ein zukunftsorientiertes Forschungsthema - der Nanokonstruktion von funktionellen Biohybridstrukturen - eingebracht. Die kontrollierte Anordnung der chemischen und biochemischen Komponenten erfordert die Entwicklung neuartiger synthetischer und analytischer Werkzeuge mit höherer Präzision in Raum und Zeit. Funktionalitäten wie Energiekonversion und -speicherung, Aktivierung inerter Moleküle und (bio)molekularer Transport sollen dabei angestrebt werden, um somit der aufstrebenden Bedeutung nachhaltiger Technologien in Medizin und Umwelt Rechnung zu tragen.

Auf der Längenskala 10^-7m-10^-4m spielt die Quantentechnologie mit Atomen, Photonen und deren Kondensate eine zentrale Rolle für die Bildung von neuartigen Materiezuständen - Forschung, die im Exzellenzcluster ML4Q gebündelt wird. Resultate aus der Grundlagenforschung werden neue Anwendungen in den Bereichen Quantensensorik, Kommunikation und Quantencomputing erschließen. Fortschritte werden durch exzellente Kontrolle experimenteller Plattformen ermöglicht, wobei besondere Herausforderungen die Präzisionsmessungen bei sehr kleinen Energien und an der Grenze zur makroskopischen Welt sind. Die hohe Komplexität unserer Systeme bringt immer größere Datenmengen mit sich (z.B. bei der Beobachtung von Vielteilchensystemen mit Einzelteilchenpräzision) und erfordert daher eine hohe Effizienz sowohl bei deren Speicherung als auch bei der Analyse.

Auf den größten Längenskalen (~10⁺⁴m-10⁺²⁵m) liefern wir zentrale Beiträge zu den Satellitenmissionen eROSITA und Euclid. Diese Missionen werden Meilensteine bei kosmologischen Messungen setzen, sie bestimmen Eigenschaften der dunklen Energie und können mögliche Abweichungen der Gravitationsgrenzen von der allgemeinen Relativitätstheorie finden. Die riesigen Datenmengen werden neue Ansätze für ihre Bearbeitung und für ihre statistische Analyse erfordern und bislang unbekannte Herausforderungen an die Präzision bestehender Modelle und kosmologischer Simulationen darstellen. Mit dem zukünftigen CCAT-prime Teleskop in Chile verfolgen unsere Radioastronomen ähnliche Ziele im Zusammenhang von Präzisionsmessungen an Galaxienhaufen zur Kartierung der großskaligen Kinematik des Universums, und sie werden die erste Generation von Galaxien am Ende des "kosmischen Mittelalters" erforschen.