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Suche nach neue Physik


Image Source: © Chandra X-Ray Observatory: 1E 0657-56

Trotz des enormen Erfolgs des Standardmodells der Teilchenphysik können wir auf manche der tiefgreifendsten Fragen des Universums keine Antworten liefern. Beobachtungen aus der Astrophysik und Kosmologie konnten zeigen, dass circa 20% der gesamten Energie des Universums aus Dunkler Materie besteht, für die das Standardmodell keine zufriedenstellende Erklärung liefert. Desweitern gibt es in unserm Universum deutlich mehr Materie statt Antimaterie. Obwohl das Standardmodell einen Mechanismus beinhaltet, der erlaubt mehr Materie statt Antimaterie zu erzeugen, ist dieser nicht stark genug, um unser von Materie dominiertes Universum zu erklären.  

Fragen wie diese motivieren uns nach Physik jenseits des Standardmodells zu suchen, um entsprechende Antworten zu finden. Mit hohen Energien und Luminositäten des Large Hadron Colliders (LHC) können wir potenziell neue Teilchen produzieren und diese im großen Detail studieren. 

Woran wir arbeiten

Suche nach Dijet Resonanzen auf Trigger-Level

Jedes neue Teilchen, das in Proton-Proton-Kollisionen am LHC erzeugt werden kann, muss auch wieder zurück in hadronische Zustände zerfallen können typischerweise in zwei Jets. Da QCD Dijet-Ereignisse jedoch der häufigste Prozess am LHC sind, erweist sich die Suche nach Resonanzen im Dijet-Massenspektrum als Herausforderung. Die ATLAS Trigger-Level Analyse untersucht diese Ereignisse mit reduziertem Detektor-Readout, was es erlaubt, die hohen Energieschwellen des Jet-Triggers zu umgehen. Daraus ergibt sich der größte Datensatz aller Suchen in ATLAS, für den unsere Gruppe die Bestimmung des Standardmodell-Untergrunds mit ausreichender statistischer Präzision übernimmt. Vorherige Ergebnisse dieses Trigger-Level Ansatzes auf einem kleinen Teil des aktuellen Datensatzes, können hier gefunden werden.  

 

Detektor-korrigierte Suche nach Dunkler Materie

Eine deutliche Signatur für die Produktion von Dunkler Materie am Large Hadron Collider ist eine große fehlende transversaler Energie (MET), die von den undetektierten Dunkle Materie Teilchen stammt, in Assoziation mit einem oder mehreren energetischen Jets. Ein Standardmodell (SM)-Prozess mit einer identischen Ereignistopologie ist der Zerfall eines Z-Bosons in Neutrinos (Z→ νν (+jets)). An einer Messung dieses Prozesses für Ereignisse mit energetischen Jets und MET wird gerade gearbeitet. Des Weiteren werden Ereignisse ausgewählt, die es erlauben den entsprechenden Vektor-Boson-Fusion Prozess zu studieren. Um spätere Vergleiche zwischen den Messungen und physikalischen Modellen jenseits des SM zu erleichtern, werden Detektoreffekte von den Daten durch eine iterative Entfaltungsprozedur entfernt. Experimentelle und theoretische Unsicherheiten werden durch die Verwendung von Kotrollregionen eingeschränkt. Diese Kontrollregionen basieren auf verschiedenen Prozessen mit entsprechenden Bosonen als Austauschteilchen. Daher sind die Unsicherheiten zwischen den unterschiedlichen Regionen zu einem hohen Grad korreliert. Auf den detektor-korrigierten Ergebnissen wird eine Suche nach Abweichungen vom SM durchgeführt. In unserer Gruppe bestimmen wir hierzu Abschätzungen der SM-Hintergründe, um diese beschränken zu können, und studieren den Entfaltungsmechanismus, der uns ermöglicht Detektoreffekte zu korrigieren. Frühere Ergebnisse basierend auf einem kleineren Datensatz können hier gefunden werden. 

 

Frühere Analysen

Suche nach mikroskopischen schwarzen Löchern

Es ist nicht ausgeschlossen, dass unsere Welt mehr als drei Raumdimensionen hat. Zusätzliche bisher unsichtbare Dimensionen können erst auf sehr kleinen Abständen erscheinen, wenn sie 'kompaktifiziert', d.h. zusammengerollt, sind. Dabei würde sich das bekannte Newton'sche Gravitationsgesetz auf diesen kleinen Abständen ändern: statt 1/r2 wäre die Abhängigkeit der Schwerkraft vom Abstand 1/r2+n mit der Zahl der zusätzlichen Dimensionen n. Die Gravitation würde dann viel schneller hin zu kleineren Abständen anwachsen und so könnte sie die Stärke anderer Wechselwirkungen schon bei der TeV-Skala erreichen. Damit wäre eine große Vereinigung aller fundamentalen Kräfte möglich. Dies würde eine Reihe neuer faszinierender Signale am LHC hervorbringen. Z.B. könnten wir die Produktion reeller Gravitonen oder den Austausch virtueller Gravitonen beobachten. Ein reelles Graviton würde in die Extra-Dimensionen verschwinden, während wir nur einen hadronischen Jet und eine große fehlende Energie im Detektor beobachten würden. Ein anderer spektakulärer Effekt wäre die Produktion mikroskopischer schwarzer Löcher. Diese würden sofort durch die Hawking-Strahlung verdampfen und wir würden Ereignisse mit vielen Teilchen großer Energie im ATLAS-Detektor aufzeichnen.

Um mikroskopische schwarze Löcher im Detektor identifizieren zu können, müssen Kriterien definiert werden, anhand deren entschieden wird, was für eine Signatur man in jedem gegebenen Ereignis beobachtet. Vor allem muss erreicht werden, dass man den Zerfall eines mikroskopischen schwarzen Lochs von den bekannten Prozessen des Standardmodells (SM) unterscheidet. Bei hohen Energien ist der SM-Untergrund dominiert durch Dijet-Produktion, meistens mit zusätzlicher mehrfacher Gluon-Abstrahlung. Hingegen erwartet man eine möglichst sphärisch symmetrische Signatur nach dem Zerfall eines mikroskopischen schwarzen Loches aufgrund des demokratischen Charakters der Hawking-Strahlung. Dieser Unterschied in der Ereignis-Topologie liegt der Analyse zugrunde, die im Wesentlichen darauf basiert, dass man nach Ereignissen sucht, die eine starke Abweichung vom Dijet-Untergrund aufweisen. Der Untergrund im möglichen Signalbereich wird mit datenbasierten Methoden abgeschätzt, die auf simulierten Daten getestet werden. Sollte kein Überschuss an Ereignissen im Signalbereich festgestelt werden, wird eine Obergrenze an den Wirkungsquerschnitt der Produktion der mikroskopischen schwarzen Löcher bestimmt. Diese schränken dann den möglichen Parameterraum verschiedener Modelle mit zusätzlichen Dimensionen weiter ein.

 
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