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Hochenergiephysik

Wenn Stops in Staus zerfallen

München, 27.08.2018

Neue Daten vom LHC am CERN erlauben es, bei der Suche nach unbekannten Teilchen in bisher unerforschte Gebiete vorzustoßen.

Zweidimensionale Darstellung des ausgeschlossenen Massenbereichs. Auf der horizontalen Achse ist die angenommene Masse des skalaren Top-Quarks aufgetragen, auf der vertikalen Achse die des skalaren Tau-Leptons. Die Existenz von supersymmetrischen Teilchen mit angenommenen Massenwerten innerhalb des rot umrandeten Bereichs kann als Resultat der Suche in diesem Modell mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Der grau schattierte Bereich gibt zum Vergleich das Ergebnis der früheren Suche am LHC an, bei denen Daten mit einer niedrigeren Schwerpunktsenergie von 8 TeV verwendet wurden. In grün sind die Ausschlussgrenzen eingezeichnet, die mit Daten des Vorgängerexperiments LEP erhalten wurden. (Foto: ATLAS-Kollaboration)

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Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die beste Beschreibung, die wir für die Abläufe auf der Ebene der kleinsten Teilchen, der subatomaren Elementarteilchen, haben. Dennoch bleiben wichtige grundsätzliche Fragen ungeklärt, von der Natur der Dunklen Materie bis hin zu einer möglichen vereinheitlichten Theorie der fundamentalen Grundkräfte. Mithilfe von neuen Daten aus dem zweiten Lauf des Large Hadron Collider (LHC) am Teilchenphysikforschungszentrum CERN bei Genf sucht die ATLAS-Kollaboration nach Antworten auf diese Fragen. Dafür werden verschiedene Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik in Erwägung gezogen. Eine sehr populäre Erweiterung ist die Supersymmetrie, die zu jedem der bekannten Teilchen des Standardmodells ein bisher unbeobachtetes Partnerteilchen vorhersagt. Wenn der experimentelle Nachweis für die Existenz eines solchen Partnerteilchens gelänge, würde dies unser Verständnis der Welt komplett revolutionieren.

Die von supersymmetrischen Modellen vorhergesagten Teilchen unterscheiden sich von ihren Standardmodellpartnern zunächst nur in einer Eigenschaft, ihrem Spin. Außerdem müssen sie deutlich schwerer sein als ihre Standardmodellpartner, sonst hätte man sie vermutlich schon entdeckt. Wie groß ihre Masse jedoch genau ist, lässt sich nicht theoretisch vorhersagen, weshalb Teilchenphysiker bei ihren experimentellen Suchen sorgfältig alle theoretisch möglichen Werte der Massen in verschiedenen Modellen abdecken müssen.

Eine Nachwuchswissenschaftlergruppe unter Leitung von Dr. Alexander Mann am Lehrstuhl von Prof. Dorothee Schaile an der Ludwig-Maximilians-Universität in München und Kollegen aus Freiburg haben jetzt neue Ergebnisse veröffentlicht, die auf Daten von Proton–Proton-Kollisionen basieren, die in den Jahren 2015 und 2016 mit dem ATLAS-Detektor am LHC aufgezeichnet wurden. In dem speziellen Modell, das das Forscherteam betrachtet, wird die Produktion von skalaren Top-Quarks (kurz „Stops“) angenommen, den supersymmetrischen Partnern der Top-Quarks, die in skalare Tau-Leptonen („Staus“) zerfallen, die Partner der Tau-Leptonen aus dem Standardmodell. Der Wert der 2012 erstmals experimentell gemessenen Higgs-Masse lässt vermuten, dass die skalaren Top-Quarks vergleichsweise leicht – zumindest für ein supersymmetrisches Teilchen – sein sollten, weshalb sie dann mit großer Wahrscheinlichkeit mit der am LHC zur Verfügung stehenden Energie produziert werden könnten. Supersymmetrische Teilchen sind allerdings zu kurzlebig, als dass sie nach ihrer Produktion in der Kollision von zwei Protonen am LHC direkt beobachtet werden könnten. Statt dessen wird eine speziell für diese Aufgabe entwickelte Analysesoftware verwendet, um die großen Datenmengen, die der ATLAS-Detektor produziert, systematisch auf mögliche Spuren von den Zerfällen von supersymmetrischen Teilchen zu durchforsten und Kollisionsereignisse zu selektieren, die mit den vorhergesagten Signaturen dieser Zerfälle kompatibel sind.

Im Ergebnis findet das Forscherteam eine sehr gute Übereinstimmung der reinen Standardmodellvorhersagen mit den gemessenen Daten. Dies heißt, dass in dem bisher genommenen Datensatz noch kein Hinweis auf die Existenz von supersymmetrischen Teilchen gefunden wurde. Die Ergebnisse erlauben aber, bestimmte Massenbereiche für die gesuchten Teilchen auszuschließen. Diese Ausschlussgrenzen erweitern frühere Ausschlussgrenzen, die mit einem Datensatz bei niedrigerer Schwerpunktsenergie bestimmt wurden, fast auf das doppelte. Sie decken damit wesentliche Bereiche des interessanten Phasenraums ab und sind die besten bisher in einem speziellen supersymmetrischen Modell erreichten Ausschlussgrenzen auf die Masse von skalaren Top-Quarks, für das hier Massen von bis zu 1160 GeV ausgeschlossen werden (auf 95 % Konfidenzniveau).

Die Ergebnisse wurden von den Forschern der LMU als Mitgliedern der ATLAS-Kollaboration erzielt, in der mehrere tausend Wissenschaftler zusammenarbeiten, und in PRD veröffentlicht. Sie sind auch auf der Internetseite der ATLAS-Kollaboration zugänglich.

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