ATLAS-Detektor; Quelle: CERN

Mit Photonen auf der Suche nach dem Higgs

Kerstin Tackmann vom Forschungszentrum DESY in Hamburg sucht mit ihren Kollegen im ATLAS-Experiment am LHC nach dem Higgs. Auch ihre Gruppe trug dazu bei, das neu entdeckte Teilchen aufzuspüren.

Dem Standardmodell der Teilchenphysik zufolge verleiht das Higgs-Teilchen allen Elementarteilchen ihre Masse. Die Suche nach diesem Teilchen ist eine der spannendsten Aufgaben, der wir mit dem ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) nachgehen. Gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern aus Deutschland und der ganzen Welt fahnden meine Arbeitsgruppe und ich in den ATLAS-Daten nach Hinweisen auf das Higgs-Teilchen – indem wir nach dessen Zerfall in zwei Photonen suchen.

Spuren des neuen Teilchens
Spuren des neuen Teilchens

Mein Team konzentriert sich bislang darauf, die von Photonen im ATLAS-Detektor hervorgerufenen Signale zu rekonstruieren und zu identifizieren. Damit haben wir in diesen Bereichen signifikant zu den neuen Ergebnissen vom ATLAS-Experiment beigetragen. Wir wissen jetzt, dass ein bisher unbeobachtetes Teilchen mit einer Masse von etwa 126,5 GeV/c² existiert. Ob es sich dabei tatsächlich um das Higgs-Teilchen handelt, ist dagegen noch nicht sicher.

Um diese Frage zu klären, wird man die Eigenschaften des neu entdeckten Teilchens nun genauer untersuchen: seine verschiedenen Zerfallskanäle, seine Masse sowie seinen Spin, also seinen intrinsischen Drehimpuls. Mit den bisher aufgenommenen Daten lässt sich die Higgsmasse zwar schon grob abschätzen. Doch mit den Daten, die bis zum Ende dieses Jahres aufgezeichnet werden, möchte man das Ergebnis noch verbessern.

Photonen im ATLAS-Detektor
Photonen im ATLAS-Detektor

Das lässt sich unter anderem über die Photonen bewerkstelligen, die bei Higgs-Zerfällen entstehen. Allerdings müssen wir dafür in der Lage sein, die Photonenergien im ATLAS-Detektor sehr genau zu messen. Aus diesem Grund hilft meine Gruppe dabei, den Detektor mithilfe der darin aufgezeichneten Daten genau zu charakterisieren. Dazu benutzen wir die Wechselwirkung der Photonen mit dem Detektormaterial und beobachten, wie sich ein Teil der Photonen dort in Elektron-Positron-Paare umwandelt. Auf diese Weise konnten wir die für die Energiemessung wichtige Simulation des Detektormaterials seit Beginn der Datennahme im Jahr 2010 verbessern.

In einem Nebenprojekt suchen wir in den ATLAS-Daten auch nach einem Zerfall des Higgs in vier Photonen, den das Standardmodell nicht vorhersagt. Doch in einigen Modellen, die das Standardmodell erweitern, taucht dieser Zerfallskanal auf. Bisher haben wir für diesen exotischen Zerfall aber noch keine Anzeichen gefunden. Sollte man ihn allerdings entdecken, müsste man über entsprechende Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik nachdenken.

 

Deutsche Institute am ATLAS-Experiment

Am ATLAS-Experiment sind neben Forschern aus der gesamten Welt auch rund 400 Wissenschaftler aus deutschen Instituten beteiligt. Die Gruppen von insgesamt 13 Universitäten (HU Berlin, Bonn, Dresden, Dortmund, Freiburg, Gießen, Göttingen, Heidelberg, Mainz, LMU München, Siegen, Würzburg und Wuppertal), vom DESY in Hamburg und Zeuthen sowie vom Max-Planck-Institut für Physik in München waren an der Konzeption, dem Bau und an der Inbetriebnahme des Detektors an vielen Stellen federführend beteiligt.

Viele wichtige Komponenten von ATLAS wurden in Deutschland gebaut und schließlich in Genf in den Gesamtdetektor integriert. Hierzu zählen hochauflösende Siliziumdetektoren, um die Bahnen elektrisch geladener Teilchen zu rekonstruieren, Kalorimeter zur Energiemessung der Teilchen und Detektoren zum Nachweis von Myonen. Darüber hinaus haben die Institute wesentlich zur Entwicklung und zum Bau des Trigger- und Datennahmesystems beigetragen. Alle diese Komponenten waren für die Entdeckung des neuen Teilchens von grundlegender Bedeutung.

Einen großen Beitrag leisteten die Arbeitsgruppen auch bei der Prozessierung und Bereitstellung der enormen Datenmenge, die von ATLAS aufgenommen wurde. Im Rahmen des weltweiten GRID-Computings – bei dem viele einzelne Rechner zu einem leistungsstarken, aber virtuellen Supercomputer verknüpft werden – stellten auch deutsche Institute signifikante Ressourcen bereit.

Seit Beginn der Datennahme am LHC liegt der Schwerpunkt der deutschen Aktivitäten auf der Datenanalyse. So rekonstruieren sie unter anderem die Signale von Elektronen, Myonen, Tau-Leptonen, b-Quarks und Photonen im Detektor, was essentiell für den Nachweis des Higgs-Teilchens ist.