Valentin Knünz über Messungen der starken Wechselwirkung am CMS-Experiment am CERN


Nach jahrzehntelanger Entwicklungsarbeit wurde Ende 2009 der weltweit größte Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider (LHC), am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf in Betrieb genommen.

Dieser Moment markiert den Beginn einer für die Teilchenphysik "goldenen Ära", in der wir die Möglichkeit haben, tief in die fundamentalen Eigenschaften unseres Universums zu blicken. Ich habe das Glück, in dieser Ära an meiner Dissertation am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Östereichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in diesem wissenschaftlichen Feld zu arbeiten.

In dem 27 km langen LHC-Ring, 100 m unter der Erde werden Protonen in beiden Umlaufrichtungen auf eine bisherige Rekordenergie von 4 Teraelektronenvolt (TeV) beschleunigt und an vier Stellen im Ring zur Kollision gebracht.

An einem dieser Kollisionspunkte ist der fünf Stockwerke große und 12500 Tonnen schwere "Compact Muon Solenoid" (CMS) Detektor angebracht, welcher mit state-of-the-art Technologie ausgestattet ist, um detaillierte "Schnappschüsse" von den Kollisionen zu machen und die darunterliegenden Prozesse zu untersuchen.

(Fig1): Visualisierung des CMS Detektors

Durch die hohe Energie der Proton-Kollisionen können neue Teilchen erzeugt werden (Albert Einstein: E = mc2 ), welche wiederum in andere Teilchen zerfallen, die nun ihrerseits Spuren und Signale im Detektor hinterlassen. Seit dem Beginn der LHC-Ära war der CMS Detektor bereits mehr als einer Billiarde Kollisionen (1015) ausgesetzt, von denen mehrere Milliarden (109) "interessante" Kollisionen von sogenannten "Trigger-Systemen" ausgewählt und anschliessend aufgezeichnet wurden. Verteilt auf Rechenzentren auf der ganzen Welt analysieren ausgefeilte Algorithmen diese unglaubliche Menge an Daten, die Information über die Kräfte und Symmetrien beinhalten, welche das Universum im Innersten zusammenhalten.

(Fig2): Visualisierung einer Kollision mit zwei Muon-Kandidaten (rote Linien)

Die wissenschaftlichen Prioritäten der Experimente am LHC - insbesondere am CMS Detektor - sind die Suche nach dem Higgs-Boson (beziehungsweise seit der Entdeckung eines Bosons mit einer Masse von 125 GeV die Messung dessen Eigenschaften), die Suche nach Hinweisen auf Supersymmetrie (SUSY) und der Test von verschiedensten weiteren Theorien, die über das derzeitige "Standardmodell der Teilchenphysik" hinausgehen (Beispiele: "Extra Dimension", "Technicolor", ...).

Die starke Wechselwirkung

Bis auf sehr wenige Ausnahmen können alle Phänomene und Wechselwirkungen der Elementarteilchen jedoch durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben werden, welches seit Jahrzehnten erfolgreich getestet wird. Die Experimente am LHC sind in der Lage, weitere Präzisionsmessungen in diesem Bereich durchzuführen. Das Standardmodell vereint alle bekannten fundamentalen Wechselwirkungen mit Ausnahme der Gravitation. Neben der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung beschreibt diese Theorie auch die starke Kraft, die sogenannte "Quantenchromodynamik" (QCD). Diese Theorie beschreibt die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen, welche unter anderem ermöglicht, dass sich drei Quarks stark aneinander binden, um Protonen und Neutronen zu bilden, welche ihrerseits die Kerne der Atome bilden, aus denen wir alle aufgebaut sind.

Die Fundamente der starken Kraft sind im Prinzip sehr gut verstanden. Die in der Natur realisierten Parameter dieser Theorie machen exakte Berechnungen und Vorhersagen allerdings schwierig. Daher müssen simplifizierte, berechenbare Modelle konstruiert werden, deren Gültigkeit nur durch Experimente bestätigt werden kann.

Quarkonia Teilchen

Ein sehr einfaches System aus Quarks sind sogenannte "Quarkonia Mesonen", welche aus einem schweren Quark und seinem Anti-Quark bestehen. Analog zur Struktur des Wasserstoff-Atoms (Bindungszustand von Elektron und Proton), dessen Studium zum Verständnis der Quantenelektrodynamik beigetragen hat, ermöglicht das Studium von Quarkonia tiefe Einblicke in die Quantenchromodynamik.

Ein Beispiel dieser Quarkonia Teilchen ist das sogenannte "Upsilon", welches ein Bindungszustand eines "Beauty-Quarks" und eines "Anti-Beauty-Quarks" ist. Dieses Teilchen wird in großer Zahl am LHC erzeugt (mehrere Millionen bisher). Der Zerfall des Upsilon in zwei Muonen wird von CMS aufgezeichnet.

(Fig3): Das Spektrum der invarianten Masse der zwei Muonen zeigt drei quantenmechanische Zustände des Upsilon Teilchens

Trotz der einfachen und klaren Struktur dieser Teilchen ist es bisher nicht gelungen, die Produktions-Eigenschaften von Quarkonia zu verstehen, was die Komplexität der QCD widerspiegelt. Seit der Entdeckung des ersten Vertreters der Quarkonium Familie im Jahr 1974 haben sich mehrere theoretische Modelle im Rahmen der QCD parallel zu experimentellen Ergebnissen von vergangenen Beschleuniger- Experimenten entwickelt und an diesen orientiert. Es gibt jedoch kein Modell, das alle experimentellen Resultate gleichzeitig reproduzieren kann.

Neue Messungen der Eigenschaften von Quarkonia können dazu beitragen, die vorhandenen Rätsel der Produktionseigenschaften zu lösen, und somit das Verständnis der starken Wechselwirkung zu fördern. Für den Experimentator zugänglich sind im wesentlichen Polarisations-Eigenschaften und die Abhängigkeiten der Wirkungsquerschnitte ("Erzeugungsraten") von kinematischen Variablen. Besonders die Messung der Polarisation dieser Teilchen (die bevorzugte Ausrichtung des Spins) ist von Interesse, da sie erlaubt, konkurrierende Produktionsmodelle zu testen, welche sehr unterschiedliche Vorhersagen für diese Eigenschaft aufweisen.

Messung der Polarisation des Upsilon Systems mit dem CMS Detektor

Die Polarisation spiegelt sich in der Winkelverteilung der zwei Muonen wieder, in die die Upsilon Teilchen zerfallen. Daher kann man aus der Analyse dieser Winkelverteilung auf die Polarisation zurückschliessen.

Die Messung der Polarisation von Quarkonia ist ein relativ komplexes Unterfangen, da die Resultate sehr sensitiv auf vielerlei Unsicherheiten reagieren. Daher müssen bei dieser Messung (wie bei jedem wissenschaftlichen Experiment) diese Einflüsse sehr genau studiert werden, um sie in den systematischen Fehlern der Messung adequat berücksichtigen zu können.

Nach mehr als einjähriger Analyse der Daten, die im Jahr 2011 von CMS aufgezeichnet wurden, ist es gelungen, die Polarisation des Upsilon Systems zu messen. Die CMS-Gruppe am HEPHY war maßgeblich beteiligt an dieser Messung, welche kürzlich von der CMS-Kollaboration veröffentlicht wurde.

Eine der wichtigsten Aufgaben in dieser Analyse war die genaue Bestimmung der Muon-Effizienzen (Nachweiswahrscheinlichkeiten). Da die gemessene Polarisation teilweise sehr stark von dem Verlauf dieser Effizienz (als Funktion kinematischer Variablen) abhängt, mussten diese sehr sorgfältig studiert werden.

Eine weitere große Herausforderung ist der Hintergrund. Im Gegensatz zu dem uns interessierenden Signal setzt sich dieser hauptsächlich aus zwei Muonen zusammen, welche unabhängig voneinander produziert wurden ("kombinatorischer Hintergrund"), und nicht vom Zerfall eines Upsilons stammen. Dieser Hintergrund hat eine Winkelverteilung, welche sehr stark von jener der Upsilon Mesonen abweicht. Die Herausforderung ist also, diese beiden Beiträge zu separieren. Die Modellierung der Hintergrund-Winkelverteilung ist mit einer Unsicherheit behaftet, die einen wesentlichen Anteil zum systematischen Fehler der Analyse beiträgt.

Die veröffentlichten Resultate dieser Messung können von keinem der existierenden Modelle reproduziert werden. Die dadurch entstehenden offenen Fragen können nur durch weitere Messungen verschiedener Quarkonium Systeme verstanden werden, welche in den nächsten Monaten und Jahren geplant sind. Vor allem die Messung der Erzeugungsraten und der Polarisation von angeregten Quarkonia Zuständen werden zur Klärung beitragen. Die angeregten Zustände haben im Allgemeinen eine komplizierte Spin-Struktur, die sie an die tieferen Zustände weitergeben.

(Fig4): Die Messwerte (Punkte mit Messfehlern) liegen auf keinem der berechneten Modelle (Linien)

Das Higgs-Boson, QCD und der Ursprung der Masse

Am 4. Juli 2012 wurde im CERN in Genf die Entdeckung eines bis dahin unbekannten Teilchens bekanntgegeben. Bei diesem könnte es sich bereits um das Higgs-Boson handeln, den letzten fehlenden Baustein des Standardmodells der Elementarteilchen. Diese Entdeckung ist ein Meilenstein in der Geschichte der Physik und eine schöne Demonstration der Effizienz der Beschleuniger- und Detektortechnologie, welche am CERN eingesetzt und am HEPHY mitentwickelt wurde.

Das Higgs-Boson ist ein "Fußabdruck" des Higgs-Mechanismus, der es ermöglicht, den W und Z Teilchen die Eigenschaft der Masse zu verleihen. Diese massiven Teilchen, zusammen mit den masselosen Photonen und Gluonen bewirken die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Quarks und Leptonen. Darüberhinaus wird der Higgs-Mechanismus auch zur Erzeugung der Massen der Quarks und der Leptonen verwendet. Auf diese Weise kommen etwa 5% der Masse der uns umgebenden Gegenstände zustande. Die verbleibenden 95% unserer eigenen Masse wird aber nicht durch den Higgs Mechanismus erzeugt, sondern kommt dynamisch durch die Rückreaktion der Gluonfelder der Quantenchromodynamik innnerhalb der Protonen und Neutronen unserer Atomkerne zustande.

Im Unterschied zum Proton sind Quarkonia Bindungszustände aus zwei schweren Quarks, welche den Großteil der Masse des Quarkoniums ausmachen. In solch einem System herrscht natürlich eine ganz andere Dynamik. Dies veranschaulicht, dass die Forschung im Quarkonia System in ein grundsätzlich anderes Territorium der Quantenchromodynamik vordringt als die Forschung an herkömmlicher Kernmaterie. Dies eröffnet die Möglichkeit, tief in die fundamentalen Prozesse der starken Wechselwirkung zu blicken.


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