Johannes Gutenberg-Universität Mainz > Fachbereich 08 > Physik > Physikforschung > Forschungsfelder > Hochenergie-Teilchenphysik
Das Standardmodell der Teilchenphysik bietet einen umfassenden und vorhersagekräftigen Rahmen für alle bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Verschiedene Präzisionsmessungen von Prozessen des Standardmodells am LHC wurden und werden von Mainzer Wissenschaftlern anhand von Daten durchgeführt, die mit dem ATLAS-Experiment gesammelt wurden. Dazu gehören Messungen der Masse der W- und Z-Bosonen, des effektiven elektroschwachen Mischungswinkels sowie der Dibosonenproduktion, die von der hervorragenden Leistung des LHC (in Bezug auf die gelieferte integrierte Luminosität) und des ATLAS-Experiments profitieren.
Effektive Feldtheorien sind ein leistungsfähiges Werkzeug, um die theoretische Präzision zu erreichen, die für das Verständnis der Messungen des Standardmodells notwendig ist, um eine Brücke zwischen den Messungen des Standardmodells und der Suche nach neuer Physik zu schlagen und um unser Verständnis der Quantenfeldtheorien insgesamt zu vertiefen. In Mainz befassen sich die Forschenden mit Berechnungen von Observablen der Collider-Physik mit Hilfe von soft-collinear effective theory und nutzen effektive Feldtheorien zur Charakterisierung der Neuen Physik. Effektive Feldtheorien werden auch untersucht, um Messungen an Hochenergie-Collidern mit Beobachtungen aus der Astrophysik, der Flavour-Physik und Niederenergie-Präzisionsmessungen zu verbinden.
Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 hat ein völlig neues Fenster zur Physik des Universums und zu vielen grundlegenden Fragen der Teilchenphysik geöffnet. Die Messung der Kopplungen des Higgs-Bosons an alle Elementarteilchen mit zunehmender Präzision stellt nicht nur einen tiefgehenden Test des Higgs-Mechanismus dar, sondern ermöglicht auch die Suche nach neuen Teilchen durch den Nachweis von durch Schleifenkorrekturen verursachten Abweichungen. In ähnlicher Weise könnte das Higgs-Boson an Teilchen des dunklen Sektors koppeln, was durch die Messung seiner Zerfallsbreite in unsichtbare Endzustände untersucht werden kann. Darüber hinaus ist ein besseres Verständnis des Higgs-Potenzials auf der Grundlage von Messungen der Higgs-Selbstkopplung von entscheidender Bedeutung sowohl für die Physik des frühen Universums, wo der elektroschwache Phasenübergang eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie gespielt haben könnte, als auch für das Ende des Universums, das von der Stabilität des Higgs-Vakuums bestimmt wird. Die Mainzer Forscher gehen all diesen Themen mit Messungen mit dem ATLAS-Detektor am LHC nach, indem sie neue Experimente an einer zukünftigen Higgs-Fabrik vorbereiten, neue Modelle vorschlagen, um unsere Interpretationskraft der Daten zu erweitern, Verbindungen zwischen der Higgs-Physik und der Physik des frühen Universums analysieren und grundlegende Fragen über den Ursprung der elektroschwachen Skala untersuchen.
Verschiedene Beobachtungen stellen das Standardmodell der Teilchenphysik in Frage: die Existenz der Dunklen Materie, die für die Strukturbildung im frühen Universum entscheidend ist, die Materie-Antimaterie-Asymmetrie, die sich kurz nach dem Urknall gebildet hat, und die winzigen Neutrinomassen, die sich mit dem Standardmodell nicht erklären lassen. Mainzer Theoretiker entwickeln neue Modelle, um diese offenen Fragen zu klären, führen phänomenologische Studien durch, um die Auswirkungen experimenteller Ergebnisse zu verstehen oder um neue experimentelle Untersuchungen anzuregen, und entwickeln theoretische Methoden weiter, um zuverlässige Vorhersagen zu erhalten.
Mainzer Experimentalphysiker und -physikerinnen suchen mit dem ATLAS-Experiment nach neuen Teilchen und Wechselwirkungen, einschließlich dunkler Materieteilchen und Boten-Teilchen für den dunklen Sektor. Mit den Experimenten SHiP und NA62 am CERN wird nach exotischen, langlebigen Teilchen gesucht. Ergänzt wird dies durch die direkte Suche nach dunkler Materie in unserer Galaxie sowie die Suchen am MESA-Beschleuniger in Mainz.
Die Flavourphysik beschreibt die Übergänge zwischen verschiedenen Generationen (Flavours) von Quarks und Leptonen über die schwache Wechselwirkung. Innerhalb des Standardmodells (SM) werden die Übergänge zwischen Quarks durch die CKM-Matrix bestimmt, während Übergänge zwischen geladenen Leptonen quasi verboten sind und ein unmittelbares Zeichen für Neue Physik darstellen. Präzisionsstudien von Flavour-ändernden neutralen Strömen, CP-Verletzung und Lepton-Flavour-Verletzung sind empfindliche Tests für neue Physik auf Energieskalen, die für Collider nicht zugänglich sind. Die Flavourphysik spielt daher eine zentrale Rolle bei der Suche nach neuen Phänomenen durch indirekte Effekte, die die direkte Suche an Hochenergiebeschleunigern ergänzen.
