Hochenergie-Teilchenphysik – Physics JGU Mainz

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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.

ATLAS ist ein Vielzweck-Teilchenphysikexperiment am Large Hadron Collider (LHC) am CERN. Es wurde entwickelt, um das Entdeckungspotenzial des LHC voll auszuschöpfen und die Grenzen der wissenschaftlichen Erkenntnis zu erweitern. Mit Hilfe von Präzisionsmessungen sollen fundamentale Fragen beantwortet werden, wie zum Beispiel: Was sind die fundamentalen Kräfte der Natur? Woraus besteht die dunkle Materie? Was ist die fundamentale Physik des frühen Universums?

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.

Ein neuer Hochenergiebeschleuniger wird benötigt, um Präzisionsstudien zur Physik des Higgs-Bosons durchzuführen. Damit sollen die Rätsel des frühen Universums gelöst und möglicherweise ein Tor zum dunklen Sektor geöffnet werden.

Mainzer Physiker betreiben Forschung und Entwicklung im Bereich der Hochpräzisionskalorimetrie, um das Physikpotenzial eines solchen zukünftigen Colliders voll auszuschöpfen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und dem Bau von Szintillator-basierten Kalorimetern mit hoher Granularität, zusammen mit Partnern der DRD Calo Collaboration und in enger Zusammenarbeit mit dem PRISMA++ Detector Laboratory.

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.

Das parasitäre Elektronenstrahlfänger-Experiment DarkMESA am MESA-Beschleuniger in Mainz birgt ein hohes Entdeckungspotenzial für Dunkle-Materie-Teilchen im leichten Massenbereich. Leichte Dunkle Materie würde in den relativistischen Elektron-Kern-Kollisionen im Strahlfänger in großen Mengen entstehen, wenn sie über Vektormediatoren, sogenannte Dunkle Photonen, an Elektronen koppelt. Simulationsstudien zeigen, dass DarkMESA Experimente an Protonenstrahlanlagen ergänzt. Die Studien deuten darauf hin, dass DarkMESA sensitiv für die thermischen Relikte der leichten Dunklen Materie ist, deren Existenz durch die Annihilationsquerschnitte zur Reproduktion der heutigen Dunkle-Materie-Dichte vorhergesagt wird.

Das NA62-Experiment am CERN widmet sich dem extrem seltenen Zerfall K⁺ → π⁺νν̄, dessen Verzweigungsverhältnis unter 10^-10 liegt – die kleinste jemals gemessene Rate für einen Teilchenzerfall. Zusätzlich misst NA62 ein breites Spektrum von K⁺ und π⁰ Zerfallsmodi, einschließlich der Suche nach Teilchen aus dem dunklen Sektor, um die Physik jenseits des Standardmodells zu erforschen.

Das SHiP-Experiment (Search for Hidden Particles) am CERN wurde entwickelt, um neue Teilchen zu entdecken, die zu einem hypothetischen „verborgenen Sektor” gehören und nur schwach mit den Teilchen des Standardmodells wechselwirken. SHiP befindet sich derzeit im Aufbau und wird 2032 seinen Betrieb aufnehmen. Dafür werden Protonen mit hoher Energie und bisher unerreichter Intensität auf ein Target – einen sogenannten Beamdump – geschossen. Das Experiment wird nach Zerfällen massiver, langlebiger und schwach wechselwirkender Zustände – wie dunkle Photonen, schwere neutrale Leptonen, axionähnliche Teilchen und viele andere Kandidaten – suchen, die im Beamdump erzeugt werden können.

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.

Der Belle II-Detektor am SuperKEKB-Beschleuniger in Tsukuba (Japan) ist ein Experiment zur Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells durch die Messung seltener Zerfälle von Elementarteilchen, wie Bottom- und Charm-Quarks oder Tau-Leptonen. Belle II wird sich damit befassen, Beweise für die Existenz neuer unbekannter Teilchen zu finden, die eine mögliche Erklärung für die Vorherrschaft der Materie im Vergleich zur Antimaterie liefern und andere offene fundamentale Fragen zum Verständnis des Universums beantworten können.

Das Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking betreibt einen Elektron-Positron-Collider namens BEPC-II (Beijing electron-positron collider II). Er ist für Schwerpunktsenergien zwischen 2 und 5 GeV ausgelegt, was die Untersuchung von Charmonium mit sehr hoher Statistik ermöglicht. Die geplante Luminosität beträgt 10³³ cm^-2 s^-1. Seit 2009 werden Messungen bei verschiedenen Kollisionsenergien mit dem BESIII (Beijing Spectrometer III) Detektor durchgeführt.

Mu3e ist ein geplantes Experiment der Teilchenphysik am Paul Scherrer Institut, das nach dem Zerfall eines Anti-Myons(Mu) in ein Elektron und zwei Positronen(3e) lautet: μ+→e+γ∗/Z∗→e+e+e-

Dieser Zerfall ist im Standardmodell der Teilchenphysik extrem unwahrscheinlich, da die Leptonenfamilienzahl geändert wird (Umwandlung eines Leptons in eine einer anderen Familie). Dies ist nur in einem Schleifen-Prozess höherer Ordnung und unter Neutrinooszillation innerhalb der Schleife möglich. In mehreren Theorien für Physik jenseits des Standardmodells, insbesondere mit Supersymmetrie, ist dieser Zerfall deutlich häufiger. Die Suche nach dem Zerfall ermöglicht einen Test einiger dieser Theorien, auch dann, wenn sie nicht direkten Beobachtungen (beispielsweise am LHC) zugänglich sind.