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Physikanalyse: Welche Erkenntnisse vermitteln uns die ATLAS-Daten?

Proton-Proton-Kollision am ATLAS-Detektor (Bild: ATLAS/CERN)


Das Ziel des ATLAS-Experimentes ist die Erforschung der Natur der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen. Alle bisherigen experimentellen Beobachtungen der Teilchenwelt konnten mit einer erstaunlichen Genauigkeit durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben werden. Allerdings gibt es physikalische Fragen, die vermuten lassen, dass dies nicht die endgültige grundlegende Theorie der Natur ist:

  • Wieso haben die Elementarteilchen verschiedene Massen?
  • Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie im Universum?
  • Woraus besteht die im Weltall beobachtete dunkle Materie?
  • Gibt es Supersymmetrie?

Die präzise Vermessung des Standardmodells sowie die Suche nach neuen, bisher unbekannten Teilchen werden Erkenntnisse über neue physikalische Phänomene liefern, die nicht im Standardmodell beschrieben sind. Mit diesen Themen befassen sich die Physikerinnen und Physiker am MPP. Dafür analysieren sie die Proton-Proton-Zusammenstöße, die im Large Hadron Collider (LHC) erzeugt und mit dem ATLAS-Detektor aufgenommen werden.

Die präzise Vermessung des Standardmodells

Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 wurde der letzte Baustein des Standardmodells experimentell nachgewiesen. Präzisionsmessungen der Eigenschaften des Higgs-Bosons und anderer bekannter physikalischer Prozesse erlauben es zu überprüfen, wie stimmig das Standardmodell in sich ist. Damit lassen sich die möglichen theoretischen Erweiterungen des Standardmodells einschränken.

  • Physik der Top-Quarks: Das Top-Quark ist das schwerste Teilchen des Standardmodells, fast so schwer wie ein Goldatom. Seine Eigenschaften beeinflussen maßgeblich die Vorhersagen theoretischer Modelle, angefangen von der Higgs-Boson-Physik, über die Inflation nach dem Urknall bis hin zur Stabilität des Vakuums.
  • Physik der W- und Z-Bosonen: Die W- und Z-Eichbosonen sind Austauschteilchen der elektroschwachen Kraft, die am LHC einzeln, in großer erzeugt werden. Diese Produktionsprozesse können bei hohen Energien durch neue, bisher unbekannte Teilchen beeinflusst werden, und damit Abweichungen vom Standardmodell aufweisen.
  • Physik des Higgs-Bosons: Das kürzlich entdeckte Higgs-Boson ist der zentrale Bestandteil des sogenannten Higgs-Mechanismus, der für die Massen der Elementarteilchen verantwortlich ist. Zu einem vollständigen Steckbrief des Higgs-Teilchens müssen seine Masse, Spin (also der Drehsinn) und Parität (die besagt, wie sich ein Teilchen bei Raumspiegelungen verhält) sowie die Wechselwirkungen mit anderen Teilchen möglichst genau vermessen werden. Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells würden indirekt auf zusätzliche Higgs- oder andere neue Elementarteilchen hinweisen.

Die Suche nach neuen Teilchen jenseits des Standardmodells

Zusätzlich zu den Präzisionsmessungen bekannter physikalischer Prozesse suchen die Wissenschaftler am MPP auch direkt nach neuen Teilchen, die bei einer ausreichend hohen Kollisionsenergie am LHC erzeugt werden könnten. Die Entdeckung solcher Teilchen wäre der eindeutige experimentelle Nachweis für Physik jenseits des Standardmodells, bahnbrechend für eine vollständige Beschreibung der Teilchenwelt.

  • Higgs-Bosonen jenseits des Standardmodells: Sehr viele theoretische Erweiterungen des Standardmodells sagen die Exiztenz weiterer Higgs-Bosonen außerhalb des Standardmodells vorher.
  • Dunkle Materie: Bei der im Welltall beobachteten dunkler Materie könnte es sich um elektrisch neutrale, schwach wechselwirkende schwere Teilchen handeln. Diese Teilchen könnten in Proton-Proton-Kollisionen am LHC erzeugt werden.
  • Supersymmetrie, kurz SUSY: Dieses Modell weist jedem Teilchen und jedem Eichboson im Standardmodell ein supersymmetrisches Gegenüber zu. Supersymmetrische Erweiterungen des Standardmodells liefern auf elegante Weise eine Erklärung für die Größe der Higgs-Boson-Masse und Kandidaten für die dunkle Materie im Universum.