Innovative Berechnungsmethoden in der Teilchenphysik

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist das Standardmodell der Teilchenphysik eine komplette, in sich abgeschlossene Theorie. In den letzten Jahrzehnten haben Kollisionsexperimente diese Theorie im Detail überprüft und immer wieder bestätigt: Alle Vorhersagen, die im Standardmodell getroffen wurden, haben sich erfüllt; bisher gibt es keine eindeutigen Hinweise für Abweichungen von dieser Theorie.

Kann sich die Teilchenphysik mit diesem Ergebnis zufriedengeben? Die Antwort: nein. Denn das Universum konfrontiert uns mit Fragestellungen, die sich nicht allein mit den im Standardmodell beschriebenen Teilchen und Wechselwirkungen erklären lassen. Ein Beispiel ist die Existenz von Dunkler Materie: Wir können beobachten, dass Dunkle Materie existiert, wissen aber nicht, woraus sie besteht. Auch das Neutrino, ein Elementarteilchen des Standardmodells, steckt voller Rätsel. Eines davon ist, wie schwer Neutrinos sind – und warum sie überhaupt Masse besitzen.

Außerdem will die Teilchenphysik auch einige theoretische Probleme in den Griff bekommen: Zum Beispiel die Frage, welcher Mechanismus den Massewert des Higgs-Bosons stabilisiert oder warum die starke Wechselwirkung — anders als die schwache — keine CP-Verletzung aufweist. Darüber hinaus suchen Wissenschaftler nach Wegen, die Gravitation mit der quantenphysikalischen Beschreibung des Universums in Einklang zu bringen.

Diese und andere grundlegende Fragen verweisen auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells. In Beschleunigerexperimenten wie dem LHC oder Belle II versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Belege für diese neue Physik zu finden. Dabei könnten bisher unbekannte Teilchen oder Kräfte direkt auftreten und nachgewiesen werden — oder auch indirekt über die Häufigkeit bestimmter Ereignisse: Wenn bei Kollisionen statistisch gesehen weniger oder mehr der erwarteten Teilchen produziert werden, ist das ein starkes Indiz für Physik, die sich außerhalb des Standardmodells abspielt.

Ausreißer vom Standardmodell lassen sich allerdings nur feststellen, wenn es genaue theoretische Berechnungen im Standardmodell gibt: Diese liefern gut begründete Vorhersagen über die zu erwartenden Ergebnisse. In der Abteilung „Innovative Berechnungsmethoden in der Teilchenphysik“ am Max-Planck-Institut für Physik beschäftigen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mit mathematischen Berechnungen von Kollisionsereignissen am LHC und künftigen Teilchenbeschleunigern: So können Physiker Aussagen über den Energiebereich treffen, in dem sich hypothetische Teilchen aufhalten müssten.

Einige spezifische Themenbereiche der Abteilung

• Physik der Jets in Kollisionsereignissen
• Higgs-Physik, Produktion von Bosonenpaaren, Vektor-Boson-Fusionsprozesse
• Verteilungsfunktionen für Photonen und Leptonen im Proton
• Berechnungen, die logarithmisch verbesserte Terme für alle Ordnungen in störungstheoretischen Vorhersagen enthalten
• Quantenchromodynamische (QCD) Rechnungen in höheren Ordnungen der Störungstheorie (NLO, NNLO)