Auf der Suche nach einer neuen Physik

Seit der Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012 wird daran gearbeitet, das Teilchen vollständig zu beschreiben, das weiteren Elementarteilchen Masse verleihen soll. Es besteht die Möglichkeit, dass es besondere Higgs-Teilchen gibt, die einen Teil der Teilchenmasse ausmachen. Durch Präzisionsmessungen über den Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) an der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in der Schweiz versuchten von der EU geförderte Physiker diese Hypothese zu bestätigen oder auszuschließen.

Das Projekt „Tools for the Large Hadron Collider - From Lagrangian to the experimental analysis“ (LHC-TOOLS-PHYS) führte Experimental- und Theoriephysiker zusammen, um an einem 2-Higgs-Dublett-Modell zu arbeiten. Es wurde ein neuer Softwarecode zur Analyse spezifischer Szenarien entwickelt, die mit LHC-Experimenten geprüft werden können. Das SCANNERS-Projekt trägt dazu bei, zwischen verschiedenen Mustern von Symmetriebrüchen unterscheiden zu können.

Das Standardmodell setzt voraus, dass Träger elektroschwacher Kräfte die gleiche – symmetrische – Nullmasse aufweisen, um eine Vereinigung der elektromagnetischen und nuklearen Kräfte zu ermöglichen. Auch wenn Brüche der elektroschwachen Symmetrie mit einem skalaren Teilchen, dem Higgs-Boson, beschrieben werden konnten, kann die Theorie weder die gemessene Baryonenasymmetrie im Universum noch das Vorhandensein dunkler Materie erklären.

Vor diesem Hintergrund beschäftigte sich das LHC-TOOLS-PHYS-Team mit Erweiterungen des skalaren Sektors beim Standardmodell. Diese minimalen Erweiterungen ermöglichten eine umfassende Teilchenphysikphänomenologie mit charakteristischen Signaturen, die am LHC-Teilchenbeschleuniger getestet werden können. Falls ein zweites Higgs-Teilchen oder sogar ein drittes Higgs-Teilchen existiert, kann der LHC-Teilchenbeschleuniger diese möglicherweise beim Betrieb in höheren Energiebereichen im Jahr 2015 erzeugen.

Im Top-Quark entdeckten die LHC-TOOLS-PHYS-Wissenschaftler eine ausgezeichnete Probe für den Masseerzeugungsmechanismus, der möglicherweise der bevorzugte Zerfallskanal neuer schwerer Teilchen ist. Am LHC wird jedes Jahr eine große Anzahl an Top-Quarks erzeugt. METOP, ein Monte Carlo-Event-Generator, wurde eingeführt, um Standardmodellvorhersagen abzuleiten und diese mit den experimentellen Daten zu vergleichen.

Sowohl die Softwareinstrumente als auch die im Rahmen des LHC-TOOLS-PHYS-Projekts untersuchte Hypothese wurden mit der Wissenschaftsgemeinde geteilt. Insbesondere das Konsortium des Projekts „A Toroidal LHC Apparatus“ (ATLAS) übernahm METOP als offiziellen Event-Generator. Es wird damit gerechnet, dass dies die Analyse neuer Daten, die im Rahmen des nächsten LHC-Betriebs in einem höheren Energiebereich gesammelt werden, begünstigt und dass die Erweiterung des Standardmodells in einer aussagekräftigeren Theorie erfasst werden kann.