Elementarteilchenforschung: Higgs-Teilchen, Supersymmetrie und die dunkle Seite des Universums

• Spurensuche im schalenförmigen ATLAS-Detektor
• Kleine Scheiben zum Nachweis von Myonen
• Sonnencreme für den ATLAS-Detektor
• Dunkle Materie und offene Fragen
• Suche nach supersymmetrischen Teilchen
• Die Natur des Higgs-Teilchens
• Materie und Antimaterie
• Wie Materie ihre Masse erhält
• Riesige Datenmengen

Um neue Elementarteilchen, die kleinsten Bestandteile der Welt, zu finden, lassen Forscher am CERN Materieteilchen mit riesigen Energien aufeinanderprallen. Dort befindet sich der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt: der Große Hadronen-Speicherring oder Large Hadron Collider (LHC). Dieser beschleunigt zwei Teilchenströme aus Protonen. Protonen gehören zur Gruppe der Hadronen. Dies sind zusammengesetzte Teilchen, die unter anderem aus Quarks bestehen. Die Ströme verlaufen in entgegengesetzte Richtungen, bis die Protonen nahezu Lichtgeschwindigkeit haben (siehe weitere Informationen und Video). In Detektoren, riesigen Messgeräten, kreuzen sich die Ströme. Die aufeinander prallenden Protonen erzeugen neue Teilchen, die teilweise schnell wieder zerfallen oder vom Kollisionspunkt weg durch den Detektor fliegen. Der größte Detektor am LHC ist ATLAS: Er ist 46 Meter lang und mit einer Höhe von 25 Metern so groß wie ein zehnstöckiges Haus. Die Abteilungen von Prof. Dr. Gregor Herten, Prof. Dr. Karl Jakobs und Prof. Dr. Markus Schumacher am Physikalischen Institut der Universität Freiburg sind Teil der ATLAS-Kollaboration. Die Forscher der drei Arbeitsgruppen entwickeln den riesigen Detektor weiter, machen ihn für die Zukunft noch leistungsfähiger, stellen Computer-Ressourcen bereit und werten die Daten aus, die sie bei den Kollisionen im ATLAS-Detektor gewinnen.

• Spurensuche im schalenförmigen ATLAS-Detektor

Die Arbeitsgruppe um Herten ist an Entwicklung und Bau des Detektors beteiligt und sucht zudem nach so genannten supersymmetrischen Teilchen. Die Freiburger Physikerin Dr. Stephanie Zimmermann erarbeitet als Leiterin des Projekts „ATLAS Muon New Small Wheel“ verbesserte Kammern für ATLAS, die speziell das Elementarteilchen „Myon“ messen. Der ATLAS-Detektor ist schalenförmig um den Kollisionspunkt herum aufgebaut, hat die Form eines Fasses und besteht im Wesentlichen aus drei Lagen. Der Innere Detektor in der Mitte weist geladene Teilchen nach. Die Kalorimeter in der zweiten Schicht bestimmen die Energie von Teilchen. Außen befinden sich Myon-Detektoren. Die verschiedenen Detektorteile registrieren mit unterschiedlicher Genauigkeit, ob ein Elementarteilchen durch sie hindurchfliegt und welche Energie es hat. Mithilfe von Computer-Algorithmen berechnen die Physiker aus den registrierten Messpunkten die Bahn eines Teilchens sowie seiner Zerfallsprodukte bis hin zu ihrem jeweiligen Ursprung zurück.

• Kleine Scheiben zum Nachweis von Myonen

Myonen sind die einzigen nachweisbaren Teilchen, die es durch alle Lagen bis ins Äußerste des ATLAS-Detektors schaffen. Sie können selbst meterdickes Eisen relativ ungestört durchdringen. Eine große Rolle spielen die Partikel beispielsweise bei dem Nachweis des Higgs-Bosons, das unter anderem in vier Myonen zerfällt. Das Myon-System von ATLAS ist dafür optimiert, diese Zerfallsart präzise und genau zu messen. Zimmermann und weitere Wissenschaftler verbessern Teile des Detektors, um das ATLAS-Experiment für die Zukunft zu rüsten. „Es steht fest, dass der LHC bis etwa 2030 laufen wird. Mit einer Intensität, die circa fünfmal so hoch ist wie ursprünglich vorgesehen“, sagt Zimmermann. „Wir entwickeln die Detektoren weiter und passen sie an, um die gleiche Genauigkeit wie bei den vorherigen Durchgängen sicherstellen zu können.“ In ihrem Projekt geht es um Myon-Kammern, die wie Scheiben aussehen und daher „Small Wheels“ genannt werden. „Klein sind sie allerdings nicht, sie haben einen Durchmesser von neuneinhalb Metern.“ Sie sollen während eines Ausbaus 2018 und 2019 eingebaut werden (siehe Interview mit Zimmermann). Darüber hinaus stammen von Hertens Arbeitsgruppe weitere Myon-Detektoren (siehe Bildergalerie ATLAS).

• Sonnencreme für den ATLAS-Detektor

Die Arbeitsgruppe von Jakobs entwickelt Siliziumstreifendetektoren, die Bestandteile des Inneren Detektor von ATLAS sind. Sie vermessen nahe am Kollisionspunkt die Bahnen aller elektrisch geladenen Teilchen, die entstehen, mit einer hohen Präzision von etwa 15 Mikrometern.

Das Modul für den zukünftigen Siliziumstreifendetektor in der Nahaufnahme: Es besteht aus einer Ausleseelektronik auf einem Siliziumsensor. Foto: Katrin Albaum

Ein menschliches Haar ist im Vergleich dazu etwa 30 bis 70 Mikrometer dick. Für die Jahre 2022 und 2023 ist eine weitere Ausbaustufe des ATLAS-Detektors geplant, bei der der Innere Detektor komplett ersetzt wird und neue Siliziumstreifendetektoren eingebaut werden. Bei der Ausbaustufe soll der Teilchenstrahl im Large Hadron Collider (LHC) eine fünffach höhere Luminosität erhalten, das heißt es finden fünfmal so viele Teilchenbegegnungen pro Sekunde und Quadratzentimeter statt. Der ATLAS-Detektor muss dann eine höhere Rate an Teilchen erkennen und mehr Strahlung aushalten. Dies ist vergleichbar damit, wie sich höhere Sonnenstrahlung auf die menschliche Haut auswirkt. Die verbesserten Teile des Inneren Detektors bieten dank neuer Materialien erhöhten Schutz. Der Detektor bekommt gewissermaßen eine stärkere Sonnencreme mit höherem Schutzfaktor.

• Dunkle Materie und offene Fragen

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Abteilung Jakobs untersuchen zudem unter anderem die Eigenschaften des neu entdeckten Higgs-Bosons. Darüber hinaus suchen Forscher der Gruppe, wie die Doktorandin Francesca Ungaro, nach supersymmetrischen Teilchen. „Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells“, erläutert Ungaro. Das Standardmodell ist die physikalische Theorie der Elementarteilchen. Es unterscheidet zwischen Materie- und Kraftteilchen. Fermionen sind die grundlegenden Bausteine, aus denen sich Materie zusammensetzt. Sie interagieren miteinander, indem sie Bosonen austauschen. Bosonen sind als Botenteilchen verantwortlich für Kräfte und Wechselwirkungen; das Photon überträgt beispielsweise die Elektromagnetische Kraft. Das Standardmodell lässt jedoch einige Fragen offen: Es erklärt zum Beispiel nicht den Ursprung der bislang unbekannten Dunklen Materie, die nicht sichtbar ist. Forscher vermuten, dass etwa 26 Prozent des Universums aus ihr bestehen. Die sichtbare Materie macht hingegen weniger als fünf Prozent des Universums aus. Der Rest ist Dunkle Energie.

• Suche nach supersymmetrischen Teilchen

Supersymmetrie löst einige der Probleme. Ihr zufolge hat jedes Fermion aus dem Standardmodell einen so genannten Superpartner, der ein Boson ist, und jedes Boson hat ein Fermion als Superpartner.

Der LHC ist 27 Kilometer lang und liegt 50 bis 150 Meter tief in der französischen und schweizerischen Erde. Foto: © 2012 CERN

Dunkle Materie könnte aus dem leichtesten dieser neuen Teilchen bestehen. Ungaro sucht nach dem supersymmetrischen Boson „Stop“, das der Partner des Fermions „Top-Quark“ aus dem Standardmodell ist. „Dafür analysiere ich große Datenmengen, die bei den Kollisionen entstehen, und suche in ihnen ein Signal, das extrem klein ist.“ Bislang gebe es keine Hinweise für das „Stop“ und die anderen supersymmetrischen Teilchen, aber die nächste Runde der Datennahme bei einer höheren Luminosität kann neue Erkenntnisse bringen (siehe Interview mit Ungaro). Wichtig für die Interpretation der Daten, das heißt für die Analyse der zugrundeliegenden Physikprozesse, ist auch der Austausch und die Zusammenarbeit zwischen Experimentellen und Theoretischen Teilchenphysikern, wie den Freiburger Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Jochum Johan van der Bij, Prof. Dr. Stefan Dittmaier und Juniorprofessor Dr. Harald Ita.

• Die Natur des Higgs-Teilchens

Wenn Forscher weitere Higgs-Teilchen finden würden, wäre dies ebenfalls ein Beweis für neue Physik, die über das Standardmodell hinausgeht. Denn Supersymmetrie und viele andere Erweiterungen des Standardmodells sagen voraus, dass es nicht nur ein Higgs-Teilchen gibt. Die Arbeitsgruppe von Schumacher sucht nach zusätzlichen Higgs-Teilchen und erforscht zudem das bereits entdeckte Higgs-Boson genauer. Die Wissenschaftler kennen bereits viele Eigenschaften des Partikels: Sie wissen, dass es neutral ist, also keine elektrische Ladung besitzt, und welche Masse es hat. Viele andere Eigenschaften müssen sie jedoch noch bestimmen.

• Materie und Antimaterie

Dr. Stan Lai aus Schumachers Abteilung untersucht die so genannte „Charge Parity“-Natur, kurz CP-Natur, des Higgs-Partikels. Diese könnte erklären, warum unser Universum so ist, wie es ist – nämlich voller Materie. Als das Universum entstand, gab es in etwa so viel Antimaterie wie Materie, die sich gegenseitig vernichten. Jetzt kommt Antimaterie, die aus Antiteilchen besteht, kaum noch vor. Der CP-Symmetrie zufolge haben die Materieteilchen aus dem Standardmodell und ihre Antiteilchen die gleichen Eigenschaften, nur ihre Ladungen sind entgegengesetzt. „Wir versuchen herauszufinden, ob das Higgs-Boson diese Symmetrieregel verletzt. Dies könnte erklären, warum es in unserem Universum Materie im Überschuss gibt“, sagt Lai. 

• Wie Materie ihre Masse erhält

Lai untersucht in erster Linie eine bestimmte Zerfallsart des Higgs-Bosons, bei der es in zwei Tau-Leptonen zerfällt, also in zwei Fermionen. Bei der Higgs-Entdeckung 2012 wiesen Forscher nach, dass das Elementarteilchen mit Bosonen wechselwirkt. Um zu beweisen, dass es den Bausteinen der Materie ihre Masse gibt, mussten sie auch eine Wechselwirkung mit Fermionen nachweisen, aus denen sich die Materie zusammensetzt. Dies gelang Lai und weiteren Wissenschaftlern 2013: Sie zeigten, dass das Higgs-Teilchen in zwei Tau-Leptonen zerfällt. Es gibt also auch eine Wechselwirkung zwischen dem Higgs und den Bausteinen der Materie. Im Interview erklärt Lai, wie das Higgs-Boson am ATLAS-Detektor überhaupt gemessen wird, warum dies der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen gleicht und wie das Higgs-Feld den anderen Teilchen ihre Masse gibt.
 

• Riesige Datenmengen

  Alleine das ATLAS-Experiment lieferte 2011 etwa 400 bis 500 Megabyte an Daten pro Sekunde. Foto: © 2012 CERN

Schumachers Gruppe betreibt zudem ein ergänzendes Rechenzentrum für das ATLAS-Experiment am Rechenzentrum der Universität Freiburg, wodurch das CERN Data Centre zusätzlichen Speicherplatz und Rechenkerne erhält. Weltweit gibt es etwa 130 dieser Tier-2-Rechenzentren. Der LHC und seine Experimente erzeugen pro Jahr gigantische Datenmengen: 2012 waren es etwa 25 Petabyte, was circa 25 Millionen Gigabyte oder drei Millionen DVDs entspricht. Alleine das ATLAS-Experiment lieferte 2011 etwa 400 bis 500 Megabyte an Daten pro Sekunde. Und das, obwohl Algorithmen die Daten zuvor in mehreren Stufen reduzieren: Die Computer zeichnen nur Daten auf, aus denen die Wissenschaftler etwas Neues lernen können. Sie unterdrücken rauschende Kanäle und filtern triviale Ereignisse, die schon bekannte Prozesse enthalten, heraus. Die Bildergalerie bietet einen Einblick ins CERN Data Centre. 2015 werden der LHC und die Experimente voraussichtlich etwa 50 Petabyte erzeugen. Vielleicht verstecken sich in diesen Daten die entscheidenden Hinweise, mit denen die Wissenschaftler alle offenen Fragen beantworten entdecken und das nächste Kapitel der Physik aufschlagen können.

Autorin: Katrin Albaum
In ihrem Blog auf   http://cernreiseblog.tumblr.com/ berichtet die Autorin Katrin Albaum von ihrem Besuch am CERN in Genf.
 

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Porträts der Forscherinnen und Forscher

Foto: Universität Freiburg	Dr. Stanley Lai Dr. Stanley Lai arbeitet seit 2006 am Physikalischen Institut der Universität Freiburg. Er studierte Ingenieurswissenschaften und Physik an der Universität Toronto/Kanada. 2007 wurde er an der Universität Toronto in Physik promoviert. In seiner Doktorarbeit beschäftigte sich Lai mit der Suche nach dem Higgs-Boson am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), einer Forschungseinrichtung für Teilchenphysik in Batavia/USA. 2011 wurde er Akademischer Rat und wechselte von der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Karl Jakobs in die Abteilung von Prof. Dr. Markus Schumacher. 2012 bis 2013 leitete er in der ATLAS-Gruppe die Suche nach dem Zerfall des Higgs-Bosons in Tau-Leptonen.
Foto: Zimmermann	Dr. Stephanie Zimmermann Dr. Stephanie Zimmermann ist seit 2007 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Physikalischen Institut der Universität Freiburg in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gregor Herten. Sie studierte Physik in Freiburg und an der Universität Bristol/England und wurde 2004 in Freiburg promoviert. Danach arbeitete und forschte sie in Freiburg und am CERN in Genf/Schweiz. Von 2004 bis heute war Zimmermann Mitarbeitern sowie Leiterin in mehreren Arbeitsgruppen des ATLAS-Experiments. Von 2012 bis zum Frühjahr 2014 koordinierte sie als „ATLAS Run Coordinator“ den Betrieb und die Datennahme des ATLAS-Experiments. Seit 2013 ist sie Leiterin des Projekts „ATLAS Muon New Small Wheel“.
	Francesca Ungaro Francesca Ungaro ist seit 2011 Doktorandin am Physikalischen Institut der Universität Freiburg in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Karl Jakobs und forscht derzeit am CERN nach supersymmetrischen Teilchen. Sie studierte an der Universität Mailand/Italien und schrieb ihre Abschlussarbeit über die Suche nach supersymmetrischen Partikeln. 2011 erhielt sie den “Giovanni Polvani”-Preis der Italienischen Physikalischen Gesellschaft. Ungaro leitet eine Arbeitsgruppe im ATLAS-Experiment zur Suche nach dem supersymmetrischen Teilchen "Stop".
Foto: Arbeitsgruppe Jakobs / Universität Freiburg

Videos

Die Suche nach supersymmetrischen Teilchen

Interview mit Francesca Ungaro von Katrin Albaum

Die Doktorandin Francesca Ungaro aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Karl Jakobs am Physikalischen Institut der Universität Freiburg berichtet von der Suche nach supersymmetrischen Teilchen. Sie erklärt, was das Standardmodell und Supersymmetrie sind und warum sie sich auf die nächste Phase der Datennahme am Large Hadron Collider in Genf/Schweiz freut.

 Aufbau und Funktionsweise des ATLAS-Detektors

Interview mit Dr. Stephanie Zimmermann von Katrin Albaum

Die Freiburger Physikerin Dr. Stephanie Zimmermann aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gregor Herten erklärt, wie der ATLAS-Detektor am CERN, , dem Europäischen Labor für Elementarteilchenforschung in Genf/Schweiz, funktioniert und was in den Wartungsphasen passiert. Zudem berichtet sie von dem Projekt, das sie leitet und in dem die so genannten Myon-Kammern weiterentwickelt und verbessert werden.


Freiburger Physiker und das Higgs-Teilchen

Interview mit Dr. Stanley Lai von Katrin Albaum

Dr. Stanley Lai aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Markus Schumacher am Physikalischen Institut der Universität Freiburg erklärt und wie das Higgs-Boson am ATLAS-Detektor gemessen wird, warum dies der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen gleicht . Er beschreibt, wie das Higgs-Feld den anderen Teilchen ihre Masse gibt: Ein Forschungsergebnis seiner Gruppe weist darauf hin, dass das Higgs-Boson auch mit so genannten Fermionen wechselwirkt und daher auch mit den Bausteinen der Materie.



Das CERN Rechenzentrum und sein weltweites Netzwerk

 © 2013 CERN

Video des CERN Rechenzentrums


Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN

 © 2011 CERN

Der Large Hadron Collider (LHC) vom CERN, dem Europäischen Labor für Elementarteilchenforschung in Genf/Schweiz, liegt 50 bis 150 Meter tief unter der Erde in einem kreisförmigen Tunnel und hat eine Länge von 27 Kilometern. Die Protonen, die im LHC eingesetzt werden, stammen aus einer Gasflasche mit Wasserstoff am Beginn eines mehrteiligen Beschleunigerkomplexes. Nachdem die Protonen mehrere Vorbeschleuniger durchlaufen haben, leiten Technikerinnen und Techniker aus dem Kontrollzentrum des CERN sie in den LHC. Dieser beschleunigt die beiden Teilchenströme, die in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, bis sie nahezu Lichtgeschwindigkeit haben. In Detektoren, riesigen Messgeräten, werden die Ströme zur Kollision gebracht.
 

Bildergalerie

  ATLAS

Das Innere des ATLAS-Detektors beim Bau. Foto: ATLAS Experiment © 2014 CERN	Der schalenförmig aufgebaute ATLAS-Detektor. Foto: ATLAS Experiment © 2014 CERN	Blick auf den Punkt, an dem die Personen aus dem letzten Bild stehen. Foto: Katrin Albaum	Myonkammern in der äußeren Detektor-Lage (gelber Aufkleber). Foto: Katrin Albaum
Eine Myonkammer (gelber Aufkleber). Die Arbeitsgruppe Herten hat baugleiche Kammern erstellt. Foto: Katrin Albaum	Mitglieder der Arbeitsgruppe Herten beim Bau von Myonkammern 2006. Foto: ATLAS Experiment © 2014 CERN	Ein Teil aus dem Siliziumstreifendetektor (SCT), ausgestellt im ATLAS Visitor Centre über dem Detektor. Baugleiche Module hat die Arbeitsgruppe Jakobs entwickelt und produziert. Foto: Katrin Albaum	Von der Arbeitsgruppe Jakobs stammen Module dieses SCT-Ringes, der sich derzeit in den Endkappen von ATLAS befindet. Foto: © 2005 Peter Ginter
Im Reinraum der Arbeitsgruppe Jakobs entwickelt das Team, hier Dr. Susanne Kühn, neue Siliziummodule. Foto: Katrin Albaum	Filigrane Arbeit: Dr. Ulrich Parzefall vom Physikalischen Institut an der Drahtbondmaschine, die feine Drähte für elektrische Verbindungen setzt. Er betrachtet den Prototypen eines Moduls für den neuen Siliziumstreifendetektor. Foto: Katrin Albaum	Das Modul für den zukünftigen Siliziumstreifendetektor in der Nahaufnahme: Es besteht aus einer Ausleseelektronik auf einem Siliziumsensor. Foto: Katrin Albaum	Ein weiteres Modul für den Siliziumstreifendetektor, das die Freiburger Physiker um Karl Jakobs gebaut haben. Foto: Katrin Albaum
In diesem Gebäude auf dem CERN-Gelände arbeitet ein Großteil der Kollaborationen ATLAS und CMS. Foto: Katrin Albaum	Das Innere des Gebäudes am CERN und die Büros der ATLAS-Mitglieder. Foto: Katrin Albaum	Ein Bild auf der Wand des Gebäudes, in dem sich das ATLAS Visitor Centre und der Kontrollraum von ATLAS befinden. Foto: Katrin Albaum	Die ist keine Kunst, sondern ein Warnschild in den Gängen, die zum ATLAS-Detektor führen: Hier kann ausgetretenes Helium Sauerstoffmangel und Ohnmacht verursachen, deswegen ist eine Sauerstoffflasche Pflicht. Foto: Katrin Albaum
Dr. Christian Weiser aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Karl Jakobs vor dem ATLAS-Detektor. Foto: Katrin Albaum

LHC Tunnel

Der Large Hadron Collider (LHC) ist der derzeit größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Foto: Katrin Albaum	Der LHC ist 27 Kilometer lang und liegt 50 bis 150 Meter tief in der französischen und schweizerischen Erde. Foto: © 2012 CERN	ATLAS ist eines der vier Experimente am LHC. Foto: ATLAS Experiment © 2014 CERN	Das Gebiet, unter dem der kreisförmige Beschleunigerring liegt. Foto: ATLAS Experiment © 2014 CERN
Das Innere des Beschleunigers: Die beiden Strahlröhren (unten, braun-gold) und eine Helium-Kühlleitung (oben, silber). Foto: Katrin Albaum	Während einer Wartung im Rahmen des „Long Shutdown 1“ 2013 bis 2014 wurden 19 Magnete ausgetauscht. Das Bild zeigt einen blauen Dipolmagnet. Foto: © 2013 CERN	Da das Helium aus der Kühlleitung austreten kann, müssen Mitarbeiter in den LHC-Tunnel immer eine Sauerstoffflasche mitnehmen. Foto: Katrin Albaum	Der Tunnel ist radioaktiv, wenn der LHC und die Detektoren in Betrieb sind. Foto: Katrin Albaum

Rechenzentrum und Kontrollraum

Einer der Räume des Rechenzentrums vom CERN, das vom LHC und den Experimenten riesige Datenmengen erhält. Foto: Katrin Albaum	Alleine das ATLAS-Experiment lieferte 2011 etwa 400 bis 500 Megabyte an Daten pro Sekunde. Foto: © 2012 CERN	Im CERN Rechenzentrum stehen 1.127 Serverregale … Foto: © 2012 CERN	… und insgesamt mehr als 10.000 Server. Foto: © 2012 CERN
Der CERN Hauptkontrollraum. Wegen der Betriebspause ist es im LHC-Bereich im Mai 2014 noch ruhig. Foto: Katrin Albaum	Auf Erfolge stoßen die Mitarbeiter des CERN Kontrollraums gerne an. Foto: Katrin Albaum

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