Suche nach natürlicher Supersymmetrie in 13 TeV Kollisionen mit dem CMS Detektor

Suche nach naturlicher Supersymmetrie in 13 TeV Kollisio- nen mit dem CMS Detektor Seit funf Jahren untersuchen Wissenschaftler am LHC Proton-Proton Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV oder 99.9999968% der Lichtgeschwindigkeit. In diesen hochenergetischen Reaktionen wurde ein Teilchen entdeckt, das genau die Eigenschaften des lange gesuchten Higgs Bosons hat. Messungen der Zerfallswahrschein- lichkeiten bestatigten den Verdacht und mit viel Stolz prasentierten die beiden grossen Kollaborationen, ATLAS und CMS, des Ergebnis gemeinsam am 4. Juli 2012. In der Theorie ist das Higgs Boson ein heikles Teilchen aufgrund der Art seiner Wechselwirkung mit Materie. Der beruhmte Higgs Mechanismus verleiht den Elemen- tarteilchen ihre Masse. Bestimmt man aber die Masse des Higgs Bosons selbst, so zeigt sich, dass auch umgekehrt die Masse des Higgs Bosons von den anderen Teilchen beein- flusst ist. Diese Beitrage sind sehr gross und es wird angenommen, dass sie in unserer Naturbeschreibung stabilisert werden mussen. Interessanterweise sind die Beitrage von Kraftteilchen (zB. dem Lichtteilchen, dem Photon) und den Materieteilchen (zB. dem Elektron) entgegengesetzt. Gabe es nun eine Eigenschaft der Natur welche erzwingt, dass es gleich viele Teilchen beider Sorten gibt, dann wurden sich die Beitrage wegheben. Tatsachlich erreicht Supersymmetie, ein hypothetischer Rahmen der in den 1970er Jahren geschaffen wurde, genau das. Sie stabilisert nicht nur die Masse des Higgs Bosons son- dern sagt auch ein schwach wechselwirkendes, aber stabiles Teilchen voraus. Solche Teilchen wurden das Universum durchdringen und gravitativ wechselwirken, sonst aber kaum in Erscheinung treten. Ist es ein Zufall, dass astronomische Messungen die Dun- kle Materie mit 63% veranschlagen, welche genau dieser Beschreibung entspricht? Und falls das ein Hinweis auf Supersymmetrie ist, wie entdecken wir sie an Beschleunigerex- perimenten? Dieser Antrag versucht diese Fragen mit dem CMS Datensatz bis zum Jahr 2018 zu entscheiden. Der Antrag wird gemeinsam von der Universitat Gent (Prof. D. Dobur, UGent) und dem Institut fur Hochenergiephysik (HEPHY, R.Schofbeck) der OeAW eingebracht. Kollisionsereignisse mit entweder genau einem Lepton (ein Elektron oder ein Myon) oder einem Leptonpaar derselben Ladung haben sehr unterschiedliche Eigen- schaften. Deshalb sind komplementare Strategien bei der Hintergrundabschatzung er- forderlich. Kombiniert man die Kanale aber, so zeigt sich eine starke Verbesserung der Sensitivitat. Daher planen wir eine gemeinsame Analyse welche die Kanale mit einem Lepton (HEPHY) und mit einem Leptonpaar gleicher Ladung (UGent) zusammenfuhrt. Damit konnen wir die Supersymmetrie als grundlegende Eigenschaft der Natur nun en- tweder entdecken oder aber soweit einschranken dass sie vollig unplausibel wird.

Als man während der Datennahme 2011/12 am Large Hadron Collider (LHC) die Entdeckung des Higgs Bosons feierte, sah es aus als wäre das Standardmodell der Teilchenphysik komplett. Auf jeden Fall konnte man in diesem Rahmen den weitaus größten Teil der Proton-Proton Kollisionsereignisse erklären, also immerhin die gewaltige Anzahl von etwa 10^16 Ereignissen die bis Ende 2016 im unterirdischen LHC Beschleuniger Kreis statt fanden. Und trotzdem, in der entgegengesetzten Richtung, bei entfernten Galaxien und Galaxienclustern, findet sich überzeugende Evidenz, dass diese Sichtweise zumindest unvollständig ist. Tatsächlich deutet sowohl die Dynamik dieser grossen Strukturen, als auch die Entwicklung unsers Universums seit dem Urknall, darauf hin, dass der Grossteil der Materie im Universum "dunkel" ist - und das heisst einfach, dass wir nicht wissen wie diese Form der Materie mit der uns umgebenden gewöhnlichen Materie zusammenhängt. Ein Hauptziel des Antrags war es genau diese Frage zu klären, denn wenn die dunkle Materie beim Urknall entstanden ist, dann können wir auch hoffen, dass sie bei ähnlich extremen Bedingungen wie sie am LHC herrschen, entsteht und wir ihre Eigenschaften vielleicht messen können. Weiters gibt es eine Besonderheit im Standardmodell die es erforderlich macht, dass die sogenannten Quantenkorrekturen zur Masse des Higgs Bosons sehr fein eingestellt werden müssen. Das ist keine grundsätzliche Schwäche, trotzdem ist die Überzeugung verbreitet, dass eine neue Symmetrie diese Notwendigkeit entfernen sollte. Ein Beispiel einer Theorie welche das leistet ist die Supersymmetrie. Sie sagt für jedes bereits entdeckte Teilchen ein Partnerteilchen voraus, und interessanterweise ist darunter in den meisten Fällen eines das auf die dunkle Materie passt. Damit können wir nun Vorhersagen für den LHC machen. Die Phänomenologie der LHC Kollisionen ist ein weites Feld und deshalb ist es sinnvoll sich zB. auf Ereignisse mit Elektronen oder Myonen (beides alte Bekannte aus dem Standardmodell) zu beschränken. Diese extra Teilchen treten selten auf, und daher reduziert sich der Hintergrund an belanglosen Ereignissen aus dem Standardmodell dramatisch. Des weiteren können wir die zentrale Eigenschaft der dunklen Materie ausnutzen: Da sie dunkel ist, kann sie höchstens schwach mit dem Detektormaterial interagieren und deshalb kann sie keine Signatur hinterlassen. Das heisst, das die Ereignisse sehr unausgewogen sind, denn in Richtung der hypothetischen Teilchen der dunklen Materie gibt es kein Signal. Der Ausdruck "missing energy" beschreibt das anschaulich. Die Hauptarbeit des Projekts war die Entwicklung von Analysestrategien die es erlauben die indirekte Messung der missing energy und der anderen Observablen soweit zu entwickeln, dass sensitive Messungen vorgenommen werden können. Das haben wir getan und die neue Analysestrategie auf den grossen LHC Datensatz aus dem Jahr 2016 und 2017 angewandt und die Ergebnisse publiziert. Supersymmetrische Signale wurden nicht gefunden, aber wir haben die Schranken auf solche Modelle stark verbessert, zum Teil sind es die stärksten bekannten Schranken derzeit.