Anomales magnetischen Moment des tau-Leptons

Das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) ist sehr erfolgreich im Beschreiben der physikalischen Vorgänge im subatomaren Bereich. Doch trotz dieser Erfolge kann die Theorie nicht als vollständig betrachtet werden. Sie vermag z.B. nicht zu erklären woraus die dunkle Materie und dunkle Energie im Weltraum bestehen. Zudem enthält sie Parameter die nicht fundamental sind und sie ist nicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar. Allerdings gibt es auch kein experimentelles Resultat welches den Voraussagen des SM eindeutig widersprechen würde. Es liegen verschiedene Vorschläge vor wie man das SM erweitern oder ändern könnte um die Unzulänglichkeiten der Theorie zu beheben. Um die richtige Erweiterung zu finden wird experimentelle Evidenz jedoch von entscheidender Bedeutung sein. Die experimentelle Suche nach Anzeichen von Physik Beyond the Standard Modell (BSM) wird in verschiedenen Bereichen betrieben. Nachdem am LHC am CERN das Higgs Boson gefunden wurde hat man die vorhandenen Daten auf unterschiedlichste Weise nach Hinweisen auf BSM Effekte durchsucht. Bis jetzt allerdings ohne Erfolg. Als Alternative zu den Hochenergieexperimenten haben sich Präzisionsmessungen bei tieferen Energien etabliert um nach Hinweisen von BSM zu forschen. Die Messung des anomalen magnetischen Momentes von Leptonen (Elektron, Muon, Tauon) erweist sich dabei als besonders vielversprechend. Das magnetische Moment des Elektrons wurde speziell genau vermessen und stimmt bis auf 10 Stellen mit dem SM Wert überein. Beim magnetischen Moment des Muons hingegen könnten sich erste Hinweise auf eine Abweichung vom SM Wert ergeben. Die bisher genauste Messung weicht vom SM Wert ab. Das Resultat hat jedoch nicht die geforderte Signifikanz von 5- Sigma und weitere Untersuchungen müssen daher abgewartet werden. Da der mögliche Einfluss von BSM auf den Wert des magnetischen Momentes von Leptonen proportional zum Quadrat der Masse des Leptons ist, kann man erwarten, dass eine entsprechende Messung am Tau-Lepton, dem schwersten der drei Leptonen, die größte Sensitivität hat. Wegen der kurzen Lebensdauer der Tau-Leptonen sind die Methoden die man für die Messung am Elektron und Muon verwendet nicht praktikabel. Ultraperiphere Stöße (UPC) von schweren Ionen bieten eine Möglichkeit Tau-Leptonen in einer wohl definierten Umgebung zu untersuchen. In UPC ist der Abstand der involvierten Ionen größer als die Summe der Ionenradien. Es kommt also zu keiner direkten Kollision der Kerne. Allerdings entstehen durch die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Ionen starke elektromagnetische Felder. Diese können als Fluss von Photonen betrachtet werden weshalb UPCs eine Umgebung darstellen in der gamma-gamma Stöße bei hohen Energien untersucht werden können. In diesem Projekt werden wir ALICE am LHC verwenden um die Produktion von Tau-Leptonen in der Reaktion gamma-gamma nach tau-tau in UPCs zu untersuchen und einen genaueren Wert für das magnetisch Moment des Tau-Leptons bestimmen.

Das Standardmodell ist eine äusserst erfolgreiche Theorie der Teilchenphysik. Obwohl es nicht alle in der Natur beobachteten grundlegenden physikalischen Phänomene erklären kann, liefert es innerhalb seines Anwendungsbereichs sehr präzise Berechnungen physikalischer Grössen. Bislang gibt es kein allgemein anerkanntes experimentelles Ergebnis, das eindeutig von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht. Derzeit laufen verschiedene Untersuchungen zu solchen Abweichungen. Denn eine experimentell bestätigte Abweichung würde beweisen, dass die Theorie unvollständig ist, und Hinweise auf die Natur der fehlenden Teile der Theorie liefern. Es wird angenommen, dass die genauen Werte der anomalen elektromagnetischen Momente der Leptonen empfindlich von "Physik jenseits des Standardmodells" abhängen. Es wird erwartet, dass diese Abhängigkeit proportional zum Quadrat der Leptonmasse ist. Von den drei Leptongenerationen - Elektron, Myon, Tauon - sind es daher die Tau-Leptonen deren anomalen eletromagnetsichen Momente durch Änderungen des Standardmodelles voraussichtlich am stärksten beinflusst würden. Die kurze Lebensdauer des Tau-Leptons erschwert dessen experimentelle Charakterisierung, und Methoden, die zur Untersuchung von Elektronen oder Myonen angewendet werden (Messung der Präzessionsfrequenz in einem Magnetfeld), können nicht eingesetzt werden. Die Idee, das anomale magnetische Moment des Tau-Leptons in UPC-Ereignissen (Ultra Peripheral Collision) in Schwerionenkollisionen zu messen, geht auf eine 1991 veröffentlichte Arbeit von Aguila et al. zurück. Doch erst jetzt, dank der Luminosität der Run-3-Daten am LHC, ist dieser Ansatz vielversprechend. Mit diesem Projekt war es unser Ziel, die elektromagnetischen Eigenschaften des Tau-Leptons anhand von Daten aus dem ALICE-Experiment am LHC zu messen. Dazu nutzen wir den Gamma-Gamma-zu-Tau-Tau-Produktionsprozess in UPCs und messen dessen differentiellen Wirkungsquerschnitt im transversalen Impuls. Der Wert dieses Wirkungsquerschnitts hängt vom Wert des anomalen magnetischen Moments ab. Aus dem gemessenen Wirkungsquerschnitt kann dieser also abgeleitet werden. Das ALICE-Experiment eignet sich aufgrund seines schwachen Magnetfelds, des minimalen Materialbudgets und seiner hervorragenden Fähigkeiten zur Spurverfolgung und Teilchenidentifikation potenziell ideal für die Untersuchung der Ditau-Produktion. Wärhrend der langen Stillstandszeit des LHC vor Beginn von Run 3 wurde das ALICE-Experiment einer umfassenden Modernisierung unterzogen. Einige Detektoren wurden durch neue Komponenten ersetzt oder aufgerüstet, und die gesamte Softwareumgebung wurde überarbeitet, um die erwarteten hohen Datenraten verarbeiten zu können. Deshalb mussten die in früheren Laufphasen des LHC entwickelten Verfahren zur Verarbeitung, Aufbereitung und Analyse der Daten entsprechend angepasst werden. Es stellte sich heraus, dass dieser Anpassungsprozess nicht einfach und zeitaufwendig ist. Seit Beginn von Run 3 wurden erhebliche Fortschritte beim vollständigen Verständnis des Systems und der Daten erzielt, doch war der Prozess bis zum Ende des Projekts noch nicht abgeschlossen. Angesichts des vorläufigen Charakters der Daten konnten wir Routinen entwickeln, um UPCs aus dem Datenstrom zu isolieren und potenzielle Di-Tau-Ereignisse zu extrahieren. Damit erzeugten wir eine Rohverteilung des transversalen Impulses. Einige Analyseschritte, wie z. B. die ordnungsgemässe Kalibrierung, müssen jedoch noch abgeschlossen werden, um das endgültige Ergebnis zu ermitteln.