Suche nach natürlicher Supersymmetrie in hochenergetischen Proton-Proton Kollisionen

Während der Jahre 2011/2012 haben die beiden LHC Experimente CMS und ATLAS Proton- Proton Kollisionen entsprechend einer integrierten Luminosität von jeweils 25 fb-1 bei Schwerpunktsenergien von 7 und 8 TeV aufgezeichnet. In diesen wurde ein neues Boson entdeckt, höchstwahrscheinlich ein skalares Teilchen. Eine Messung der Zerfallsraten und Verzweigungsverhältnisse war kompatibel mit den Vorhersagen für das Higgs Boson im Standard Modell (SM). Ein weiteres herausragendes Merkmal dieser Daten war das Fehlen von Hinweisen auf Supersymmetrie (SUSY), was zu Schranken für die Massen stark wechselwirkender supersymmetrischer Teilchen von etwa 1 TeV geführt hat. Kann SUSY die Masse des Higgs Bosons durch den seit langem vermuteten Mechanismus stabilisieren, dass sich fermionische und bosonische Schleifenbeiträge in den Quantenkorrekturen aufheben? Und ist das neue Boson vielleicht nicht das SM Higgs Boson, sondern das leichteste SUSY Higgs Teilchen? Die bisherigen LHC Ergebnisse haben die Möglichkeit von natürlicher SUSY offen gelassen, ein Modell, welches die Idee subsumiert, dass diese neue Symmetrie der Natur die Quantenkorrekturen zur Masse des Higgs Bosons begrenzt. Daher ist natürliche SUSY eine Priorität für die experimentellen Kollaborationen und ein Eckpfeiler für SUSY als Theorie der fundamentalen Wechselwirkung. Eine zentrale Vorhersage natürlicher Supersymmetrie ist die Existenz von Gluinos, neuer Teilchen mit Massen, die ab 2015 bei den Schwerpunktsenergien von 13 - 14 TeV der neuen LHC Betriebsperiode zugänglich werden. Es ist unser Ziel, in CMS Daten nach Gluinos zu suchen, und zwar in Ereignissen mit einem Myon oder Elektron. Dieser Suchkanal unterdrückt die rein hadronischen Hintergrundprozesse fast vollständig, während er für Signalereignisse effizient bleibt. Das macht ihn zu einem der sensitivsten Kanäle. Die Suche ist auf Ereignisse mit bis zu vier Top-Quarks ausgelegt, ist aber sensitiv für viele Endzustände der natürlichen SUSY. Vom technischen Standpunkt aus werden wir eine neue multivariate Analysemethode (MVA) entwickeln, welche eine signifikant erhöhte Sensitivität vor allem bei solchen SUSY Massenkonfigurationen aufweist, für die einzelne Observable, wie die Energien der Jets und des Leptons, der Fehlbetrag in der transversalen Impulsbilanz (ET,miss), und andere, für sich genommen nicht ausreichen, um das Signal zu identifizieren. Eine solche Strategie wurde bisher nicht in Suchen nach Gluinos verwendet, und wir können damit bereits mit 4 fb-1 in unbekanntes SUSY Parametergebiet vorstoßen. Mit einem Datensatz von 20 fb-1, der wahrscheinlich schon während des ersten Jahres gewonnen werden wird, sind wir für fast alle Massenkonfigurationen der natürlichen SUSY sensitiv. Die Resultate dieser Methode werden SUSY entweder einer ihrer Hauptmotivationen berauben, oder aber als neues grundlegendes Konzept in die Beschreibung der Natur einführen. Die Kombination der MVA Strategie mit neuartigen Rekonstruktionsalgorithmen für Leptonen, ET,miss und weitere Observablen, welche die Erfahrungen der vergangenen dreijährigen Laufzeit bündeln, optimiert das Entdeckungspotential der Analyse und ist ein Alleinstellungsmerkmal dieses Projekts.

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 1016 Ereignissen die bis Ende 2016 im unterirdischen LHC Beschleuniger Kreis stattfanden. Und trotzdem, in der entgegengesetzten Richtung, bei entfernten Galaxien und Galaxienclustern, findet sich überzeugende Evidenz, dass diese Sichtweise zumindest unvollständig ist. Tatsachlich 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 zusammenhangt. 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 Schwache, trotzdem ist die Überzeugungverbreitet, 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 z.B. auf Ereignisse mit einem Elektron oder Myon (beides alte Bekannte aus dem Standardmodell) zu beschranken. 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, dass 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 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.