Präzision als Schlüssel zu neuer Physik – DESY Wissenschaftler:innen leiten eine wichtige neue Analyse

Ein Ereignis mit zwei Jets (orangefarbene Kegel) aus Proton-Proton-Kollisionen, das im CMS-Detektor aufgezeichnet wurde. Die gelben Linien entsprechen den Flugbahnen der geladenen Teilchen, die blau und grün schattierten Kästen sind ein Maß für die Energie. Rote Linien stellen die Myonen dar, die sich in Richtung der Myonenkammern bewegen und diese durchqueren. Bild: CERN

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Am größten Teilchenbeschleuniger der Welt hat ein Forschungsteam eine der vier fundamentalen Naturkräfte mit bislang unerreichter Präzision vermessen: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzten Daten des CMS-Detektors am Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Teilchenforschungszentrums CERN bei Genf, um die sogenannte starke Kopplungskonstante so genau zu bestimmen wie nie zuvor an einem Hadronbeschleuniger wie dem LHC. Die Präzisionsanalysen, die maßgeblich von DESY-Forschenden durchgeführt wurden, erlauben eine deutlich verfeinerte Suche nach physikalischen Effekten, die nicht vom bisher gültigen Standardmodell der Teilchenpyhsik beschrieben werden. Das Team stellt seine Ergebnisse im „Journal of High Energy Physics“ vor.

In der Natur gibt es nach heutigem Wissen vier fundamentale Kräfte: die Schwerkraft, die elektromagnetische Kraft, die schwache und die starke Kraft. Während die schwache Kraft für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist, hält die starke Kraft die Atome und Atomkerne zusammen. Ihre Stärke wird von der starken Kopplungskonstante beschrieben, einer grundlegenden Naturkonstante im Standardmodell.

Wie das Periodensystem in der Chemie spielt das Standardmodell der Teilchenphysik eine zentrale Rolle in unserem Bild der Elementarteilchen. Dieses Modell ordnet die Struktur der Materie und elementare Kräfte und beschreibt sie mathematisch. Trotzdem hat dieses Modell Schwächen. Diese weisen auf neue Erkenntnisse über Elementarteilchen oder auf die Präsenz neuer Wechselwirkungen hin, was unser Weltbild entscheidend verändern würde. Zum Beispiel ordnet das Standardmodell die fundamentalen Bausteine der Materie, die Quarks, in drei Familien ein. Allerdings ist die uns bekannte Materie – alles was wir sehen oder anfassen – nur aus Mitgliedern der ersten Familie aufgebaut. Der Grund dafür ist ungeklärt. Eine Hypothese ist, dass die Quarks selbst eine Struktur haben könnten, welche erst bei extrem hohen Energien sichtbar wird, und eine neue, bisher unbekannte Kraft in Erscheinung tritt.

DIe CMS-Kollaboration sucht nach solcher Neuen Physik durch Analysen der Teilchenkollisionen am LHC. Der Beschleuniger schießt Protonen, eine Sorte Bausteine der Atomkerne, mit äußerst hoher Energie aufeinander. Protonen gehören zu den stark-wechselwirkenden Teilchen, den sogenannten Hadronen, und sind ihrerseits aus Quarks aufgebaut. Das Team untersucht speziell die Wechselwirkungen von Quarks in den Teilchencrashs. Die Herausforderung dabei: Quarks können nicht als freie Teilchen beobachtet werden. Die starke Kraft hält sie immer in Paaren oder Gruppen gefangen. Für die LHC-Experimente heißt das: Sobald ein Quark aus einem Proton herausgeschlagen wird, wird um dieses ein Bündel stabiler Teilchen gebildet — ein sogenannter Jet. Die Energie und Richtung des Jets können experimentell gemessen werden und deuten auf die Eigenschaften des ursprünglichen Quarks hin.

Jede Abweichung der gemessenen Jet-Eigenschaften von den Vorhersagen des Standardmodells wäre ein Hinweis auf Neue Physik. Die Schwierigkeit dabei ist, dass die experimentell beobachteten Jets sowohl in einer möglichen neuen Wechselwirkung der Quarks erzeugt worden sein können als auch in der bekannten starken Wechselwirkung. Um dies unterscheiden zu können, muss die Größe der starken Kraft, also der Kopplungskonstante, sehr präzise bekannt sein.

Seit ersten Messungen in den 1990er Jahren am Tevatron-Beschleuniger des US-Forschungszentrums Fermilab, wo Protonen und Antiprotonen zur Kollision gebracht wurden, hat dieses Problem die Suche nach Neuer Physik mit Hilfe von Teilchen-Jets behindert. Nun wurde es gelöst mit einer Methode, mit der sich die starke Kopplungskonstante und andere Parameter des Standardmodells gleichzeitig mit möglichen Kopplungen einer neuen Wechselwirkung bestimmen lassen.

Zum ersten Mal ließ sich so die Struktur des Protons bestimmen und gleichzeitig eine minimale Energie, ab der eine mögliche neue Kraft auftreten könnte, die nicht durch das Standardmodell beschrieben wird. Dabei wurde die starke Kopplungskonstante mit einer Genauigkeit von etwa 1,5 Prozent bestimmt – das ist bisher die präziseste Einzelmessung an einem Hadronenbeschleuniger.

Diese Arbeit wurde durch das von der Helmholtz-Gemeinschaft geförderte Projekt „Fundamental couplings at the precision frontier” unterstützt.