Das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider Particle Physics

Haefner, P.; Jantsch, A.; Kaiser, S.; Kiryunin, A.; Kluth, S.; Kortner, O.; Kortner, S.; Kotov, S.; Kroha, H.;
Macchiolo, A.; Menke, S.; Moser, H.-G.; Nagel, M.; Nisius, R.; Oberlack, H.; Pospelov, G.; Pataraia, S.; Potrap, I.;
Richter, R.; Salihagic, D.; Schacht, P.; Schw egler, P.; Seuster, R.; Stern, S.; Stonjek, S.; Vanadia, M.; von der
Schmitt, H.; von Loeben, J.; W eigell, P.; Zhuravlov, V. | Experimentelle Teilchenphysik bei hoechsten Energien –
Das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider
Experimentelle Teilchenphysik bei hoechsten Energien – Das ATLAS
Experiment am Large Hadron Collider
Particle Physics at the highest Energies – The ATLAS Experiment at
the Large Hadron Collider
Barillari, T.;Beimforde, M.; Bethke, S.; Bittner, B.; Bronner, J.; Capriotti, D.; Cortiana, G.; Dannheim, D.; Dubbert,
J.; Ehrich, T.; Flow erdew , M.; Giovannini, P.; Goblirsch, M.; Göttfert, T.; Groh, M.; Haefner, P.; Jantsch, A.;
Kaiser, S.; Kiryunin, A.; Kluth, S.; Kortner, O.; Kortner, S.; Kotov, S.; Kroha, H.; Macchiolo, A.; Menke, S.; Moser,
H.-G.;
Nagel, M.; Nisius, R.; Oberlack, H.; Pospelov, G.; Pataraia, S.; Potrap, I.; Richter, R.; Salihagic, D.;
Schacht, P.; Schw egler, P.; Seuster, R.; Stern, S.; Stonjek, S.; Vanadia, M.; von der Schmitt, H.; von Loeben, J.;
W eigell, P.; Zhuravlov, V.
Max-Planck-Institut für Physik, München
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Das ATLAS-Experiment am LHC-Beschleuniger zeichnet Teilchenreaktionen in Proton-Proton-Stößen bei den
höchsten je von Menschenhand erzeugten Kollisionsenergien von 7 TeV auf. Ziel ist es, die derzeitigen
Theorien der Teilchenphysik – zusammengefasst im Standardmodell – zu verifizieren, und neue Phänomene zu
entdecken. So hat die Suche nach dem Higgs-Boson begonnen, dem letzten noch nicht entdeckten Baustein
des Standardmodells. Mit den Daten aus diesem und dem nächsten Jahr könnte das Higgs-Boson bereits
gefunden w erden.
Summary
The ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) records particle interactions in proton-proton
collisions at 7 TeV, the highest collision energies mankind has ever produced. The aims are to confirm present
theories of particle physics, the so-called Standard Model, and to search for new phenomena. The search for
the Higgs-Boson, the only particle of the Standard Model not yet observed, has started. W ith the data taken
this year and next year it might w ell be possible to discover the Higgs-Boson.
Einleitung
Der ATLAS-Detektor ist einer von zw ei Vielzw eckdetektoren am Proton-Proton-Beschleunigerring "Large
Hadron Collider" (LHC) am Forschungszentrum CERN in Genf. Mit einer Länge von ca. 46 m und einem
Durchmesser von ca. 25 m ist ATLAS der größte Detektor, der bisher in der Beschleuniger-Teilchenphysik in
Betrieb genommen w urde. Er w urde von einer internationalen Kollaboration, bestehend aus ca. 3000
W issenschaftlern aus 184 Instituten und Forschungseinrichtungen aus 40 Ländern, konzipiert und gebaut.
© 2011 Max-Planck-Gesellschaft
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Seit März 2010 w erden mit dem ATLAS-Detektor Daten von Protonstößen bei einer Schw erpunktsenergie von 7
TeV gemessen. Bei dieser Energie soll ATLAS noch bis Ende 2012 Daten nehmen. Es ist geplant, den
Beschleuniger dann für eine Schw erpunktsenergie von 14 TeV vorzubereiten.
Der LHC erreicht damit Energien, die der Beschleuniger-Teilchenphysik bisher verschlossen w aren. Zusätzlich
ist der LHC in der Lage, bei hohen Energien große Teilchendichten am Kollisionspunkt zu liefern. Beides ist
notw endig, da die Prozesse bisher nicht erforschter Physik voraussichtlich in geringer Häufigkeit stattfinden
w erden (geringer W irkungsquerschnitt). Diese seltenen Prozesse im bisher nicht messbaren Energiebereich
w erden neue
Einsichten in den inneren Aufbau der Materie
sow ie
in die
Struktur und die
frühe
Entw icklungsphase des Universums liefern.
Interessante Ergebnisse w erden erw artet bei der Untersuchung der Frage nach der Erzeugung der Massen
der Teilchen. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die meisten der bisher in der Teilchenphysik
beobachteten Phänomene sehr gut. Allerdings ist das Standardmodell in seiner ursprünglichen Form nur für
ruhemasselose Teilchen formuliert. Um die Massen der Teilchen im Rahmen des Standardmodells korrekt
beschreiben zu können, muss man dieses erw eitern. Diese Erw eiterung verlangt allerdings die Existenz
mindestens eines w eiteren, bisher unentdeckten Teilchens, des Higgs-Bosons.
Weiterhin w ird der ATLAS-Detektor in der Lage
sein zu klären, ob es
eine
"Physik jenseits
des
Standardmodells" gibt, und ob alternative Lösungen oder Erw eiterungen des Standardmodells in der Natur
realisiert sind: So w ird z. B. im Rahmen der Supersymmetrie (SUSY) postuliert, dass es zu jedem bekannten
Boson (Teilchen mit ganzzahligem Spin) im Standardmodell ein komplementäres, bisher unentdecktes Fermion
(Teilchen mit halbzahligem Spin) und zu jedem Fermion ein komplementäres Boson gibt. Die Supersymmetrie
bietet auch eine Erklärung für den Ursprung der sogenannten Dunklen Materie, w elche als astrophysikalisches
Phänomen etabliert, aber bisher in seiner physikalischen Ursache vollkommen ungeklärt ist. Weitere
Erw eiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik sagen bisher unentdeckte Phänomene w ie die
Existenz höherer Raumdimensionen vorher mit z. T. spektakulären Signaturen Neuer Physik, w ie z. B. der
Existenz submikroskopischer Schw arzer Löcher. Die Teilchendetektoren am LHC sind sehr gut geeignet, in
absehbarer Zukunft diese Fragen zu beantw orten.
Der ATLAS-Detektor
Der ATLAS-Detektor (Abb. 1) besteht aus mehreren konzentrischen Lagen verschiedener Detektortypen. Jede
Lage ist zylinderförmig aufgebaut, mit Endkappen an beiden Enden. Von innen nach außen messen die
Detektoren Richtung und Impuls geladener Teilchen, Energie und Richtung von Photonen, Elektronen und
Hadronen-Jets, sow ie Richtung und Impuls von Myonen.
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A bb. 1: De r ATLAS-De te k tor
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Neueste, strahlenharte Technologien mit hervorragender Orts- und Energieauflösung und extrem hoher
Zuverlässigkeit sind unabdingbare Voraussetzungen für Präzisionsmessungen am LHC.
Die Kollisionsrate der Protonenbündel von 40 MHz stellt extreme Anforderungen an den Trigger, der
elektronischen Ausw ahl der in diesem Datenstrom versteckten, physikalisch interessanten Kollisionsereignisse.
Die primäre Triggerrate beträgt mehr als 100 kHz. Sie w ird in mehreren Stufen auf ein für die Datenauslese
akzeptables Niveau von etw a 200 Hz reduziert.
Der zentrale Spurdetektor mit einer Länge von 6,9 m und einem Durchmesser von 2,3 m befindet sich in einem
supraleitenden Solenoidmagneten von 2 Tesla Feldstärke. Die innersten drei Lagen sind als SiliziumPixeldetektor ausgeführt, gefolgt von w eiteren vier zylindrischen Lagen eines Silizium-Streifendetektors. Daran
schließt sich ein Gasspurdetektor an, bestehend aus 36 Lagen von Driftrohren. Insgesamt w ird damit eine
Impulsauflösung von etw a 10% bei einem Impuls von 100 GeV erreicht.
Das elektromagnetische Kalorimeter basiert auf flüssigem Argon als aktivem Material. Daran schließt sich ein
hadronisches Eisen-Szintillator-Kalorimeter im zentralen und äußeren Vorw ärtsbereich an. Um die notw endige
Strahlenhärte zu garantieren, w urde bei den Endkappen w ieder die Flüssig-Argon-Technologie gew ählt.
Das Myonspektrometer w ird von drei Lagen von Myonkammern gebildet, die aus jew eils mehreren Lagen von
gasgefüllten Driftrohren bestehen und sich in einem mittleren Magnetfeld von 0,4 Tesla befinden, das von acht
supraleitenden Toroidspulen erzeugt w ird. Die Messgenauigkeit einer Myonenkammer beträgt 30 Mikrometer,
w as eine Impulsauflösung für Myonen von etw a 10% bei 1 TeV/c Impuls ermöglicht.
Die Datenverarbeitung für das ATLAS-Experiment erfordert w egen der enorm großen Datenmengen von
mehren Petabyte (10 15 Byte) pro Jahr neue Methoden. Die Daten w erden w eltw eit auf bis zu 100
Rechenzentren verteilt und prozessiert, w obei die effiziente Organisation der Datenverarbeitung mit der
Technik des Grid-Computing gew ährleistet w ird.
Das Max-Planck-Institut für Physik ist eines der größten der international 184 an ATLAS beteiligten Institute;
es
ist
an
vier
Sub-Detektor-Projekten
beteiligt:
dem
Silizium-Streifendetektor,
dem
hadronischen
Endkappenkalorimeter, den Myonkammern und dem Aufbau eines Tier-2 Rechenzentrums in Garching, im
Rahmen des World-W ide LHC Computing Grid. Konzeption und Bau der Detektorelemente, die Kalibrierung
sow ie die Vorbereitung der Rekonstruktions- und Analysesoftw are und die physikalische Datenanalyse sind
die w esentlichen Verantw ortlichkeiten des Instituts.
Die ersten Resultate
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Das
Hauptziel
des
ATLAS-Experiments
ist
die
Suche
nach
dem
Higgs-Boson
sow ie
nach
den
supersymmetrischen Partnern der Teilchen des Standardmodells und anderen neuen Phänomenen. Das
Institut ist an diesen für die Zukunft der Teilchenphysik entscheidenden Untersuchungen maßgeblich beteiligt.
A bb. 2: Inva ria nte s Ma sse nspe k trum von P a a re n
e ntge ge nge se tzt ge la de ne r Myon. Die R e sona nze n be k a nnte r
Te ilche n, die in Myonpa a re ze rfa lle n, sind ge k e nnze ichne t.
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Eine
Grundvoraussetzung
für den
Nachw eis
neuer Teilchen
ist
ein
genaues
Verständnis
der vom
Standardmodell vorhergesagten Prozesse in dem neuen Energiebereich des LHC. Die bekannten Teilchen des
Standardmodells, insbesondere die schw eren Eichbosonen W und Z der schw achen Wechselw irkung sow ie
das schw erste der Quarks, das top-Quark, w urden im ersten Jahr des LHC-Betriebs mit dem ATLAS-Detektor
w iederentdeckt.
Die
Vorhersagen
des
Standardmodells
w urden
bei
den
bisher
höchsten
Energien
hervorragend bestätigt. Das Spektrum der invarianten Masse von Paaren entgegengesetzt geladener Myonen
in Abbildung 2 mit zahlreichen Resonanzen bekannter Teilchen illustriert dies eindrucksvoll. Abbildung 3 zeigt
ein typisches Bild des Detektors mit Daten eines Ereignisses mit einem Myonenpaar.
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A bb. 3: Dre idim e nsiona le Da rste llung von Te ile n de s ATLASDe te k tors m it Me ssda te n e ine s Ere ignisse s m it e ine m
Myone npa a r. Die viole tte n Linie n ze ige n die Spure n de r
Myone n.
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Auf dieser Grundlage konnten bereits w ichtige Ausschlussgrenzen für neue mögliche Prozesse gesetzt
w erden. So w urden zum Beispiel angeregte Quarkzustände, die auf eine bisher unbekannte Substruktur der
Quarks zurückzuführen w ären, bei Massen unterhalb von 1,53 TeV/c 2 ausgeschlossen. Neue schw ere W Bosonen (W ’) müssen nach den neuesten ATLAS-Messungen schw erer als 1,49 TeV/c 2 sein. Schließlich dürfen
die supersymmetrischen Partnerteilchen der Quarks (Squarks) nicht leichter als etw a 775 GeV/c2 sein.
Mit den in diesem (2011) und im nächsten Jahr erw arteten Daten entsteht bereits die Möglichkeit, das HiggsBoson und erste supersymmetrische Teilchen zu entdecken.
Messung elektroschwacher Eichbosonen
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A bb. 4: Ve rgle ich de r P roduk tionsque rschnitte für die
Erze ugung de r W - und Z-Bosone n a m LHC m it de n
the ore tische n Vorhe rsa ge n und Me ssunge n a nde re r
Ex pe rim e nte be i nie drige re n Schwe rpunk tse ne rgie n.
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Die Messung der W irkungsquerschnitte der Erzeugung der elektroschw achen Eichbosonen W und Z in ProtonProton-Kollisionen
ist
ein
erster
w ichtiger
Test
der
Vorhersagen
des
Standardmodells
im
neuen
Energiebereich, den der LHC eröffnet. Abbildung 4 vergleicht die von ATLAS gemessenen Erzeugungsraten für
W - und Z-Bosonen mit theoretischen Vorhersagen und Messungen anderer Experimente bei niedrigeren
Schw erpunktsenergien. Die rote durchgezogene Linie zeigt links die Vorhersage für die W -Produktion und
rechts für die Z-Produktion als Funktion der Schw erpunktsenergie in Proton-Proton-Kollisionen. Die roten
Punkte
stellen
die
zugehörigen
Ergebnisse
des
ATLAS-Experimentes
dar, w elche
die
theoretischen
Vorhersagen bestätigen, die auch im Einklang mit den Messungen der anderen LHC-Experimente stehen.
Die ATLAS-Gruppe am Institut beschäftigt sich neben diesen Messungen auch mit der Untersuchung der
Erzeugung von W - und Z-Bosonen in Begleitung hochenergetischer Hadronen-Jets.
Messung des top-Quarks
Im Institut w ird auch die Produktion von top-antitop Quark-Paaren (t-Paaren) im Detail untersucht. Das topQuark ist das schw erste der sechs bekannten Quarks, es hat in etw a die Masse eines Goldatoms. Aufgrund
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dieser Tatsache hat das top-Quark sehr spezielle Eigenschaften, insbesondere ist es das einzige Quark, das in
ungebundenem Zustand zerfällt.
Im Standardmodell erfolgt der Zerfall fast immer in ein W -Boson und ein bottom-Quark (b-Quark). Das antitopQuark zerfällt in die entsprechenden Antiteilchen. Das W -Boson zerfällt dann in bekannter Weise in ein
Lepton- oder Quarkpaar. Die Flugrichtung und Energie dieser Quarks manifestiert sich im ATLAS-Detektor in
den Eigenschaften von engen Bündeln von Hadronen, den sogenannten Jets. Somit ist die experimentelle
Signatur eines top-Quarks ein Jet, hervorgegangen aus einem b-Quark (b-Jet) und entw eder einem LeptonPaar oder einem Jet-Paar von den leichten Quarks (q-Jets).
A bb. 5: ATLAS-Ere ignis, be i de m e in top-a ntitop Q ua rk -P a a r in
e in Ele k tron und e in Ne utrino sowie in 3 Je ts ze rfä llt. Da s
Ere ignis ist in dre i Ansichte n da rge ste llt: link s e ntla ng de r
LHC -Stra hla chse , re chts obe n pa ra lle l zur Stra hla chse und
re chts unte n die Ene rgie e inträ ge im Ka lorim e te r in e ine r
zwe idim e nsiona le n Abwick lung.
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Abbildung 5
zeigt
ein
in
2010
mit
dem ATLAS-Detektor aufgezeichnetes
Ereignis, bei dem (sehr
w ahrscheinlich) ein top-antitop Quark-Paar in der Proton-Proton Kollision erzeugt w urde. Der Zerfall eines der
beiden top-Quarks w ird im Detektor in einem rekonstruierten Jet sow ie einem Elektron und fehlender
transversaler Energie (Signatur des Neutrino) sichtbar, w ährend der Zerfall des anderen top-Quarks sich in
drei rekonstruierten Jets manifestiert. Das Elektron w urde als die hochenergetische, einzelne und nach unten
gehende Spur im zentralen Spurdetektor, die mit einem räumlich kompakten Cluster im elektromagnetischen
Kalorimeter verbunden ist, nachgew iesen. Die gestrichelte Linie zeigt die Richtung fehlender Energie in
transversaler Richtung zum Strahl, d. h. der Energie, die zur Erhaltung von Impuls und Energie in transversaler
Richtung notw endig ist.
Der W irkungsquerschnitt für die Produktion von top-antitop Quark-Paaren in Proton-Proton-Kollisionen mit
einer Schw erpunktsenergie von 7 TeV w urde von ATLAS mit einer anfänglichen Genauigkeit von 32%
gemessen. Die Vorhersage des Standardmodells ist in Übereinstimmung mit dieser Messung. Für diese
Messung ist ein vollständig funktionsfähiges Experiment unabdingbar, da präzise Informationen aus dem
inneren Detektor, dem Kalorimeter und dem Myonsystem sow ie dem Trigger zur Durchführung notw endig sind.
Die Messung ist noch relativ ungenau, w eil die Menge der bisher aufgezeichneten Daten gering und das
Experiment noch nicht vollständig kalibriert ist. Die Messung zeigt überzeugend, dass das Experiment w ie
vorgesehen funktioniert.
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A bb. 6: Die Figur ze igt die Me ssung de s W irk ungsque rschnitts
für die P roduk tion von top-a ntitop P a a re n in P roton-P rotonKollisione n be i 7 Te V von ATLAS (rote r P unk t). Die schwa rze n
P unk te sind Me ssunge n a nde re r Ex pe rim e nte , wä hre nd die
Bä nde r ve rschie de ne the ore tische Vorhe rsa ge n
pa ra m e trisie re n.
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Abbildung 6 zeigt die ATLAS-Messung des W irkungsquerschnitts für die Produktion von top-antitop-Paaren in
Proton-Proton-Kollisionen bei 7 TeV. Sie w ird verglichen mit Messungen anderer Experimente bei niedrigeren
Schw erpunktsenergien (CDF, D0) und am LHC (CMS) sow ie mit theoretischen Vorhersagen. Das blaue Band
zeigt die Vorhersage für Proton-Proton-Kollisionen, die mit den Messungen am LHC übereinstimmt. Das gelbe
Band zeigt die Vorhersage für Proton-Antiproton Kollisionen, die von den Experimenten CDF und D0 analysiert
w erden.
Andere Vorhersagen des Standardmodells für die Produktion von W - und Z-Bosonen sow ie von Jets bei hohen
Energien w urden auch von ATLAS mit den Daten von 2010 bestätigt. Zusammenfassend kann gesagt w erden,
dass das ATLAS-Experiment das Standardmodell der Teilchenphysik am LHC w iederentdeckt und bei den
hohen Energien des LHC validiert hat.
In der ATLAS-Gruppe am Institut w erden zurzeit die gesamten Daten des Jahres 2010 analysiert. Dabei
w erden eine verbesserte Kalibration des Detektors sow ie die größere Datenmenge im Vergleich zu den oben
besprochenen Arbeiten zu einer deutlichen Reduktion der Fehler führen. Die Analysen umfassen eine genaue
Messung der Masse des top-Quarks sow ie Messungen der Produktion von W - und Z-Bososen.
Suche nach dem Higgs-Boson
Die Suche nach dem Higgs-Boson, das als einziger Baustein des Standardmodells bisher unentdeckt geblieben
ist, ist eine w ichtige Motivation für die LHC-Experimente. Die Masse des Higgs-Bosons w ird von der Theorie
nicht vorhergesagt, es darf aber nicht schw erer als etw a 1 TeV/c 2 sein, w enn die W iderspruchsfreiheit der
Theorie gew ahrt w erden soll. Die bisherige Suche nach diesem Teilchen an früheren Experimenten am LEP
Speicherring setzt eine Massenuntergrenze von 115 GeV/c2 , w ährend die neuesten Analysen an den
Experimenten am Tevatron-Beschleuniger in den USA einen w eiteren Massenbereich zw ischen 158 GeV/c 2 und
175 GeV/c2 ausschließen.
Die Herausforderung an Detektortechnologie und Datenanalyse ist die Identifizierung der Higgs-Ereignisse in
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einem um viele Größenordnungen höheren Untergrund bekannter Prozesse, w ie z. B. der W -, Z-, oder tProduktion. Im Massenbereich zw ischen 130 GeV/c2 und 200 GeV/c2 hat der Zerfall über zw ei W -Bosonen in
zw ei geladene Leptonen und zw ei Neutrinos (H→WW→lνlν) die größte Sensitivität. Die Suche nach dem HiggsBoson in diesem Zerfallskanal erfolgte mit den gesamten Daten des Jahres 2010.
A bb. 7: Ausschlussgre nze n für de n W irk ungsque rschnitt de r
Higgs-P roduk tion durch de n P roze ss H→WW→lνlν re la tiv zur
Sta nda rdm ode lvorhe rsa ge .
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Abbildung 7 zeigt, w elcher W irkungsquerschnitt für die Higgs-Produktion durch den Prozess H→WW→lνlν relativ
zur Erw artung des Standardmodells als Funktion der Higgs-Masse mit 95% Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen
ist. Die schw arze Linie stellt die Messung dar, die Bänder die für die aufgezeichnete Datenmenge erw artete
statistische Unsicherheit. Wenn das Verhältnis bei einer gegebenen Masse kleiner als 1 ist, bedeutet dies,
dass es, mit der entsprechenden Wahrscheinlichkeit, kein Higgs-Boson mit dieser Masse gibt. Da die
durchgezogene Linie stets oberhalb von 1 verläuft, hat ATLAS mit der bisherigen Datenmenge die Existenz des
Higgs-Bosons noch bei keiner Masse ausschließen können.
Jedoch ist die bis zum Ende des Jahres 2011 erw artete Datenmenge groß genug, den Massenbereich des
Higgs-Bosons stark einzuschränken. Falls keine konkreten Anzeichen für die Produktion von Higgs-Teilchen
gesehen w erden, können dann Higgsmassen zw ischen etw a 130 GeV und 190 GeV ausgeschlossen w erden.
Durch Hinzunahme w eiterer Higgs-Zerfallskanäle lässt sich das Massenintervall auf den Bereich von 125 GeV
bis 500 GeV ausdehnen.
Die ATLAS-Gruppe am Institut beteiligt sich maßgeblich an der Higgs-Boson-Suche in den w ichtigsten
Zerfallskanälen.
Suche nach Teilchen von supersymmetrischen Theorien
Die Einführung einer neuen Symmetrie, der sogenannten Supersymmetrie zw ischen Fermionen und Bosonen,
ist
die
am meisten
favorisierte
Erw eiterung
des
Standardmodells, die
mit
der Vorhersage
neuer,
supersymmetrischer Partnerteilchen zu jedem Teilchen des Standardmodells einhergeht. Sie liefert eine
natürliche Erklärung für eine relativ niedrige erw artete Higgs-Bosonmasse unterhalb von 1 TeV/c 2 . Die
supersymmetrischen Partnerteilchen könnten dann ebenfalls Massen unterhalb dieser Grenze besitzen und
am LHC in hoher Rate erzeugt und untersucht w erden.
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A bb. 8: Ve rte ilung de r fe hle nde n tra nsve rsa le n Ene rgie im
ATLAS-De te k tor in Ere ignisse n m it m inde ste ns zwe i
hoche ne rge tische n Ha drone n-Je ts.
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In den favorisierten Modellen w erden supersymmetrische Teilchen paarw eise erzeugt und zerfallen in
mehreren Stufen schließlich in das leichteste supersymmetrische Partnerteilchen (LSP), das stabil ist und nur
schw ach mit Materie w echselw irkt. Damit ist das LSP ein guter Kandidat für die Dunkle Materie im Universum,
nach
deren
Ursprung
seit langem gefahndet w ird. Typische
Signaturen
für Erzeugung
und
Zerfall
supersymmetrischer Teilchen im ATLAS-Detektor sind mehrere hochenergetische Jets und möglicherw eise
Leptonen aus den Kaskadenzerfällen sow ie ein großer Fehlbetrag in der transversalen Energiebilanz der
Prozesse.
Entscheidend für den Nachw eis bzw . den Ausschluss der Supersymmetrie aufgrund dieser Signaturen ist das
genaue Verständnis des Untergrunds von bekannten Prozessen des Standardmodells einschließlich der
Detektoreffekte, die
zum Beispiel fehlende
Energie
vorspiegeln können. Abbildung 8 zeigt die gute
Übereinstimmung zw ischen den Messungen und den Vorhersagen. Sie führt zu den in Abbildung 9 gezeigten
Ausschlussgrenzen für die Massen der Squarks (supersymmetrische Partnerteilchen der Quarks) und Gluinos
(supersymmetrische Partnerteilchen der Gluonen, der Eichbosonen der starken Wechselw irkung zw ischen den
Quarks). Hierbei sind die Massen links von den entsprechenden Linien ausgeschlossen.
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Haefner, P.; Jantsch, A.; Kaiser, S.; Kiryunin, A.; Kluth, S.; Kortner, O.; Kortner, S.; Kotov, S.; Kroha, H.;
Macchiolo, A.; Menke, S.; Moser, H.-G.; Nagel, M.; Nisius, R.; Oberlack, H.; Pospelov, G.; Pataraia, S.; Potrap, I.;
Richter, R.; Salihagic, D.; Schacht, P.; Schw egler, P.; Seuster, R.; Stern, S.; Stonjek, S.; Vanadia, M.; von der
Schmitt, H.; von Loeben, J.; W eigell, P.; Zhuravlov, V. | Experimentelle Teilchenphysik bei hoechsten Energien –
Das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider
A bb. 9: Mode lla bhä ngige Ausschlussgre nze n für Ma sse n
m ögliche r supe rsym m e trische r Te ilche n a ls Erwe ite runge n de s
Sta nda rdm ode lls. Die Da te n wurde n a us e ine r ATLAS-Ana lyse
de r P roduk tion von Ere ignisse n m it hoche ne rge tische n Je ts
und fe hle nde r tra nsve rsa le r Ene rgie ge wonne n.
© Ma x -P la nck -Institut für P hysik / ATLAS-Kolla bora tion
Die von ATLAS erreichten Ausschlussgrenzen übertreffen die Ausschlussgrenzen aller bisherigen Experimente,
einschließlich der am LHC, bei w eitem. In den gängigen supersymmetrischen Modellen (MSUGRA/CMSSM)
müssen die Squarks und Gluinos demnach, unter Annahme etw a gleicher Massen, schw erer als 775 GeV/c2
sein. Das Institut ist an diesen Untersuchungen maßgeblich beteiligt.
Mit den Daten der Jahre 2011 und 2012 w erden die Ausschlussgrenzen noch erheblich verbessert und
supersymmetrische Erw eiterungen des Standardmodells, bis zu Energieskalen oberhalb 1 TeV, getestet. Die
Entdeckung der Supersymmetrie oder anderer Erw eiterungen des Standardmodells, und damit einer "Neuen
Physik", ist somit in unmittelbarer Reichw eite!
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