Das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) ist ein theoretischer Rahmen, der grundlegende Wechselwirkungen und Bestandteile der Materie beschreibt. Obwohl das SM bei der Vorhersage von Phänomenen sehr erfolgreich ist, kann es nicht als vollständige Beschreibung der Natur auf der fundamentalen Ebene angesehen werden, da in der Natur Phänomene beobachtet werden, die von dieser Theorie nicht erfasst werden, wie z. B. die dunkle Materie, die dunkle Energie oder Neutrinomassen, um nur einige zu nennen. Unser Team am HEPHY sucht nach Physik jenseits des SM, indem es zu verschiedenen experimentellen Suchen beiträgt, entweder direkt zur Suche nach neuen Teilchen und Kräften oder indem es durch hochpräzise Messungen nach Abweichungen von der SM-Vorhersage sucht. Ergänzt werden diese Forschungsaktivitäten durch technische Aktivitäten wie die Entwicklung statistischer (multivariater) Analysemethoden, die Implementierung und Untersuchung von Teilchenidentifikationsalgorithmen und die Überprüfung und Untersuchung des Belle II-Triggersystems.

Projektleiter:  Gianluca Inguglia

Suche nach Teilchen und Mediatoren der Dunklen Materie

Seit der ersten experimentellen Beobachtung anomaler Dispersionsgeschwindigkeiten im Coma-Cluster, die auf die Existenz nicht leuchtender Materie hinweist, hat dunkle Materie Generationen von Wissenschaftlern fasziniert und verwirrt. Es gibt heute einen sehr breiten Konsens über die Existenz der Dunklen Materie, aber was die wahre Natur der Dunklen Materie ist, bleibt ein Rätsel. Das Belle II-Team von HEPHY versucht, dieses Rätsel zu lösen.

Das Team konzentriert sich insbesondere auf die Suche nach dunkler Materie und Mediatoren mit geringer Masse unter Verwendung von Daten, die vom Belle II-Detektor gesammelt wurden und Leptonen und fehlende Energie im Endzustand enthalten.

Die Hauptanstrengungen richten sich jetzt auf (ohne darauf beschränkt zu sein):

- die Suche nach myonischen und unsichtbaren Zerfällen des Z'-Bosons, einer hypothetischen dunklen Kraft, die die Wechselwirkung zwischen gewöhnlicher und dunkler Materie vermitteln könnte,

- die Suche nach dunkler Higgsstrahlung, ein Prozess, bei dem ein dunkles Higgs-Boson mit geringer Masse von einem massiven dunklen Photon A abgestrahlt wird

- die Suche nach unsichtbaren Zerfällen von Bottomoniumzuständen wie dem Y (1S)

- die Suche nach unsichtbaren Zerfällen von Mediatoren, die gegen Leptonflavor-Erhaltung verstoßen

Neue Aktivitäten werden umgehend diskutiert und geplant, basierend auf experimentellen Ergebnissen und theoretischen Entwicklungen.

Tau-Physik und die Suche nach der Verletzung der Leptonflavour-Universalität

In den letzten Jahren haben Experimente weltweit Anomalien entdeckt, die beim Zerfall von B-Mesonen und bei den Eigenschaften von Leptonen beobachtet wurden. Die meisten dieser Anomalien deuten auf neue Wechselwirkungen hin, die im Gegensatz zum SM Leptonen verschiedener Generationen oder Flavours unterschiedlich behandeln. Solche Wechselwirkungen sollen die Leptonflavour-Universalität (LFUV) verletzen, eine zufällige Symmetrie innerhalb des SM, und könnten auch die Verbindung zwischen gewöhnlicher und dunkler Materie (DM) sein.

Das Team konzentriert sich auf Folgendes

- Implementierung neuer Algorithmen auf der Basis neuronaler Netze zur Identifizierung von Tau-Leptonen

- Messung der Verzweigungsfraktionen des leptonischen Tau-Zerfalls

- Präzisionstest der LFU beim leptonischen Tau-Zerfall

Die Suche, motiviert durch die beobachteten Flavour-Anomalien, ist auch eine unabhängige Suche nach Physik jenseits des SM. Das Team profitiert weitgehend von der Zusammenarbeit mit internationalen Partnern auf dem Gebiet der theoretischen Physik und Phänomenologie, die eine solide Interpretation der Ergebnisse ermöglichen.

Technische Aktivitäten

Die Suche nach neuer Physik bei Belle II in Endzuständen mit geringer Teilchenmultiplizität und fehlender Energie hängt zunächst von der Fähigkeit des Detektors ab, diese Ereignisse zu erfassen und den Analysten zur Verfügung zu stellen. Gleichzeitig müssen Hintergrundereignisse unterdrückt werden, während wertvolle Daten erhalten bleiben sollen, die möglicherweise unentdeckte Prozesse enthalten. Dies geschieht über einen sogenannten Level 1-Trigger (L1). Unser Team ist daher an der Überwachung und Untersuchung der Effizienz der Trigger für Ereignisse mit geringer Multiplizität beteiligt, um sicherzustellen, dass qualitativ hochwertige Daten gespeichert und für Analysen zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere sind wir für die auf der zentralen Driftkammer (CDC) basierenden Trigger verantwortlich. Rekonstruierte Teilchen (Elektronen, Myonen, Pionen, ...) müssen über sogenannte Teilchenidentifikationsalgorithmen (PID) identifiziert werden, die auf globalen Wahrscheinlichkeiten basieren. Da PID eine probabilistische Zuordnung und grundlegende Bedeutung bei der Suche nach Neuer Physik hat. Darüber hinaus muss die Wahrscheinlich, dass ein Teilchen falsch identifiziert wird, verstanden werden, da dies die Messung verfälschen kann. Unser Team ist an der Identifizierung von Pionen beteiligt und untersucht, wie Pionen Myonenproben kontaminieren können, was für unsere Suche nach neuer Physik von Interesse ist.