Die CMS-Analysegruppe verwendet Daten aus Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) zur  Suche nach neuen Elementarteilchen und Wechselwirkungen und der präzisen Messung bekannter Phänomene. Die Auswertung basiert auf Daten aus dem LHC Run 1 (2010-2012, Kollisionsenergien von 7 und 8 TeV) und Run 2 (2015-2018, 13 TeV), während LHC Run 3 (2022-2025) in Vorbereitung ist  [LHC Langzeitplan (English)]. Die in den Kollisionen entstehenden Teilchen werden mit dem CMS-Experiment aufgezeichnet und bringen Erkenntnisse  über die Eigenschaften von Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte.

Die Entdeckung des Higgsbosons hat das “Standardmodell” (SM) der Elementarteilchen vervollständigt. Messungen der Parameter des Modells sind daher ein wichtiger Teil unseres Forschungsprofils, denn es hat trotz zahlloser Erfolge einige gravierende Mängel. Ein prominentes Beispiel ist das Fehlen einer Erklärung für die “dunkle Materie”.

Mit zwei Ansätzen suchen wir deshalb nach Signalen von Erweiterungen des SM. Einerseits könnten Signale von neuen Teilchen, wie supersymmetrische Teilchen oder “dunklen” Bosonen, direkt in seltenen spektakulären Ereignissen nachgewiesen werden (Beyond the standard model, BSM). Andererseits suchen wir nach indirekten Signalen in Präzisionsmessungen mit dem top Quark und dem Higgs Boson. Mit Daten des LHC Run 1 wurden auch Vorhersagen der Quantenchromodynamik in Form von Messungen an Quarkonia geprüft. Im Detail:

Messungen mit dem Higgsboson

Die Entdeckung des Higgsbosons im Jahr 2012 ist bestimmt die größte Errungenschaft aus dem Run 1 des LHC [Publikationen: ATLAS, CMS]. Weiterführende Messungen seiner Eigenschaften bestätigen vorerst die Vorhersagen des SM. Handelt es sich also um das SM Higgsboson und wo können Abweichungen erwartet werden, die auf Physik jenseits des SM (BSM) hindeuten?


Über viele Phänomene im Higgssektor des SM ist noch wenig bekannt.  Ein Beispiel ist der Zerfall dieses Teilchens in ein Paar von τ Leptonen. Während des LHC Run 2 arbeitete die Gruppe daher entscheidend an der Beobachtung des H→ττ Zerfalls in CMS Daten. Obwohl der Kanal bestens für die Beobachtung von BSM Phänomenen geeignet ist, kann eine Vielzahl an Hypothesen noch nicht ausgeschlossen werden. Die Studien werden daher mit Daten des LHC Run 3 fortgeführt und verfeinert werden.

Suche nach langlebigen neuen Teilchen

Trotz der der großen Fortschritte  im Higgssektor bleiben grundlegende Fragen in der Teilchenphysik offen. Die “dunkle Materie” kann z.B. durch das SM nicht erklärt werden und liefert daher starke Motivation für Suchen nach neuen Teilchen am LHC.

Werden dabei alle Möglichkeiten in Betracht gezogen oder gibt es noch experimentelle Signaturen, die bislang nicht ausreichend erforscht wurden? Hypothetische “dunkle Sektoren” aus unbekannten Teilchen und Kräften können die dunkle Materie erklären und spannende Antworten liefern. Botenteilchen zwischen dem SM und einem dunklen Sektor können durch ihre Langlebigkeit als versetzte Zerfallsvertices detektierbar sein - eine Klasse von Ereignissen, die im SM praktisch nicht vorhanden ist. Ein plausibler Mechanismus, der einen dunklen Sektor mit dem Standardmodell solcherart verbindet, ist das sogenannte "Higgs-Portal": Higgsbosonen zerfallen darin in seltenen Fällen in noch unbekannte "dunkle Photonen", welche wiederum nach einiger Zeit in Standardmodellteilchen, zum Beispiel Myonen, zerfallen.

Die Gruppe arbeitet daher an der prominentesten solcher Signaturen: “versetzte” Myonpaaren, welche bis zu mehrere Meter vom Kollisionspunkt entfernt aus dem Zerfall der noch unentdeckten dunklen Photonen entstehen. Mit den äußersten CMS Detektorkomponenten können solche Myonen rekonstruiert und identifiziert werden.

Das Besondere dieser Suche ist die optimale Kombination der verschiedenen CMS Subdetektoren: Die inneren Siliziumdetektoren und das äußere Myonspektrometer ergänzen sich perfekt zu bestmöglicher Sensitivtät über einen weiten Versetzungsbereich der Signalmyonen.  Dazu werden drei Ereigniskategorien an Myonpaaren gebildet, je nachdem ob die Myonen nur im Myonspektrometer (STA) oder auch im Siliziumtracker (TMS) rekonstruiert werden. In unserem neuesten Resultat [link] haben wir die bislang stärksten Limits auf die Zerfallsrate des Higgsbosons in dunkle Photonen erhalten. Das Ergebnis gilt für einen weiten Bereich von Massen und Zerfallslängen der hypothetischen dunklen Photonen. Für den LHC Run III (2022-2025) arbeiten wir an der Verbesserung des CMS Triggers um die Sensitivität weiter zu erhöhen, was uns einen noch tieferen Blick ins Unbekannte erlauben wird.

 

Physik des Top Quarks

Das schwerste Teilchen im SM, das Top Quark, wurde am Vorgänger des LHC, dem Tevatron, entdeckt  [Originalpublikationen: CDF, D0]. Am LHC wurde die Produktion von Top-QuarkPaaren schon früh im Run 1 gemessen und manche seiner Eigenschaften sind bereits sehr genau bekannt. Bisher wurde allerdings keine Abweichung von den Vorhersagen des SM gefunden. Trotzdem könnten Präzisionsmessungen von Prozessen, in denen das Top-Quark beteiligt ist, ein Schlüssel zur Entdeckung von BSM Phänomenen sein.
Traditionelle Suchen jenseits des SM konzentrieren sich auf spektakuläre Ereignisse bei hohen Energien, wobei kleinere Abweichungen in kinematischen Spektren übersehen werden könnten. Viele alternative theoretische Modelle sagen Modifikationen der Kopplungen des Top Quarks an die Eichbosonen (das Z Boson oder das Photon) oder dasHiggsboson voraus, und könnten so bestätigt werden. Das Top Quark hat daher eine Sonderrolle. In Teilchenreaktionen, die Top Quarks und Bosonen erzeugen, misst man insbesondere die elektroschwachen Eigenschaften, zum Beispiel das Dipolmoment. Das Impulsspektrum des Z Bosons in Ereignissen mit einem Top Quark Paar [link] liefert das derzeit genaueste Ergebnis dieser grundlegenden Parameter. Viele Prozesse mit Top Quarks sind sehr selten und können mit zukünftigen Datensätzen noch verbessert werden. Außerdem arbeitet die Gruppe an verbessertem, modellunabhängigen Interpretationen der Wechselwirkungen des Top Quarks.

Der engste Verwandte des Z Bosons in der Teilchenfamilie des Standardmodells ist das Photon, das Lichtteilchen. Im Alltag ermöglicht es uns Sehkraft indem Photonen Energie auf die Retina unserer Augen übertragen. Die Teilchenphysik vereinheitlicht also ganz verschiedene Phänomenen, und das macht ihre Faszination aus.  Die Lichtquanten von Top Quarks aus LHC Kollisionen haben die zehn milliardenfache Energie von sichtbarem Licht und können deshalb nicht direkt "gesehen" werden.  Hier fungiert das CMS elektromagnetische calorimeter (ECAL) als Auge: Hochenergetische Photonen erzeugen im Detektormaterial Schauer von Elektronen und weiteren Photonen die man mit hoher Genauigkeit messen kann.

In einer neuen Messung des Spektrums der Photonen von Top Quarks [link, mit Erklärungen in Englischer Sprache hier], stellen wir das Standardmodell mittels einer bizarren Quanteneigenschaft auf die Probe, dem Spin: Obwohl das Top Quark, soweit wir wissen, ein Punktteilchen ist, hat es einen Drehimpuls als ob es um eine eigene Achse rotierte. Die Messung des Photonspektrums erlaubt uns Rückschluss auf die Reaktion der Top-Quark Rotationsachse auf ein externes elektromagnetisches Feld. Die entsprechenden Messgrößen heissen Dipolmomente, wobei das Standardmodell winzige numerischen Werte vorhersagt. Bei grossen Dipolmomenten würden wir hohe Photonraten bei höchsten Energien beobachten (farbige Linien im Plot) und das Standardmodell wäre widerlegt - und zwar ohne Rückgriff auf detaillierte Vorhersagen alternativer Modelle. Das Ergebnis der Messung bestätigt - wieder einmal - das Standardmodell. Damit haben wir die erste Präzisionsmessung der grundlegenden elektromagnetischen Eigenschaften des schwersten bekannten Teilchens.

Fehlende Energie

Was passiert wenn Teilchen gar nicht wechselwirken? Neutrinos können sich Lichtjahre durch Materie bewegen bevor sie in einer Kollision reagieren und daher ist ihre direkte Messung am LHC aussichtslos. Für die hypothetische dunkle Materie gilt das ebenfalls, es bleibt allerdings die Möglichkeit indirekte Messungen durchzuführen. Das Prinzip dahinter ist die Impulserhaltung in der Ebene senkrecht auf die Protonenstrahlen, die durch die Messung aller Zerfallsprodukte überprüft werden kann. Unsichtbare Teilchen führen hier zu einer scheinbaren Verletzung der Impulsbilanz. Die präzise Messung des “fehlenden” Impulses (pTmiss) ist daher grundlegend in Endzuständen mit neutrinos wie sie zum Beispiel in Zerfällen des W Bosons entstehen. Außerdem ist pTmiss die wichtigste Observable in vielen Suchen nach Supersymmetry (SUSY). Die Qualität der Messung wird maßgeblich von der Anzahl an gleichzeitig stattfindenden Kollisionen (pileup) bestimmt. Ein genaues Verständnis der Pileupeffekte in allen Detektorkomponenten erlaubt es die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, mit der ein gegebenes Event kein unsichtbares Teilchen enthält. Die Validierung dieser Observable ist ein Fokus der Gruppe [link] und erlaubt bessere SUSY Suchen. Mehr Details dazu Folgenden.

Supersymmetrie

Das  Standardmodell fasst unser derzeitiges Naturverständnis auf fundamentaler Ebene zusammen und ist sicher unter den best getesteten Theorien. Trotzdem scheint es unvollständig zu sein, da es zB. 73% der im Universum vorhandenen Materie, die dunkle Materie, nicht erklären kann [Planck 2018]. Die beobachtete Masse des Higgsbosons wirft auch Fragen auf: Die Instabilität der Masse des Higgsbosons unter Quantenkorrekturen wird als Hierarchieproblem bezeichnet. Supersymmetrie (SUSY), eine nmögliche neue Symmetrie in der Natur, kann beide Probleme lösen indem Beiträge supersymmetrischer Teilchen (“Superpartner”) die Masse des Higgsbosons stabilisieren. Unter moderaten theoretischen Annahmen folgt weiters, dass das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP) alle Eigenschaften eines Kandidaten für die dunkle Materie hat. Damit könnte die Physik auf den größten und den kleinsten Skalen vereinheitlicht werden. Der LHC mit den höchsten Kollisionsenergien ist ideal geeignet nach solchen teilchen zu suchen. Die Gruppe hat auf diesem gebiet zwei Schwerpunkte.

 

Einerseits suchen wir nach spektakulären Ereignissen mit Superpartnern der top quarks und Gluonen, den top squarks und gluinos, in Endzuständen mit einem oder zwei Leptonen. Die pTmiss Signifikanz erlaubt eine vom pileup unabhängige Selektionseffizienz. Aggressive Strategien zur Hintergrundunterdrückung erlauben es kinematische Eigenschaften in der Zerfallskette auszunutzen. Im Zweileptonkanal geschieht das mit der MT2(ll) Observable, dem ersten Ergebnis der Gruppe mit dem vollen LHC Run 2 Datensatz.


Andererseits ist es wichtig zu verstehen, ob spezielle Konfigurationen der SUSY Teilchenmassen in solchen Suchen übersehen werden können. Angenommen, der Massenunterschied zwischen dem LSP und dem zweit-leichtesten SUSY Teilchen ist klein. In diesem Fall scheitern konventionelle Strategien an den Rekonstruktionsschwellen der Zerfallsprodukte, da zu wenig kinetische Energie  zur Verfügung steht. Wenn allerdings die einlaufenden Teilchen einen hochenergetischen Jet (ISR jet) abstrahlen, dann bewirkt der Rückstoss dass die SUSY Zerfallsprodukte diese Schwellen überschreiten können. Das ist die entscheidende Idee. In Ereignissen mit ISR jets sind pTmiss und der Leptonimpuls erhöht und erlauben SUSY Modelle zu testen die anders nicht entdeckt werden können.

 

 

Interpretation

Bislang haben die Suchen von ATLAS und CMS keine Signale neuer Physik bestätigt. Supersymmetrische und andere BSM Modelle sind stark eingeschränkt und eine Vielzahl an Messungen in verschiedenen Endzuständen kartiert die TeV Skala. Wie kann diese Vielfalt in den verschiedenen theoretischen Modellen interpretiert werden? Dafür ist das SModelS Softwarepaket gemacht. Ein beliebiges BSM Modell wird dabei in einfache Zerfallstopologien zerlegt und systematisch gegen die Limits der LHC Experimente getestet. Das systematische Vorgehen erlaubt weitgefasste Interpretationen und eine rasche Identifizierung des erlaubten Parameterbereiches. 

Der nächste Schritt ist der Protomodels Algorithmus. Er führt einen “random walk” in der SModelS Datenbank durch und versucht Signale zu identifizieren die sich auf viele verschiedene Resultate verteilen aber durch kein individuelles Ergebnis identifiziert werden können. Damit kann man auch gefunden werden, wonach noch niemand gesucht hat.

Quarkonia

Die Quantenchromodynamik (QCD) ist ein integraler Bestandteil des SM und beschreibt die Dynamik der starken Kraft. Überraschenderweise zeigt die QCD bei niederen Energien keinen glatten Übergang in eine klassische Theorie. Der einhergehende Verlust an Vorhersagekraft ist milder für Bindungszustände schwerer Quarks wie dem charm und dem beauty Quark. Produktion und Zerfall in solchen “Quarkonia” Systemen können nämlich getrennt betrachtet werden. Trotz schwieriger nicht-pertubativer Effekte erlaubt die Trennung von kurz- und langreichweitigen Wechselwirkungen die Definition von Observablen die sowohl messbar als auch berechenbar sind. Der Rahmen dieser Beschreibung, und unser Forschungsgegenstand, ist die “nicht-relativistische” QCD (NRQCD). Wir benutzen Wirkungsquerschnitte der Produktion und die Polarisation von  J/Psi, chic und Psi(2S) Quarkonia um die NRQCD Vorhersagen zu testen. Dieses Projekt wurde 2016 abgeschlossen.

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