Das Standardmodell der Teilchenphysik, welches die Wechselwirkungen zwischen den fundamentalen Teilchen (Leptonen und Quarks) mittels der Austauschteilchen (W-Boson, Z-Boson, Photon, Gluonen) beschreibt, ist mit der kuerzlich erfolgten Entdeckung des Higgs-Bosons durch die ATLAS und CMS Kollaborationen am Large Hadron Collider (LHC) am CERN komplett (siehe Abbildung). Es beschreibt alle beobachteten subatomaren Prozesse und ist die am genauesten getestete Theorie.

Dennoch bleiben offene Fragen, z.B. die Natur der dunklen Materie, welche bisher nur indirekt durch ihre Gravitationswechselwirkung nachgewiesen wurde, die aber zur Gesamtmasse des Universums deutlich mehr (~25 %) beitraegt als die vom Standardmodell (~5%) beschriebene (und von uns „verstandene“ !) Materie (siehe Abbildung). Auch stellt sich die Frage, ob eine Vereinheitlichung der elektroschwachen und der starken Kraft moeglich ist („Grand Unified Theory“), aehnlich wie zuvor schon die elektromagnetische und die schwache Kraft zur elektroschwachen Kraft zusammengefasst werden konnten. Ein Vereinheitlichung aller Kraefte, eine sogenannte „Theory of Everything“ scheitert schon daran, dass die Gravitationskraft gar nicht im Rahmen des Standardmodells beschrieben werden kann.

Es gibt sehr viele neue Theorien zu obigen Fragen, aber zur Zeit keine gravierenden Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Experimente und den Vorhersagen des Standardmodells, und daher auch keinen Hinweis welche Theorie plausibler ist. Viele Theorien sagen jedoch neue schwere Teilchen voraus, welche den LHC mit seinen nie dagewesenen Strahlenergien zum idealen Ort fuer die Suche nach neuer Physik machen. Die Wuppertaler Gruppe beteiligt sich intensiv an der Analyse der Daten des ATLAS-Experiments am CERN im Hinblick auf die Suche nach neuer Physik. Es wird dabei nach Abweichungen zwischen den gemessen Daten und der Erwartung in bestimmten Verteilungen gesucht, wobei die Erwartung z.B. aus Monte-Carlo Simulationen der uns bekannten Prozesse stammt. Neue Teilchen zerfallen typischerweise sehr schnell in uns bekannte Teilchen. Diese Zerfallsprodukte koennen wir mit dem ATLAS Detektor messen und im Idealfall damit das neue Teilchen rekonstruieren. Ein einfaches und recht anschauliches Beispiel bietet hier die Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012, die dann schon 2013 mit dem Nobelpreis fuer Physik fuer die Vorhersage belohnt wurde. Abbildung 3 zeigt die Masse eines hypothetischen Teilchens wenn es in zwei Photonen zerfallen wuerde. In den Kollisionen am LHC entstehen sehr viele Photonen, so dass die meisten Paare in Wirklichkeit gar nicht aus dem Zerfall desselben Teilchens stammen und zu einem zufaelligen verteilten Untergrund (Background, blaue Linie) fuehren. Wie sich in der Animation zeigt bildete sich jedoch in den ATLAS Daten der Jahren 2011 und 2012 ein kleiner „Peak“ ueber dem zufaelligen Untergrund, das Higgs-Boson war entdeckt!

Die meisten Suchen nach neuer Physik sind etwas komplizierter, aber es geht letztlich immer darum Abweichungen in den Daten im Vergleich zur Erwartung zu finden. Die Wuppertaler Gruppe konzentriert sich momentan auf die Suche nach:

• schweren Quarks mit speziellen Eigenschaften (vektor-artige Quarks)

• supersymmetrischen Teilchen (supersymmetrische Partner des top-Quarks, genannt „stop“)

• bisher nicht beobachteten Zerfaellen des top-Quarks (flavor changing neutral currents, FCNC)

• der Produktion von dunkler Materie zusammen mit einem top-Quark

[Autor: Dr. Frank Ellinghaus]