Untersuchung der Standardmodell-Wechselwirkungen

Bei den hohen Energien und der hohen Luminosität der Kollisionen am LHC kann das Standardmodell der Teilchenphysik auf zwei Arten getestet werden: durch die Vermessung sehr häufiger Prozesse, wie Jet-Produktion oder die Erzeugung von W- oder Z-Bosonen, mit hoher Präzision oder durch die erstmalige Messung seltener Wechselwirkungen. Beide Arten von Messungen sind wichtig, um das Standardmodell unter verschiedensten Bedingungen zu testen. Jede Abweichung einer Messung von der Standardmodellvorhersage wäre ein wichtiger Indikator dafür, dass das Standardmodell erweitert werden muss. Die FSP ATLAS-Gruppen sind auf beiden Gebieten aktiv und arbeiten an verschiedensten Themen; von der Präzisionsmessung der Drell-Yan Z-Boson-Produktion bei hohen invarianten Massen bis hin zur ersten Beobachtung von sehr seltenen Wechselwirkungen wie Photon-Photon-Streuung.

Ein Beispiel für die Präzisionsmessung eines häufigen Prozesses ist die Messung der W-Bosonmasse in Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV, die Ende 2016 veröffentlicht wurde. Anders als die Masse des Z-Bosons, die am Elektron-Positron-Kollider LEP mit einer Praezision von 0.002% bestimmt wurde, ist die W-Bosonmasse nur mit 0.02% Genauigkeit bekannt. Die neue Messung des ATLAS Experiments profitiert von dem sehr grossen Datensatz, der am LHC erzeugt wurde und der bereits 10-mal so gross ist wie die Datensätze bisheriger Kollider. Für die neue Messung wurden zusätzlich Ereignisse mit Z-Bosonen verwendet, um systematische Detektorunsicherheiten einzuschränken und zu minimieren. Dies verbessert die Präzision der Messung wesentlich. Das Ergebnis für die W-Bosonmasse ist in Übereinstimmung mit vorherigen Messungen, wie in der nachfolgenden Abbildung ersichtlich ist.


Vergleich der von ATLAS gemessenen W-Bosonmasse mit den Messungen anderer Experimente an früheren Beschleunigern und der indirekt bestimmten W-Bosonmasse aus einem globalen elektroschwachen Fit, der jüngste Messungen (Stand Anfang 2017) der top-Quark- und Higgs-Bosonmasse von ATLAS und CMS verwendet.



Ein Beispiel eines seltenen Prozesses, der am LHC zum ersten Mal zugänglich ist, ist die Vektorboson-Streuung (VBS). Die Messung dieses Prozesses ist ein wichtiger Test des Standardmodells, da sie den Mechanismus der elektroschwachen Symmetriebrechung untersucht. In einer Veröffentlichung vom November 2016 wurden Ereignisse mit zwei W-Bosonen und zwei Jets analysiert. Diese Selektion ist sensitiv auf Ereignisse, in denen die zwei einlaufenden Quarks der Proton-Proton-Kollision jeweils ein W-Boson abstrahlen. Die beiden auslaufenden Quarks dieser Reaktion werden als Jets im Detektor beobachtet, während die zwei W-Bosonen über einen Dreier- oder Vierer-Eichvertex aneinander streuen. Das Standardmodell macht sehr konkrete Vorhersagen für die Rate dieses Prozesses, sodass jede beobachtete Abweichung des Wirkungsquerschnittes einen Hinweis auf neue Physik darstellen würde. Der Wirkungsquerschnitt der Vektorboson-Streuung wurde zum ersten Mal mit einer Signifikanz von 4.5 σ gemessen und ist konsistent mit der Standardmodellvorhersage. Die untenstehende Abbildung verdeutlicht, wie extrem klein die Rate dieses gemessenen Prozesses ist. Die Ergebnisse der Vektorboson-Streuung befinden sich in der unteren rechten Ecke der Abbildung.


Gemessene Wirkungsquerschnitte verschidener Standardmodell Prozesse und deren theoretische Erwartungen.


Wesentlich zum Erfolg der bisherigen und laufenden Messungen des Standardmodells beigetragen haben unter anderem die Arbeitsgruppen der Universitäten und Forschungseinrichtungen: HU Berlin, Bonn, DESY, Dresden, Freiburg, Gießen, Göttingen, Heidelberg, Mainz, LMU und MPP München, Tübingen, Wuppertal und Würzburg.


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