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Neuigkeiten vom FSP 103 ATLAS

Eine der wichtigsten Eigenschaften des Higgs-Bosons ist seine Kopplung an die Masse der Elementarteilchen: Durch diese Kopplungen werden die Massen dynamisch erzeugt. Für die massiven Eichbosonen W und Z wurde dieser Prozess schon experimentell nachgewiesen. Die Daten des LHC Run 2 erlauben es nun, die Kopplungen des Higgs-Bosons an die schwersten Fermionen zweifelsfrei nachzuweisen. Dies erfolgte durch das ATLAS-Experiment nun auch für das schwerste Lepton, das τ -Lepton. Signifikante Beiträge dazu lieferten die Doktorandinnen, Doktoranden und Postdocs der Gruppen in Bonn, Freiburg und Göttingen.
Die ATLAS-Kollaboration präsentiert neue umfassende Studien des Higgs-Bosons in Zerfällen in zwei Photonen mit aufgezeichneten Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV. Die Studien umfassen neue Messungen der Signalstärken des Higgs-Bosons in unterschiedlichen Produktionskanälen, sowie erste Messungen von neun vereinfachten Wirkungsquerschnitten, welche die Eigenschaften des Higgs-Bosons in unterschiedlichen Produktionstopologien untersuchen und mit den Erwartungen des Standardmodells der Teilchenphysik vergleichen. Die Studien werden mit neuen Messungen von differentiellen und doppelt-differentiellen Wirkungsquerschnitten des Higgs-Bosons und der Suche nach Beiträgen von neuen Phänomenen jenseits des Standardmodells abgerundet.
Aufgrund der sehr großen Masse des Top-Quarks ist seine sogenannte Yukawa-Kopplung an das Higgs-Boson ebenfalls besonders groß und direkt beobachtbar. Die Messung der assoziierten ttH-Produktion erlaubt es, die Yukawa-Kopplung des Top-Quarks am LHC zu bestimmen. Durch die Kombination aller möglichen, sich aus den verschiedenen Higgszerfällen ergebenden Endzuständen hat die ATLAS-Kollaboration
erstmals eine Analyse veröffentlicht, die sensitiv genug ist, eine Evidenz für die assoziierte ttH-Produktion zu beobachten. Der gemessene Produktionswirkungsquerschnitt ist im Einklang mit der Standardmodellerwartung.
Auf dem ATLAS-Kollaborationstreffen im Februar 2018 wurden die Doktorarbeiten von Philip Sommer und Markus Zinser mit dem ATLAS Thesis Award ausgezeichnet. Mit diesem Preis werden herausragende Forschungsarbeiten und Beiträge von Doktoranden der ATLAS-Kollaboration gewürdigt. In diesem Jahr wurden insgesamt fünf Auszeichnungen verliehen.
Die Frage nach der Teilchennatur der dunklen Materie ist nach wie vor unbeantwortet, wobei ihre nicht verschwindende Masse eine Wechselwirkung mit dem entdeckten Higgs-Boson nahe legt. Bei der Suche nach Prozessen, in denen die Teilchen der dunklen Materie zusammen mit dem Higgs-Boson erzeugt werden, konnte die ATLAS-Kollaboration die bisher höchste Sensitivität erreichen. Es wurden keine Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells beobachtet, wodurch stringente Ausschlussgrenzen auf solche Prozesse gesetzt werden konnten, unter anderem zum
ersten Mal in generischer Form von oberen Grenzen auf Produktionswirkungsquerschnitte bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV.
Wissenschaft braucht gute Vermittler! Aktuelle Informationen und Nachrichten vom FSP-Pilotprojekt „Spitzenforschung, Erkenntnisvermittlung und Nachwuchsgewinnung aus einer Hand“
Die großen Datensätze, die von LHC-Kollaborationen aufgezeichnet wurden, ermöglichen präzise Messungen der einzelnen Top-Quark-Produktion. So konnte die ATLAS-Kollaboration die bisher genaueste Messung der Produktion im sogenannten t-Kanal veröffentlichen. Dabei wurden sowohl inklusive als auch differentielle Wirkungsquerschnitte gemessen und das Verhältnis der Top-Quark- zur Antitop-Quark-Produktion bestimmt. Diese Messungen erlauben es, die theoretischen Vorhersagen mit hoher Präzision zu testen.
Die ATLAS-Kollaboration hat ihr Studium von Endzuständen, die drei elektroschwache Eichbosonen enthalten, ausgeweitet. Diese Analysen testen den elektroschwachen Sektor des Standardmodells und die darin beschriebene Selbstwechselwirkung der Bosonen. Vor allem die quartischen Eichkopplungen können mit Hilfe der Dreiboson-Endzustände studiert werden. Der Wirkungsquerschnitt der WWγ-Produktion in Protonenkollisionen konnte erstmals im Endzustand, der ausschließlich Leptonen und Photonen enthält, mit einer Signifikanz von 1,4 Standardabweichungen bestimmt werden. Im Kanal in dem ein schweres Eichboson hadronisch zerfällt, wurden obere Grenzen auf den WWγ- und WZγ-Produktionswirkungsquerschnitt gesetzt. Darüber hinaus wurden Auschlussgrenzen auf Anomalien der quartischen Eichkopplung bestimmt. Alle Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein und wurden nun im European Physical Journal C veröffentlicht.
Die ATLAS-Kollaboration hat starke Hinweise auf den Zerfall des Higgs-Bosons in Bottom-Quark-Paare, H → bb gefunden. Im Standardmodell der Teilchenphysik weist dieser Zerfall zwar mit etwa 58% das größte Verzweigungsverhältnis auf, kann aber aufgrund des hohen Untergrunds nur sehr schwer nachgewiesen werden. Für den Nachweis wird in entsprechenden Analysen deshalb neben dem Higgs-Boson ein weiteres Teilchen im Endzustand gefordert, im konkreten Fall ein W- oder ein Z-Boson. Für das jetzt veröffentlichte Ergebnis wurden Daten, die im letzten und vorletzten Jahr bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 13 TeV mit dem ATLAS Detektor aufgezeichnet wurden, mit Daten aus den Jahren 2012 und 2011 kombiniert. Damit konnte der Zerfall H → bb mit einer Signifikanz von 3.6σ nachgewiesen werden; die ermittelte Signalstärke von μ = 0.90 ± 0.18(stat.) +0.21 −0.19 (syst.) stimmt gut mit der Vorhersage des Standardmodells überein.
Die ATLAS-Kollaboration hat zum ersten Mal die assoziierte Produktion eines einzelnen Top-Quarks und eines Z-Bosons beobachtet. Dazu wurden Protonenkollisionen verwendet, die im Jahre 2015 und 2016 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgezeichnet worden sind. Die Analyse untersucht die Daten auf Ereignisse in welchen sowohl das Top-Quark als auch das Z-Boson in geladene, leichte Leptonen (Elektronen oder Myonen) zerfällt. Nach der Ereignisselektion und der Berücksichtigung aller Untergrundprozesse verbleiben 26 Signalereignisse, die zu einer Signalsignifikanz von 4.2σ führen. Der mit dieser Analyse gemessen Wirkungsquerschnitt stimmt gut mit der Vorhersage des Standardmodells überein.
Gemeinsamer Outreach soll Nachwuchs für Teilchenphysik sichern - Einladung zum Kick-Off-Treffen in Münster am 28.03.2017:
Seit Februar 2017 fördert das BMBF das Pilotprojekt „Spitzenforschung, Erkenntnisvermittlung und Nachwuchsgewinnung aus einer Hand“. Dabei nutzen alle vier am LHC aktiven Forschungsschwerpunkte (FSPs) gemeinsam die etablierten Outreach-Strukturen von Netzwerk Teilchenwelt und erweitern diese um ein Fellow-Programm für Studierende zur Nachwuchsgewinnung in der Teilchenphysik. Wie bisher wird so Jugendlichen der Zugang zu Forschungsdaten der Experimente ALICE, ATLAS, CMS und LHCb in einem mehrstufigen Angebot ermöglicht, angefangen von Masterclasses an Schulen bis hin zu Projektarbeiten mit ersten eigenen Forschungserfahrungen. Statt jedoch danach das Netzwerk zu verlassen, erhalten die jungen Menschen nun auch nach Studienbeginn weitere Begleitung als Fellows der FSP-Forschungsgruppen. Damit können die Gruppen in wenigen Jahren – rechtzeitig zum Upgrade der LHC-Experimente – bereits langjährig mit Teilchenphysik vertraute Studierende als Nachwuchswissenschaftler/innen willkommen heißen. Wer sich über das Projekt informieren oder mitmachen möchte, ist herzlich zum Kick-Off-Meeting in Münster am 28.03.2017 auf der DPG-Frühjahrstagung eingeladen.
Die ATLAS-Kollaboration hat Prof. Dr. Karl Jakobs vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg zu ihrem neuen Sprecher gewählt. Karl Jakobs hat damit ab dem 1. März 2017 für zwei Jahre die Leitung des ATLAS-Experiments inne und steht an der Spitze einer der größten Forschungskollaborationen der Welt mit etwa 3.000 Physikerinnen und Physiker aus 182 Instituten und 38 Ländern. Das ATLAS-Experiment ist eines von vier Großexperimenten am Large Hadron Collider, LHC, am Europäischen Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik CERN in Genf/Schweiz. Dort untersuchen Forscherinnen und Forscher grundlegende Fragen zur Physik der kleinsten Teilchen. Zu ihren bislang größten Erfolgen zählt die Entdeckung des Higgs-Teilchens, welche die ATLAS-Kollaboration zusammen mit der CMS-Kollaboration im Jahr 2012 bekannt gab.
Das ATLAS Experiment präsentierte nach fünfjähriger Arbeit die erste Präzisionsmessung der W-Boson-Masse am LHC. Die vorhergesagte W-Boson-Masse im Standardmodell hängt insbesondere von der Top-Quark-Masse und der Masse des Higgs-Bosons ab. Mit einer genauen Messung im Vergleich zum vorhergesagten Wert kann folglich die Selbstkonsistenz des Standardmodells getestet werden. Die neue ATLAS-Messung resultiert in einer W-Boson-Masse von 80370 ± 19 MeV und erreicht somit die gleiche Genauigkeit wie die bisher beste Messung am Tevatron-Beschleuniger. Das Ergebnis ist in guter Übereinstimmung mit der Vorhersage des Standardmodells.
Die International Masterclasses haben in den letzten Jahren bewiesen, dass der Umgang mit experimentellen Originaldaten aus Experimenten der Hochenergiephysik für Schüler motivierend und besonders spannend ist. Um solche Programme zu fördern und auch um Praktika im Universitätsbereich realisierbar zu machen, hat die ATLAS-Kollaboration einen Teil der im Jahr 2012 bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV aufgenommenen Daten im Rahmen des ATLAS Open Data Projekts veröffentlicht. Zusätzlich werden simulierte Daten bereitgestellt, welche Standardmodellprozesse und ausgewählte Prozesse neuer Physik umfassen. Begleitend dazu wird Software angeboten, die einen Startpunkt zur Erkundung der Daten und für eigene Entwicklungen darstellen kann. Ein erster auf den veröffentlichten Daten basierender Praktikumsversuch wurde an der TU Dortmund entwickelt und wird eingesetzt um Studenten fundamentale Konzepte der Datenanalyse zu vermitteln.
Seit Oktober hat ATLAS-D neue Convener für die sechs Physik-Gruppen zur Koordination der Analysen in Deutschland. Die erfahrenen Forscher werden in den nächsten zwei Jahren als zentrale Kontaktpersonen in den Bereichen Standard Modell, Top Physik, B-Physik, Higgs Physik, SUSY und Exotics Suchen fungieren.
Eine präzise Messung des differentiellen Wirkungsquerschnitts des sogenannten Drell-Yan Prozesses Z/γ → l+l- in Proton-Proton-Kollisionen liefert bei hohen invarianten Dilepton-Massen (116 GeV < mll < 1500 GeV) wichtige Informationen über die Quarkverteilungen im Proton, insbesondere für große Werte der Bjorkenvariable x. Bei hohen invarianten Dilepton-Massen spielt zudem ein von Photonen induzierter Beitrag eine wichtige Rolle (γγ → l+l-), der Rückschlüsse über die wenig bekannte Photonverteilung (Photon-PDF) im Proton zulässt. Der ATLAS Kollaboration ist es gelungen in diesem Bereich präzise doppelt-differentielle Wirkungsquerschnitte als Funktion der invarianten Masse und der Rapidität des Lepton-Paares (bzw. der Pseudorapiditätsdifferenz der beiden Leptonen) zu messen. Hierfür wurden Daten der ATLAS Kollaboration verwendet, die bei einer LHC-Schwerpunktsenergie von √s = 8 TeV aufgenommen wurden.
Ein interessantes Proton-Proton-Kollisionsereignis am LHC ist durch die “harte” Streuung zweier Partonen (Quarks oder Gluonen) charakterisiert, die Teilchen mit hohem transveralimpuls produzieren. In einem solchen Streuereignis finden aber auch weitere Parton-Parton-Streuungen statt, die zusätzliche Teilchen erzeugen. Man spricht auch vom sogenannten “Underlying Event”, das sich nicht vom harten Streuereignis trennen lässt. Die Effekte des “Underlying Event” können in der Simulation einer Proton-Proton-Kollision nur durch Modelle beschrieben werden, die an die Daten angepasst werden müssen. Die ATLAS-Kollaboration hat eine Datenanalyse vorgestellt, die es erlaubt, die Eigenschaften des “Underlying Event” mit neuen Meßgrößen zu untersuchen. Die Resultate werden helfen, die Simulationsmodelle für das “Underlying Event” zu verbessern. Die Analyse hat erfolgreich eine neue Methode angewendet, um den Effekt von zusätzlichen Proton-Proton-Streuungen in der selben Begegnung der Protonpakete zu korrigieren.
Der ATLAS Kollaboration ist es gelungen, die Masse des Topquarks (mtop ) im Zwei-Lepton Zerfallskanal von Topquarkpaaren (tt→ νl νl bb) zum ersten Mal mit einer Präzision von unter 1 GeV zu messen. Das Resultat aus den √s = 8 TeV Proton–Proton Daten von 2012 ist mtop = 172.99 ± 0.41 (stat) ± 0.74 (syst) GeV, mit einem Gesamtfehler von 0.84 GeV. Die Kombination mit den Messungen aus den √s = 7 TeV Daten im Lepton+Jets (tt → ν qq' bb ) und Zwei-Lepton Kanal ergibt mtop = 172.84 ± 0.34 (stat) ± 0.61 (syst) GeV, also einen Gesamtfehler von 0.70 GeV.
Im Laufe des Jahres 2015 wurde in der ATLAS-Kollaboration zum ersten Mal ein Algorithmus zur Rekonstruktion der einzelnen Zerfallsprodukte jedes hadronisch zerfallenden Tau-Leptons zur Einsatzreife entwickelt. Dies führt zu einer signifkanten Verbesserung von Energie- und Richtungsaufösung des sichtbaren Tau-Leptons. Damit gehen mehrere Vorteile einher, die vorher nicht zugänglich waren: Zum einen verbessert sich die Sensitivität von Suchen und bestehenden Analysen, wenn das Higgs-Boson besser von Untergrundprozessen unterschieden werden kann. Und zum anderen eröffnet es ganz neue Möglichkeiten, z.B. zur Bestimmung des CP-Mischungswinkels des Higgs-Bosons in fermionischen Zerfällen.
In einer neuen Analyse der ATLAS-Kollaboration wurden zum ersten Mal systematisch die Effizienzen verschiedener Top-Tagging-Methoden doppelt-differentiell als Funktion der Pseudorapidität und des Transversalimpulses des betrachteten breiten Jets (fat jet) gemessen. Diese Ergebnisse sind für Suchen nach neuer Physik und Messungen von Standardmodell-Prozessen mit hochenergetischen Top-Quarks relevant.
Auf dem ATLAS-Kollaborationstreffen im Februar 2016 werden mit Ruth Pöttgen und Nils Ruthmann zwei Promovierende des FSP-ATLAS mit dem ATLAS Thesis Award ausgezeichnet. Mit diesem Preis werden herausragende Doktorarbeiten und Beiträge zur Kollaboration gewürdigt. In diesem Jahr werden insgesamt vier Auszeichnungen verliehen, eingegangen waren 33 Nominierungen.
Als erstes Experiment weltweit hat ATLAS die elektroschwache Produktion einzelner Top-Quarks in Proton-Proton-Stößen im sehr seltenen s -Kanal beobachtet, in dem Top-Quarks über die Annihilation eines Quarks und eines Antiquarks in ein W-Boson erzeugt werden. Das Signal wurde in Ereignissen mit einem Lepton, zwei b-Jets und fehlender Energie nachgewiesen. Nach Subtraktion aller Untergrundprozesse verbleiben etwa 500 Signalereignisse, entsprechend einer Signifikanz von mehr als drei Standardabweichungen. Die gemessene Reaktionsrate stimmt sehr gut mit der Vorhersage des Standardmodells der Elementarteilchenphysik überein. Dies komplettiert den Nachweis aller drei im Standardmodell erwarteten Produktionskanäle für einzelne Top-Quarks und eröffnet neue Perspektiven für den Test des Standardmodells in kombinierten Analysen.
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