BMBF-Forschungsschwerpunkt ErUM-FSP T03

Im BMBF-Verbundprojekt CMS arbeiten die RWTH Aachen, die Universität Hamburg, das KIT Karlsruhe, die Universität Münster, sowie das DESY (als assoziiertes Mitglied) zusammen an der Erforschung der kleinsten Teilchen mit dem CMS-Detektor am LHC-Beschleuniger des CERN. Unsere Arbeitsgebiete sind:

  • Betrieb des CMS-Detektors,
  • Analyse der CMS-Daten, insbesondere in den Bereichen Higgs-Physik, Top-Physik, neue Physik,
  • Detektor-Upgrades, mit Schwerpunkten auf dem Pixel- und Spurdetektor und den Myonkammern,
  • begleitende theoretische Studien und Rechnungen.

Auf den folgenden Seiten finden Sie Informationen zum Profil des Verbundprojekts, zu den beteiligten Instituten und Gruppen, sowie zu den Forschungsschwerpunkten.

Neueste Meldungen:


Installation der Muon-Kammern des Typs GE1/1 mit deutscher Beteiligung erfolgreich abgeschlossen (20.11.2020)

Mit dem Abschluss der Installation der Myon-Kammern in der sogenannten GE1/1-Station im September 2020 hat CMS einen wichtigen Meilenstein erreicht. Zusammen mit der ME0-Station und der GE2/1-Station ist die GE1/1-Station Teil des Muon-Upgrades für den High Luminosity LHC. Das Myonsystem von CMS ist komplex und besteht bisher aus drei Arten von Gasdetektoren. In den Endkappen werden im Rahmen des Phase-2 Upgrades zusätzliche Kammern im Vorwärtsbereich installiert, um eine exzellente Myon-Identifikation und Transversalimpuls-Auflösung auch unter erschwerten Bedingungen (z.B. höhere Teilchenraten) zu gewährleisten. In der Schnittzeichnung oben sind die neuen Detektorsysteme, also ME0, GE1/1, und GE2/1, in orange und rot eingezeichnet. Während die Kammern für ME0 und GE2/1 erst im Long Shutdown 3 (2025-2027) installiert werden, wurden die GE1/1-Kammern schon im laufenden Long Shutdown 2 eingebaut.

Copyright: CERN

Die Myonkammern in GE1/1 beruhen auf dem Gas Electron Multiplier (GEM)-Prinzip. Hierbei befinden sich in der gasgefüllten Kammer sehr dünne, mit Kupfer beschichtete Kunststoff-Folien, die mit mikroskopischen Löchern (50µm Durchmesser) versehen sind. Die zur Gasverstärkung benötigte Hochspannung wird nur über die Foliendicke angelegt, und in den Löchern bildet sich lokal ein hohes elektrisches Feld aus. Eine hohe Verstärkung kann so mit relativ niedrigen Spannungen erzielt werden, wodurch die häufig in Gasdetektoren auftretenden Probleme von Entladungen vermieden werden. Die in GE1/1 benutzen Detektoren haben drei GEM-Folien übereinander.

Ingesamt wurden 144 Kammern von einem Konsortium bestehend aus CERN und Instituten aus Belgien, Deutschland, Indien, Italien, Pakistan und der USA gebaut. Das III. Physikalische Institut A der RWTH Aachen beteiligte sich unter der Leitung von Prof. Thomas Hebbeker insbesondere an der Qualifikation der Kammern. So wurden 21 Kammern in Aachen wichtigen Tests unterzogen. Dies beinhaltete einen Test auf Gasdichtigkeit, eine Prüfung, ob die Kammern die angelegte Hochspannung halten, sowie die Bestimmung der Gasverstärkung. Außerdem beteiligten sich Physiker von der RWTH Aachen an Messungen von kosmischen Myonen mit einem Teststand am CERN.

Während nun die GE1/1-Kammern im CMS-Detektor in Betrieb genommen werden müssen, wird gleichzeitig der Bau der ME0- und GE2/1-Kammern vorbereitet. Die Physiker der RWTH Aachen beteiligen sich hier unter anderem mit Alterungsstudien, bei denen die Detektoren mit Röntgenstrahlung bestrahlt werden und ihre Funktionalität überwacht wird.

Nachruf (18.10.2020):
Prof. Dr. Willem de Boer (11.02.1948 – 13.10.2020)

It is with great sadness that we have to inform you about the unexpected passing of our dear colleague and friend Prof. Dr. Willem (“Wim”) de Boer on October 13, at the age of 72.

Wim was born on the 11th of February 1948 in Steenwijkerwold, the Netherlands. He studied physics at the University of Delft and graduated in 1974 on the subject of “Dynamic Orientation of Nuclei at Low Temperatures”, giving the foundation of polarized targets in High Energy Physics. He was awarded a CERN Fellowship, before leaving to the University of Michigan, Ann Arbor. As a postdoc of U. Michigan he worked on polarized proton-proton scattering at the ANL synchrotron and found an unexplained difference in the cross sections for parallel and antiparallel spins. Maybe this mystery influenced his scientific path – investigating unexplained processes in Nature.

In 1975, Wim moved on to the Max Planck Institute for Physics in Munich where he stayed, interrupted by a short intermezzo at SLAC in 1987, for 14 years, until he was attracted to a professorship at the University of Karlsruhe (now Karlsruhe Institute of Technology). In Munich he joined the team working on the CELLO experiment at DESY. His responsibility for the Data Acquisition System lead to a paper by him in 1981 with the title “Distributed Intelligence at CELLO”, which still sounds quite topical these days. But the CELLO years were also instrumental for precision studies of QCD, out of which the triple gluon coupling on the one hand and the running of the strong coupling constant on the other emerged – a subject Wim has been pursuing ever since.

Following his appointment to a professorship at Karlsruhe in 1989, Wim created research groups at the LEP experiment DELPHI, at the experiment AMS II on the International Space Station, and he coordinated a group at the CMS experiment at the CERN LHC. Having studied the running of the coupling constants of the weak, electromagnetic and strong interactions, Wim has found, together with U. Amaldi and H. Fürstenau, that these were only to meet in a unified way at high energies if yet another kind of symmetry existed in Nature: Supersymmetry (SUSY). This was published in the seminal paper “Comparison of grand unified theories with electroweak and strong coupling constants measured at LEP“, and led to the expectation that a new energy domain would open up at the TeV scale with the lightest SUSY particle constituting Dark Matter in our Universe. The paper has been cited almost 2000 times.

To each of the above mentioned experiments mentioned, Wim has contributed with a multitude of ideas, studies and publications. In doing so, Wim was driven by the ONE big question: “Where is Supersymmetry?”. He looked for signals of Dark Matter at the lowest energies in our galaxy (in the form of annihilation signals of Weakly Interacting Massive Particles), at signals from direct production at LEP and at the LHC, and in anomalous decay modes of bottom mesons. A large conference organized by Wim 2007 in Karlsruhe was devoted to this research field.

Reviewing all experiments Wim has contributed to in his almost 50 years of scientific work, it is our belief that he was most fascinated by AMS II. Not only did he and his group contribute an electronic readout system to the detector, he also saw it take off from Cape Canaveral with the penultimate Space Shuttle flight in 2011, celebrated by the visit of the whole crew of astronauts in Karlsruhe in December 2011.

Last not least, Wim has developed sophisticated particle detectors for all the named experiments and studied their performance in magnetic fields and high radiation backgrounds. Wim has worked with detectors using gases, liquids, silicon and diamonds. And he investigated their use for medical and technical application. His last R/D effort began only a few weeks ago: the development of a novel cooling system for high density batteries.
With Wim’s passing, our field has lost a great all-round physicist with unparalleled creativity and diligence, with a warm collegiality and a very characteristic dry humour. Well aware of his rapid illness, his last words to his family were: “Hij gaat nog niet, want hij heeft nog zoveel ideeën!”. We will miss him deeply.

Our heartfelt sympathy goes out to Wim's family.

For the members of the Institut für Experimentelle Teilchenphysik and of the Faculty of Physics at KIT,
Guido Drexlin, Thomas Müller

Karlsruhe, 15th of October 2020

Evidenz für H → µµ (18.10.2020)

Anlässlich der Evidenz für den Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Myonen haben wir ein Interview mit Oliver Rieger von der Universität Hamburg geführt. Herr Rieger hat im Rahmen seiner Promotion direkt zu diesem wichtigen Resultat beigetragen.

Hier geht es zum Interview: Link

Jahrestreffen der deutschen CMS-Gruppen mit Rekordbeteiligung (4.10.2020)

Vom 23.-25.9.2020 fand das Jahrestreffen des deutschen CMS-Gruppen statt. Aufgrund der Covid-19-Pandemie konnte das Treffen leider nicht, wie geplant, in Aachen abgehalten werden, sondern fand ausschließlich "online" statt. Mit 152 Teilnehmern und 131 Vorträgen war die Beteiligung jedoch trotz, oder vielleicht sogar wegen, des ungewöhnlichen Formats hoch wie nie.

Die Begrüßungsfolie von Prof. Alexander Schmidt.

Das Treffen begann am 23.9. mit einer Plenarsitzung. Nach der Begrüßung durch den Tagungsleiter, Prof. Alexander Schmidt (III. Physikalisches Institut A, RWTH Aachen) fasste der Sprecher der deutschen CMS-Gruppen, Prof. Lutz Feld (I. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen) den Stand des Forschungsschwerpunkts zusammen. Als Vertreter vom Projektträger DESY und damit des BMBF erläuterte Dr. Wolfgang Ehrenfeld die Fördermaßnahmen. Prof. Bussmann vom Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf stellte das CASUS-Institut vor, welches vor kurzem die CMS-Familie als assoziiertes Mitglied bereichert hat. Der inhaltliche Schwerpunkt lag dieses Mal auf der Higgs-Physik, wo neueste Erkenntnisse aus Theorie (Prof. Gudrun Heinrich, KIT) und Praxis (Dr. Luca Mastrolorenzo, RWTH Aachen) diskutiert wurden. Höhepunkt des ersten Tages war der CMS-Statusbericht von Prof. Luca Malgeri, dem Sprecher der internationalen CMS-Kollaboration. Prof. Malgeri betonte die wichtigen Beiträge, welche von den deutschen Gruppen in allen Bereichen von CMS geleistet werden.

Der 24.9. war dann komplett den Parallelsitzungen gewidmet. Die Parallelsitzungen deckten die Themen Top-Physik, Higgs-Physik, Standard-Modell und QCD, Physik jenseits des Standardmodells, Computing und moderne Analysemethoden, sowie Detektorentwicklung und -kalibration ab. Zusätzlich gab es eine gemeinsame Top+Higgs-Session. In den Parallelsitzungen haben insbesondere die Studierenden und Promovierenden die Gelegenheit, ihre Arbeit vorzustellen, Kontakte zu knüpfen, und sich einen Überblick über die Aktivitäten in den Gruppen des FSPs zu verschaffen.

1. Platz: Jonas Rübenach (DESY).
Das Bild zeigt einen Siliziumsensor des CMS Fast-Beam-Conditions-Monitors, der im Reinraum zum Testen über Nadeln an Präzisionsmultimeter angeschlossen ist.

Den Abschluss bildete eine weitere Plenarsitzung am 25.9. Die Session wurde mit einem spannenden Gastvortrag von Prof. Stefan Hild von der Maastricht University zum Thema Gravitationswellen eröffnet. Nach einem Bericht zur Kalibration des CMS-Detektors von Dr. Andreas Hinzmann (Universität Hamburg) berichtete Dr. Frank Hartmann (KIT), amtierender CMS-Upgrade-Coordinator, über den Stand des Phase-2 Upgrade des CMS-Detektors. Abgerundet wurde das Programm durch einen Ausblick auf das Computing während der High Luminosity LHC Phase, und die damit einhergehenden Herausforderungen (Dr. Danilo Piparo, CERN).

In seinem Close-out-Vortrag verkündete Prof. Feld dann die drei ersten Plätze des erstmalig durchgeführten Photo-Wettbewerbs. Mit 27 eingereichten Photos war der Wettbewerb ein großer Erfolg. Der Wettbewerb soll daher auch nächstes Jahr wieder durchgeführt werden. Das Gewinner-Photo ist oben zu sehen.

Falls es die Umstände zulassen, wird das Jahrestreffen 2021 in Aachen stattfinden.

Weitere Informationen: Link zum Photo-Wettbewerb

Wichtige Leitungspositionen an DCMS-Physiker vergeben (2.9.2020)

Mehrere Leitungspositionen für Arbeitsgruppen in der internationalen CMS-Kollaboration wurden für die nächste Periode von 2 Jahren an Physiker aus dem CMS-Verbund vergeben.

Prof. Dr. Gregor Kasieczka, Universität Hamburg.

Prof. Dr. Gregor Kasieczka wird die neu gegründete Arbeitsgruppe zu "Machine Learning" leiten (Level 2). Dr. Kasieczka ist Junior-Professor an der Universität Hamburg und leitet eine Emmy-Noether-Gruppe. Er arbeitet mit seiner Gruppe an mehreren Themen zur Physikanalyse, und forscht auf dem Gebiet des Machine Learnings (ML), wo er z.B. das Tagging von Top-Quarks durch neue intelligente ML-Methoden verbessert. Die neu gegründete ML-Arbeitsgruppe ist zwischen "Offline & Computing" einerseits und "Physics" andererseits angesiedelt, und soll unter anderem die Integration von ML-Software in die CMS-Software-Umgebung koordinieren, die Nutzung von ML-Techniken in CMS überwachen, und generell die Nutzung von ML-Techniken in CMS durch Beratung und Training stärken.

Dr. Luca Mastrolorenzo, RWTH Aachen

Dr. Rainer Mankel, DESY.

Im Bereich Higgs-Analyse wurden zwei Level 3-Leitungspositionen an DCMS-Physiker vergeben. Dr. Luca Mastrolorenzo vom III. Physikalischen Institut A ist neuer Leiter der "H --> bb Gruppe", welche alle Analysen, in welchen das Higgs-Teilchen in zwei bottom-Quarks zerfällt, koordiniert. Dr. Rainer Mankel vom DESY wird die Arbeitsgruppe "Extended Higgs Sectors" koordinieren. In dieser Arbeitsgruppe finden Suchen nach zusätzlichen Higgs-Bosonen im Rahmen von Modellen mit einem erweiterten Higgs-Sektor ihren Platz, sowie die resonante Produktion von zwei Higgsteilchen (HH) oder einem Higgs-Teilchen mit einem anderen Teilchen (HX).

Im Bereich "Exotics" wurde Dr. Saranya Ghosh, ebenfalls vom III. Physikalischen Institut A, Leiterin der "Non-hadronic-Gruppe". Diese L3-Arbeitsgruppe zeichnet verantwortlich für viele Suchen nach neuer Physik mit Endzuständen, die Leptonen und/oder Photonen enthalten.

Dr. Katarzyna Wichmann vom DESY wird die L3-Gruppe zu "Standard Model Combinations" leiten. Diese Gruppe ist unter anderem zuständig für die Kombination verschiedener Kanäle in Standard-Modell-Analysen, als auch für die Kombination entsprechender Anaysen mit solchen von anderen Experimenten.

Im Bereich der Top-Physik wird Dr. Olaf Behnke, DESY, die Untergruppe "Top-ttX" leiten, welche sich um die Messung von Wirkungsquerschnitten in Prozessen mit Top-Quarks kümmert, wobei auch andere Teilchen (X) zusätzlich zu den Top-Quarks produziert werden können. Auch die Suche nach neuer Physik in Abweichungen von der Erwartung z.B. in differentiellen Verteilungen in Top-Quark-Ereignissen gehört zum Mandat dieser Arbeitsgruppe.

Zwei Arbeitsgruppen im Bereich "Physik-Objekte" (POG) werden ebenfalls von Kollegen vom DESY geleitet werden. Andrea Cardini zeichnet verantwortlich für die Gruppe zur Tau-ID, welche sich mit der Identifikation von Tau-Leptonen befasst. Sebastian Wuchterl wird Convener der BTV-HLT-Gruppe. Diese beschäftigt sich unter anderem mit der Implementierung des Taggings von b-Quarks auf dem High Level Trigger.

Schließlich wird Sam Kaveh (DESY) im Rahmen der Gruppe "Physics Data And Monte Carlo Validation (PdmV)" für die Untergruppe zur Enwicklung von Software-Werkzeugen verantwortlich sein (Development of Tools).

Wir gratulieren allen Kollegen und wünschen ihnen viel Erfolg für die neue Aufgabe!

Deutsche CMS-Gruppen liefern wichtige Beiträge zu internationalen ICHEP2020-Konferenz (6.8.2020)

Vom 28.7. bis zum 6.8. fand die „40th International Conference on High Energy Physics“, kurz ICHEP, statt. Diese wichtige Konferenz wird alle zwei Jahre durchgeführt, und deckt inhaltlich alle Bereiche der Teilchenphysik ab. Die ICHEP sollte dieses Jahr in Prag stattfinden; durch die Pandemie-Situation war leider nur eine Online-Durchführung möglich. Trotz der ungewohnten und schwierigen Bedingungen konnte die ICHEP mehr als 3000 Teilnehmer aus 67 Ländern verbuchen. Über einen Zeitraum von 8 Tagen wurde zahlreiche Plenar- und Parallelsitzungen sowie Poster-Sessions abgehalten.

Viele Physiker und Physikerinnen der deutschen CMS-Gruppen nahmen an der ICHEP-Konferenz teil, sei es als Zuhörer, als Sprecher oder als Poster-Presenter. Insgesamt steuerten die Gruppen von der RWTH Aachen, dem KIT, der Universität Hamburg und dem DESY 14 Vorträge und 3 Poster bei. Hierbei wurde ein breites Portfolio von Themen abgedeckt: angefangen vom Detektor-Upgrade (z.B. Phase-2 Upgrade des Spurdetektors), über die Detektor-Kalibration (z.B. Tracker Alignment) und die Rekonstruktion der Daten (z.B. neue Techniken zum Taggen von Jets) bis hin zur Datenanalyse (z.B. Suche nach neuer Physik in Endzuständen mit Leptonen). Darüber hinaus haben die deutschen Gruppen zu zahlreichen Resultaten, die auf der ICHEP-Konferenz präsentiert wurden, direkt beigetragen.

Verteilung der invarianten Masse der zwei Myonen. Bei der Masse des Higgs-Teilchens von etwa 125 GeV wird ein Überschuss über den Untergrund beobachtet.

Ein Highlight der Konferenz war der Nachweis des Zerfalls des Higgs-Bosons in zwei Myonen. Die Teilchen (Fermionen, also Leptonen und Quarks) des Standardmodells der Teilchenphysik bilden 3 Generationen, die sich nur in ihrer Masse unterscheiden. Die erste Generation ist am leichtesten und die dritte am schwersten. Die Kopplung des Higgs-Bosons an andere Teilchen hängt von deren Masse ab; je größer die Masse, je stärker die Kopplung. Aus diesem Grund war bisher nur die Kopplung an Teilchen der dritten Generation (tau-Lepton, t-Quark, b-Quark) nachgewiesen. Nun ist es zum ersten Mal gelungen, die Kopplung an ein Teilchen der zweiten Generation, das Muon, welches z.B. in der Höhenstrahlung vorkommt, nachzuweisen. Die beobachtete Signifikanz beträgt 3 Sigma, was in der Teilchenphysik als „Evidenz“ gewertet wird (eine „Beobachtung“ darf erst bei einer Signifikanz von 5 Sigma verkündet werden). Die Analyse ist sehr schwierig, da wegen der kleinen Kopplung nur wenig Signalereignisse erzeugt werden. Verschiedene Produktionskanäle für Higgs-Bosonen wurden ausgenutzt. Ein wichtiger Kanal, in welchem ein Higgs-Boson zusammen mit zwei Top-Quarks erzeugt wird, wurde von Jan-Oliver Rieger von der Universität Hamburg im Rahmen seiner Doktorarbeit bearbeitet. Die gemessene Kopplung des Higgs-Teilchens an Myonen stimmt mit der Erwartung aus dem Standardmodell im Rahmen der Unsicherheit überein.

Die Higgs-Kopplung an verschiedene Teilchen als Funktion von deren Masse. Der grüne Punkt zeigt die neue Messung, welche der Erwartung (blau gestrichelte Linie) im Rahmen der Messunsicherheit entspricht.

Produktion eines Mesons (graue Ellipse) aus zwei leichten Quarks, in welches das Higgs-Boson zuvor zerfallen ist.

In einer anderen interessanten Analyse, durchgeführt von Dr. Adinda de Wit vom DESY, wurden extrem seltene Higgs-Zerfälle in ein Z-Boson und ein ρ oder ϕ-Meson untersucht. Das Z -Boson zerfällt hierbei in zwei Myonen, und das Meson in ein Paar von Pionen oder Kaonen. Da die Mesonen aus leichten Quarks (u und d bzw. s) bestehen, sind die Kopplungen im Standardmodell sehr klein; die Verzweigungsverhältnisse liegen im Bereich von 0.0005-0.001%. Eine Nachweis dieser Prozesse wäre deshalb ein Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells. In der Tat wurden die Zerfälle nicht entdeckt, sondern es ergaben sich obere Grenzen auf die Verzweigungsverhältnisse von 1.04-1.31% für H → Zρ und 0.31-0.40% für H → Zϕ. Dies sind die ersten experimentell bestimmten Grenzen auf diese Prozesse, und potentielle neue Physik kann sich entsprechend nur innerhalb dieser Grenzen abspielen.

Weitere Informationen:

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