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:


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. 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:

Aller guten Dinge sind drei: Aachener Gruppe liefert DC-DC-Konverter für den Phase-1 Pixel-Detektor zum CERN (31.7.2020)

Foto eines DC-DC-Konverters. Die Platine ist 28mm lang. Das schwarze Plättchen ist der Chip.

Am 10. Juli wurden etwa 1600 DC-DC-Konverter-Module von Aachen zum CERN geliefert, um in den nächsten Monaten in den Phase-1 Pixeldetektor eingebaut zu werden. Dies schließt eine einjährige Produktionszeit ab, in welcher die PCBs produziert, bestückt, getestet und thermisch zykliert wurden. Die DC-DC-Konverter sind integrale Bestandteile der Spannungsversorgung des Pixeldetektors, und sind ein Beitrag der Gruppe von Prof. Dr. Lutz Feld vom 1. Physikalischen Institut B der RWTH Aachen. Die DC-DC-Konverter wurden über mehrere Jahre entwickelt. Unter Verwendung eines DC-DC-Chips vom CERN namens FEAST entwickelte die Aachener Arbeitsgruppe Module, welche perfekt auf den Einsatz im Pixeldetektor angepasst sind.

Aufbau zum Test der DC-DC-Konvertermodule bei kalten Temperaturen.

Die DC-DC-Konverter haben eine komplizierte Geschichte. Die erste Generation wurde schon Anfang 2017 in den damals neuen Phase-1 Pixeldetektor eingebaut. Ende 2017 gab es jedoch Ausfälle, welche erst im Laufe des Jahres 2018 auf strahlenbedingte Schäden im Chip unter ganz bestimmten Betriebsbedingungen zurückgeführt werden konnten. Schon im Winter-Shutdown 2017/2018 wurden jedoch alle DC-DC-Konverter gegen "frische", aber identische, DC-DC-Konverter ausgetauscht. Diese zweite Produktion musste die Gruppe der RWTH Aachen unter enormem Zeitdruck stemmen. In 2018 gab es keine Ausfälle, da die auslösenden Bedingungen durch Änderungen im Betrieb vermieden wurden. Nachdem das Problem schließlich verstanden war, wurde vom CERN eine neue Version des Chips entwickelt. Mit diesem neuen, verbesserten Chip wurde nun zum dritten - und hoffentlich letzten - Mal die komplette Menge von DC-DC-Konvertern gebaut. Diese Version hat nun die benötigte Toleranz gegen Bestrahlung und Einschränkungen in der Nutzung sind nicht mehr nötig.

Dr. Martin Lipinski und Dr. Katja Klein im Reinraum vor den Kisten mit fertig getesteten und verpackungsbereiten DC-DC-Konvertern.

Die Produktion und das Testen der dritten Generation wurde von Dr. Martin Lipinski geleitet. Die Bestückung fand wieder bei der Kuttig Electronics GmbH aus Rötgen, nahe Aachen, statt. Die Testprozedur beinhaltete elektrische Tests beim Bestücker und an der RWTH Aachen, sowie jeweils 10 Zyklen zwischen Raumtemperatur und -28°C, wobei die DC-DC-Konverter betrieben und vermessen wurden. Diese Tests konnten nur durch einen Schichtbetrieb zeitgerecht realisiert werden. Die Qualität der produzierten Boards ist exzellent; die Ausbeute betrug 98%.

Momentan befindet sich der LHC-Beschleuniger im Long Shutdown 2, und der Pixeldetektor ist ausgebaut. Zusätzlich zu neuen DC-DC-Konvertern wird er unter anderem auch komplett neue Pixelmodule in der innerste Lage im Zentralbereich bekommen, wobei hier ein verbesserter Auslesechip eingesetzt wird. Im Laufe des Jahres 2021 wird der Pixeldetektor wieder eingebaut und in Betrieb genommen werden, um dann im Run 3 des LHC Daten von noch höherer Qualität zu liefern.

Dr. Marcel Riegel gewinnt CMS Thesis Award (29.6.2020)

Dr. Marcel Rieger hat den diesjährigen CMS Thesis Award gewonnen, dafür gratulieren wir ganz herzlich!

Der CMS Thesis Award wird einmal im Jahr verliehen. Ein Komitee aus 15 Physikerinnen und Physikern der internationalen CMS-Kollaboration wertet dafür in einem zweistufigen Prozess jene Promotionen aus, welche vorher nominiert wurden. Die Kriterien sind "impact, original contribution, clarity", also wissenschaftliche Relevanz und Originalität sowie Klarheit in der Darstellung. In diesem Jahr wurden 25 Doktorarbeiten nominiert. Dr. Riegers Promotion konnte rundum überzeugen, und wurde insbesondere für ihre innovativen Aspekte gelobt.

Dr. Marcel Rieger durfte seine Arbeit während des CMS-Kollaborationstreffens am 15.6. vor großem Publikum präsentieren, wenn auch aus aktuellem Anlass bedauerlicherweise nur "virtuell". Zusätzlich zu einer Preisplaquette erhält er von der CMS-Kollaboration die Gelegenheit, seine Arbeit auf einer internationalen Konferenz zu präsentieren, sowie die Möglichkeit, die Doktorarbeit als Springer Thesis zu veröffentlichen.

Dr. Marcel Rieger hat seine Arbeit mit dem Titel "Search for Higgs Boson Production in Association with Top Quarks and Decaying into Bottom Quarks using Deep Learning Techniques with the CMS Experiment" am III. Physikalischen Institut A der RWTH Aachen in der Gruppe von Prof. Martin Erdmann angefertigt. Der Graph rechts zeigt den Prozess, in dem ein Higgs-Boson zusammen mit zwei Top-Quarks erzeugt wird, und das Higgs-Boson in zwei Bottom-Quarks zerfällt. Die Analyse ist sehr schwierig. Dies liegt zum einen an der Komplexität des Endzustands, zum anderen an der geringen Wahrscheinlichkeit (Wirkungsquerschnitt) des Prozesses, in Kombination mit der hohen Wahrscheinlichkeit teils sehr ähnlich aussehender Untergrundprozesse. Der wichtigste Untergrundprozess ist ca. 2800-mal wahrscheinlicher als der Signalprozess! Um das Signal von den insgesamt 5 Untergrundprozessen zu trennen, hat Dr. Rieger sogenannte Tiefe Neuronale Netze (Deep Neural Networks, DNN) eingesetzt. Mit vier verschiedenen DNNs und 6 Ereignisklassen ergeben sich 24 Kategorien von Ereignissen, welche in einer gemeinsamen Anpassung (Fit) analysiert werden. So konnte eine sehr gute Sensitivität erzielt werden.

Event display (grafische Darstellung) des "signalartigsten" Ereignisses, laut Ausgabe des neuronalen Netzes.

Herr Dr. Rieger konnte in den Daten bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV den gesuchten Prozess mit einer Signifikanz von 2.04 Standardabweichungen nachweisen. Die sogenannte Signalstärke wurde zu 0.98 mit einem Fehler von +0.50 und -0.48 (statistische und systematische Fehler kombiniert) gemessen. Dies ist mit dem erwarteten Werk von 1 kompatibel. Seine Analyse zum gemeinsamen Auftreten von Top-Quarks und Higgs-Bosonen ist einer der wichtigsten Beiträge für die inzwischen publizierten Nachweise der sogenannten Top-Higgs-Kopplung und der Bottom-Higgs-Kopplung.

Weitere Informationen: Link zur Doktorarbeit

CMS-Kollaboration reicht tausendste Veröffentlichung ein (24.6.2020)

Am 19. Juni 2020 hat die CMS-Kollaboration einen historischen Meilenstein erreicht: die tausendste wissenschaftliche Veröffentlichung wurde bei einer Zeitschrift eingereicht. Noch nie in der Geschichte der Hochenergiephysik hat ein Experiment so viele Publikationen erzielt. Gezählt werden hierbei nur Veröffentlichungen der gesamten CMS-Kollaboration in referierten Fachzeitschriften; hinzu kommen noch spezielle technische Publikationen, die z.B. nur von der Tracker-Gruppe veröffentlicht werden, und Konferenzberichte.

Die erste Veröffentlichung von CMS im Jahr 2008 hatte den Titel "The CMS experiment at the CERN LHC " und beschrieb den Aufbau des Detektors. Seitdem werden jedes Jahr ca. 100 Publikationen veröffentlicht. Die berühmteste Veröffentlichung von CMS, die schon über 10000-mal zitiert wurde, behandelt die Entdeckung des Higgs-Bosons und stammt aus dem Jahr 2012.

Eine chronologische Liste aller Publikationen kann man hier finden: Link
Alle Veröffentlichungen mit Kollisionsdaten sind hier nach Thema sortiert grafisch gegen die Zeit aufgetragen: Link
 
Weitere Informationen:
Ausführliche News-Meldung auf der CMS-Homepage: Link

CMS Detector Award für Dr. Stefan Maier würdigt Arbeiten zum Phase-2 Upgrade des Trackers (3.6.2020)

Dr. Stefan Maier mit einem 2S-Modul neben seinem Test-Setup.

Einer von nur zwei Detector Awards des Trackers für 2019 wurde an Dr. Stefan Maier, Wissenschaftler vom KIT Karlsruhe, vergeben, für "[...] outstanding contributions to the upgrade of the Outer Tracker, including development of procedures and systems in 2S module assembly and qualification and the development of a high-rate test stand for the module readout chain." Dr. Maier hat im Rahmen seiner Promotion mehrere Prototypen der neuen sogenannten "2S-Module" für das Upgrade des CMS-Spurdetektors gebaut und die Prozeduren und Werkzeuge verbessert. Außerdem hat Herr Dr. Maier ein Setup entwickelt, in welchem mit Hilfe von LEDs elektrische Pulse mit 40MHz in die Ausleseelektronik injiziert werden. Hierdurch können hohe Spurdichten emuliert werden, und die Module unter hohen Triggerraten getestet werden.

Während der Preis schon im Februar verkündet worden war, sollte die feierliche Verleihung der Preisplakette während der CMS-Woche im April stattfinden. Aufgrund der Schutzregeln im Zusammenhang mit der Covid19-Pandemie musste die CMS-Woche jedoch virtuell stattfinden.

Wir gratulieren ganz herzlich zu diesem Award!

Poster vom ACES-Workshop zum Hochraten-Test: Link

ˆ