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

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.

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.

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:

• Link zu ICHEP-Konferenz
• Pressemitteilung vom CERN zum Higgszerfall in zwei Myonen
• Link zu News von CMS zur Kopplung des Higgs an Mesonen
• Feature: Interview mit Oliver Rieger zu H → µµ

Erste Evidenz für die Produktion des Higgs-Bosons in Assoziation mit top-Quarks im Zerfallskanal in bottom-Quarks (24.7.2019)

Unter führender Beteiligung der DCMS-Gruppen vom DESY, KIT und dem 3. Physikalischen Institut A der RWTH Aachen hat CMS eine neue Analyse veröffentlicht, in welcher es gelang, die Produktion des Higgs-Teilchens in Assoziation mit einem top- und einem anti-top-Quark, gefolgt vom Zerfall des Higgs-Teilchens in ein bottom- und ein anti-bottom-Quark, mit einer Evidenz von 3.7 Standardabweichungen zu messen. Im Standardmodell zerfällt das Higgs-Teilchen zwar mit 58% Wahrscheinlichkeit in ein Paar von bottom oder b-Quarks, jedoch ist dieser Zerfallskanal besonders schwer vom Untergrund zu trennen, da b-Quarks sehr viel häufiger durch normale und vergleichsweise uninteressante QCD-Ereignisse erzeugt werden. Dies gelingt nur durch Ausnutzung von Techniken des maschinellen Lernens. So wurden neuronale Netze und Boosted Desicion Trees verwendet.

Für die neue Analyse wurden die Daten verwendet, welche im Jahr 2017 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgenommen wurden. Alle Zerfallskanäle der beteiligten top-Quarks wurden berücksichtigt, und die Analysemethoden wurden wesentlich verbessert. Die b-Quarks werden durch sogenanntes b-Tagging identifiziert. Hier wurde einerseits der b-Tagging-Algorithmus verbessert, andererseits profitiert die Identifizierung der b-Quarks auch vom neuen Pixel-Detektor, welcher unter Beteiligung der deutschen CMS-Gruppen gebaut und im Winter-Shutdown 2016/2017 installiert wurde. Dieser Detektor besitzt eine zusätzliche Lage an Pixelmodulen und kann mit höherer Effizienz bei hohen Hitraten messen. Durch diese Verbesserungen sowie die größere Datenmenge konnte die Sensitivität im Vergleich zur Vorgängeranalyse stark verbessert werden. Unter Berücksichtigung der Daten aus dem Jahr 2016 beträgt die Signifikanz für diesen Kanal nun 3.9 Standardabweichungen, und das Verhältnis µ der gemessenen Signalstärke zur Standardmodellerwartung beträgt 1.15 und ist im Rahmen der statistischen und systematischen Unsicherheiten mit dem Standardmodell verträglich, wie im Bild zu sehen ist.

Die deutschen Gruppen konzentrieren sich auf die Kanäle mit einem oder zwei Leptonen, und engagieren sich stark im Bereich b-Tagging. Die Analyse wurde von Dr. Matthias Schröder vom KIT koordiniert.

Weitere Informationen:
Link zur CMS-News

Neue Messung zum Zerfall des Higgs-Bosons in c-Quarks unter Beteiligung der RWTH Aachen (22.7.2019)

Rechtzeitig für die Konferenz der European Physical Society (EPS-HEP 2019), welche vom 10.-17.7. in Ghent stattfand, hat die CMS-Kollaboration eine neue wichtige Analyse zum Zerfall des Higgs-Bosons in Charm-Quarks veröffentlicht. Die Publikation, an welcher Physiker von der RWTH Aachen federführend beteiligt waren, wurde mit einer CERN-Pressemitteilung gewürdigt.

Nach der Entdeckung des Higgs-Bosons 2012 ist es nun wichtig, die Eigenschaften dieses Teilchens möglichst umfassend und präsize zu vermessen und mit der Erwartung aus dem Standard-Modell zu vergleichen. Es wird erwartet, dass das Higgs-Teilchen auch in zwei Charm-Quarks (c-Quarks) zerfällt. Die Kopplung des Higgs-Bosons an Fermionen ist proportional zu deren Masse, was die Vermessung der Kopplung an c-Quarks schwieriger macht als die Vermessung der Kopplung an schwerere Teilchen, wie z.B. top-Quarks. Zusätzlich erschwert wird die Analyse durch einen großen Untergrund von QCD-Ereignissen.

In der publizierten Analyse wurde nach Higgs-Ereignissen gesucht, in welchen das Higgs-Boson zusammen mit einem W- oder Z-Boson produziert wurde (siehe Diagramm rechts), was die Unterdrückung des Untergrunds vereinfacht. Hierbei wird ausgenutzt, dass bei den Zerfällen der W- und Z-Bosonen hochenergetische Leptonen entstehen können, wie in dem simulierten Ereignisbild zu sehen ist. Um die c-Quarks zu identifizieren, mussten spezielle Identifizierungsmethoden entwickelt werden, welche die Eigenschaften der c-Quarks ausnutzen. An dieser Entwicklung war die Gruppe von Prof. Alexander Schmidt vom 3. Physikalischen Institut A der RWTH Aachen führend beteiligt.

Als Ergebnis der Analyse kann momentan ausgeschlossen werden, dass die Produktion von Higgs-Bosonen zusammen mit W- oder Z-Bosonen, gefolgt von dem Zerfall des Higgs-Bosons in ein c-Quark und ein anti-c-Quark, mehr als 70 Mal so häufig wie im Standard-Modell vorhergesagt stattfindet (95% Confidence Level). Zwar ist es noch ein weiter Weg zur Beobachtung dieses Prozesses, doch stellt dieses Ergebnis das momentan weltweit beste Resultat in diesem Kanal dar.

Weitere Informationen:
Link zur CERN-Pressemitteilung
Link zur CMS-News

Häufigster Higgs-Zerfall entdeckt (28.8.2018)

Mit den Detektoren ATLAS und CMS ist es nun erstmals gelungen, den Zerfall des Higgs-Bosons in b-Quarks nachzuweisen. Obwohl das Higgs-Boson nach dem Standardmodell in fast 60% der Fälle in b-Quarks zerfällt, war es zu Anfang des LHC-Programms fraglich, ob man diesen häufigsten Zerfall überhaupt würde nachweisen können. Denn b-Quarks werden am LHC in sehr großer Zahl produziert: auf jeden Higgs-Zerfall in b-Quarks kommen rund 10 Millionen b-Quarks aus anderen Reaktionen. Es ist extrem schwierig, die Higgs-Zerfälle in dieser enorm großen Zahl von Ereignissen zu erkennen. Aus diesem Grund erfolgte die Entdeckung des Higgs-Bosons 2012 in sehr viel selteneren Zerfällen, die jedoch besser vom Untergrund aus anderen Reaktionen getrennt werden können.

Im Laufe des letzten Jahres wurde bereits die Kopplung des Higgs-Bosons an die t-Quarks und die tau-Leptonen nachgewiesen. Die nun nachgewiesene Kopplung an die b-Quarks ist ein weiterer Hinweis darauf, dass auch die Fermionen ihre Masse durch den Higgs-Mechanismus erhalten. Während der Higgs-Mechanismus eingeführt wurde, um die große Masse der schwachen Eichbosonen zu beschreiben, wurde die Masseerzeugung für die Fermionen ad hoc der Theorie hinzugefügt. Die jüngsten Messungen belegen die Richtigkeit dieser fundamentalen Annahme. Sie stellen damit einen sehr wichtigen Schritt im Verständnis der elementaren Bausteine der Materie dar.

Physiker, Ingenieure und Techniker aus den deutschen CMS-Gruppen waren an der Entwicklung der für diesen Erfolg notwendigen Teilchendetektoren maßgeblich beteiligt. Um die b-Quarks aus dem Higgs-Zerfall nachzuweisen, müssen die Bahnen der in den Kollisionen entstehenden Teilchen präzise vermessen werden. Denn die b-Quarks sind selbst sehr kurzlebig und fliegen nur wenige Millimeter, bevor sie ihrerseits zerfallen. Die dabei entstehenden Sekundärvertices können mit dem CMS-Spur- und Pixeldetektor, zu dem die deutschen CMS-Gruppen wichtige Beiträge geliefert haben, gefunden und die b-Quarks so identifiziert werden.

Insgesamt sind am CMS-Experiment rund 200 Institute aus 46 Ländern beteiligt. „Deutschland stellt nach den USA und Italien die drittgrößte Beteiligung, zu der Gruppen von der RWTH Aachen, der Universität Hamburg, dem DESY und dem Karlsruher Institut für Technologie KIT gehören.“ erläutert RWTH-Professor Lutz Feld, derzeit Sprecher der deutschen CMS-Gruppen.

Die Trennung der Higgs-Zerfälle von den sehr viel häufigeren Untergrund-Reaktionen erfordert eine hochkomplexe Datenanalyse. Erst mit der nun vorliegenden großen Datenmenge und modernsten Analysetechniken unter Verwendung von Deep Learning war es möglich, die Higgs-Zerfälle in b-Quarks eindeutig nachzuweisen. Hieran waren Gruppen vom DESY in Hamburg sowie von der RWTH Aachen führend beteiligt. “Wir haben endlich den am häufigsten vorkommenden Zerfall des Higgs-Teilchens zweifelsfrei entdeckt“, sagt DESY-Physiker Rainer Mankel, der in der CMS-Kollaboration die Arbeitsgruppe zum Higgs-Zerfall in zwei b-Quarks leitet. “Seine starke Wechselwirkung mit dem schwersten Quark, in das es überhaupt zerfallen kann, bezeugt eindrucksvoll, dass es in der Tat all diesen Teilchen ihre Masse verleiht.“

Der Higgs-Zerfall in b-Quarks wurde ebenso wie zuvor die Kopplung an t-Quarks und tau-Leptonen von den Experimenten ATLAS und CMS gleichermaßen nachgewiesen. Diese unabhängige Überprüfung der Ergebnisse erhöht das Vertrauen in die Entdeckungen entscheidend.

Bau und Betrieb des CMS-Detektors sowie die Analyse der großen Datenmengen sind ein ideales Umfeld zur Ausbildung von Studierenden, die in einem sehr internationalen Umfeld an der vordersten Front der Forschung ihre Bachelor-, Master- oder Doktorarbeit machen können. Zurzeit arbeiten an CMS rund 1000 Doktoranden aus aller Welt, darunter rund 110 aus den deutschen CMS-Gruppen.

Weitere Informationen:

http://cms.cern/higgs-observed-decaying-b-quarks-submitted
https://arxiv.org/abs/1808.08242
https://press.cern/press-releases

Top-Neuigkeiten vom Higgs-Boson

Am CMS-Experiment am LHC am CERN wurde zum ersten Mal eine neue Möglichkeit zur Erzeugung des Higgs-Bosons nachgewiesen, des erst 2012 entdeckten Elementarteilchens. Dabei wird das Higgs-Boson zusammen mit zwei Top-Quarks, den schwersten bekannten Elementarteilchen, produziert. Physiker des FSP CMS haben maßgeblich zu diesem Ergebnis beigetragen.

Das 2012 am LHC entdeckte Higgs-Boson hat eine herausragende Bedeutung für das Standardmodell der Teilchenphysik, welches die bekannten Elementarteilchen und ihre fundamentalen Wechselwirkungen beschreibt. Das Higgs-Boson ist dabei eng mit dem Mechanismus zur Erzeugung der Teilchenmassen verbunden. Sein genaues Verständnis ist eines der Hauptziele des LHC. Besonders wichtig ist dabei die Vermessung der Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit dem schwersten bekannten Elementarteilchen, dem Top-Quark. Diese Wechselwirkung ist im Standardmodell besonders groß, und die Messung ihrer Stärke stellt eine unerlässliche Überprüfung des Modells dar. Die Messung lässt sich am besten in extrem seltenen Proton-Proton-Kollisionsereignissen durchführen, in denen ein Higgs-Boson zusammen mit einem Top-Quark-Antiquark-Paar erzeugt wird (ttH-Produktion).

Nach ihrer Produktion zerfallen sowohl die Top-Quarks als auch das Higgs-Boson nahezu sofort wieder in weitere Elementarteilchen, die ebenfalls weiter zerfallen können und komplizierte Signale in den Teilchendetektoren erzeugen. Projektkoordinator Dr. Matthias Schröder vom KIT: “Die eindeutige Identifizierung dieses extrem seltenen Prozesses vor einem Untergrund aus Prozessen, die für den Detektor praktisch genauso aussehen, aber etwa 1500 mal häufiger vorkommen, stellt eine große Herausforderung dar und ist erst nach mehrjähriger Analyse der Daten gelungen.” In enger Zusammenarbeit nahmen die FSP-Gruppen des KIT in Karlsruhe, des DESY in Hamburg und der RWTH in Aachen dabei eine führende Rolle in der Analyse von Ereignissen mit Bottom-Quarks, welche besonders stark zu dem Ergebnis beitragen, ein.

Durch Kombination von Daten, die seit 2011 in etwa 4 Billiarden Proton-Proton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergien von 7, 8 und 13 Teraelektronenvolt aufgezeichnet wurden, ist es am CMS-Experiment zum ersten Mal gelungen, ttH-Produktion zu beobachten. Ein Kandidat für ein einzelnes ttH-Signalereignisses ist in der Abbildung dargestellt. Insgesamt wurde ein kleiner Überschuss an Ereignissen über dem Untergrund beobachtet, der der Erwartung für ttH-Produktion entspricht und so eindeutig ist, dass eine bloße statistische Fluktuation mit großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden kann. Die Signifikanz des Überschusses entspricht dabei 5.2 Standardabweichungen.

Durch die Beobachtung der ttH-Produktion konnte ein weiterer Produktionsmechanismus des Higgs-Bosons sowie dessen direkte Wechselwirkung mit dem Top-Quark nachgewiesen werden. Dies stellt einen bedeutenden Schritt im Verständnis des Higgs-Bosons dar und bestätigt die theoretischen Vorhersagen des Standardmodells. Die Ergebnisse wurden durch die CMS-Kollaboration in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und sind kürzlich durch das ATLAS-Experiment bestätigt worden.

Weitere Informationen unter:

https://arxiv.org/abs/1804.02610
http://cms.cern/news/tth-announcement
http://cerncourier.com/cws/article/cern/71524

Abschließende Resultate zum Higgs-Boson von Run 1 (03.07.2014)

Ende 2012 hat der LHC die erste Betriebsperiode, den sogenannten Run 1, abgeschlossen. Nach umfangreichen Arbeiten am Beschleuniger und den Detektoren wird Anfang 2015 der Run 2 gestartet, mit einer fast verdoppelten Energie (13 TeV statt bisher 7 TeV) und höheren Ereignisraten. Nun hat die CMS-Kollaboration auf der International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2014) in Valencia die abschließenden Resultate von Run 1 zum Higgs-Boson bekannt gegeben. Unter dem Link unten findet man eine Zusammenfassung (in englischer Sprache). Bisher sind alle Messungen in Übereinstimmung mit den Erwartungen des Standard Modells mit genau einer Sorte von Higgs-Teilchen.

Forscher vom CERN und vom amerikanischen Forschungszentrum FermiLab bestimmen gemeinsam die Masse des schwersten Quarks (19.03.2014)

Vor fast 20 Jahren wurde am Forschungszentrum Fermilab bei Chicago das Top-Quark entdeckt. Es ist das schwerste der bekannten Elementarteilchen, nahezu 200mal schwerer als ein Proton, das den Kern des Wasserstoffatoms darstellt.

Genaue Messungen der Top-Masse gelangen zunächst mit den Experimenten CDF und D0 am Tevatron-Beschleuniger des Fermilab. In den letzten Jahren konnten die Ergebnisse am LHC-Beschleuniger des CERN mit den Detektoren ATLAS und CMS mit hoher Genauigkeit wiederholt und bestätigt werden. Der kombinierte Massenwert der vier Experimente beträgt 173.34 ± 0.76 GeV. Der relative Fehler beträgt also nur 0.4%; damit ist das Top-Quark sogar genauer als die fünf leichteren Quarks vermessen worden. Weil das Top-Quark so schwer ist, kann es nur an den leistungsfähigsten Beschleunigern erzeugt werden. Nach Beendigung des Forschungsprogramms am Tevatron im Jahre 2011 ist jetzt der LHC die Teilchenmaschine mit der höchsten Energie.

Am 19. März 2014 haben die Experimente am Fermilab und am CERN die Top-Masse in einer gemeinsamen Presserklärung der Öffentlichkeit vorgestellt. An den vier Experimenten sind mehrere tausend Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt, darunter auch viele Physikerinnen und Physiker aus deutschen Universitäten, die auch maßgeblich an der Entdeckung und Vermessung des Top-Quarks beteiligt waren.

Die Abbildung zeigt schematisch die Signatur eines Ereignisses mit einem Top-Quark und seinem Antiquark im CMS-Detektor. Hier geht es zur wissenschaftlichen Veröffentlichung:
http://arxiv.org/abs/1403.4427

Prof. Thomas Hebbeker, RWTH Aachen

Physik Nobelpreis für Higgs und Englert (08.10.2013)

Peter Higgs und Francois Englert erhalten den diesjährigen Nobelpreis in Physik für die theoretische Entdeckung eines Mechanismus, der zum Verständnis des Ursprungs der Masse subatomarer Teilchen beiträgt, und der jüngst durch die Entdeckung des vorhergesagten Teilchens durch die ATLAS- und CMS-Experimente an CERNs Large Hadron Collider bestätigt wurde.

Originaltext:
The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to François Englert and Peter W. Higgs "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider"

Wir gratulieren den Preisträgern und freuen uns über die Anerkennung ihrer bahnbrechenden Arbeiten. Das Bild zeigt Peter Higgs am CERN vor dem CMS-Detektor.

Öffentliche Informationsveranstaltungen:
Mittwoch 16.10.2013, 19:00
Karlsruhe, KIT, Fakultät für Physik, Gaede-Horsaal, Engesser-Straße 7
Einführung: Prof. Dr. Dieter Zeppenfeld (Dekan)
Vorträge: Prof. Dr. Margarete Mühlleitner (theor. Teilchenphysik)
                       Prof. Dr. Thomas Müller (exp. Teilchenphysik)

Mittwoch 16.10.2013, 19:00
Aachen, Physikzentrum der RWTH Aachen, Otto-Blumenthalstraße
Ausstellung 18:00 - 22:00
Vortrag: Prof. Dr. Michael Krämer

Samstag 2.11.2013
Hamburg, Deutsches Elektronensynchrotron DESY und Universität Hamburg, Notkestrasse/Luruper Chaussee
Mehrere Vorträge und Aktionen rund um Higgs und CMS: im Rahmen des Tages der Offenen Tür bei DESY und der Hamburger Nacht de Wissens

Hintegrundinformationen:
Web-Seite der deutschen LHC-Beteiligung: Link
Videos zum Higgs vom CERN: Link
Illustrierter Cartoon zum Higgs: Link

Higgs-Entdeckung ausgezeichnet (22.07.2013)

Der 4. Juli 2012 war ein großer Tag für die Teilchenphysik. Die beiden Experimente ATLAS und CMS am Large Hadron Collider LHC am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf gaben die Entdeckung des langgesuchten Higgs-Teilchens bekannt. Nun wurde diese Entdeckung mit dem renommierten "High Energy and Particle Physics Prize" der Europäischen Physikalischen Gesellschaft ausgezeichnet. Die Preisverleihung fand am heutigen Morgen (Montag) in Stockholm im Rahmen der "International Europhysics Conference on High Energy Physics" statt. Prof. Karl Jakobs (Universität Freiburg), Sprecher der deutschen Gruppen im ATLAS-Experiment: „Wir sind sehr glücklich über die Anerkennung dieser Entdeckung. Mit diesem Preis werden zeitnah die Leistungen der Sprecher der Experimente und der vielen Physiker und Ingenieure, die an dieser Entdeckung Anteil haben, gewürdigt. Jetzt richtet sich unser Blick wieder nach vorne, auf das was noch geschehen könnte, wenn der LHC 2015 mit nochmals verbesserter Leistung wieder in Betrieb gehen wird.“

Was war geschehen? Vor 50 Jahren steckte die Teilchenphysik in einer Sackgasse. Man hatte eine überzeugende Theorie entwickelt, die das Verhalten der Elementarteilchen – der kleinsten Bausteine der Welt – in nahezu allen Aspekten erfolgreich vorhersagte. Doch die Theorie hatte einen eklatanten Fehler. Sie behauptete, dass alle Materie masselos sein müsse. Da hatten Peter Higgs und einige Kollegen 1964 eine rettende Idee. Sie erfanden ein Feld und damit verbunden ein neues Teilchen, das den anderen Elementarteilchen eine Masse verleihen sollte, und retteten damit die so erfolgreiche Theorie. Feld und Teilchen wurden später nach dem britischen Physiker Peter Higgs benannt und nun nach Jahrzehnten des erfolglosen Suchens am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf entdeckt. Eine grandiose Bestätigung einer visionären Idee.

Deutsche Teilchenphysiker haben an dieser Entdeckung maßgeblichen Anteil. Sie sind seit Beginn der Planung des LHC-Projekts vor über 20 Jahren beteiligt. Sie haben die Technologien mit entwickelt, Teile der riesigen Detektoren gebaut und schließlich zur Auswertung der Daten, die den Nachweis des Higgs-Teilchens erbrachte, wesentlich beigetragen. Forschergruppen an 16 Universitäten, dem Max-Planck-Institut für Physik in München und den beiden Helmholtz-Forschungszentren DESY und KIT arbeiten gemeinsam an den beiden Experimenten. Sie werden insbesondere durch die BMBF-Forschungsschwerpunkte FSP-101 (ATLAS) und FSP-102 (CMS) im Rahmen der Verbundforschung gefördert. Zusammen arbeiten mehr als 700 deutsche Wissenschaftler an den beiden Experimenten, davon etwa 400 Nachwuchswissenschaftler.

Der LHC ist ein europäisches Projekt. Selbst Deutschland hätte nicht genügend Möglichkeiten, ein solches Projekt im Alleingang durchzuführen. Erst durch die Bündelung von Ressourcen aus ganz Europa wurde das LHC-Projekt möglich. Hierzu Prof. Stahl (RWTH Aachen), Sprecher der deutschen CMS-Gruppen: "Der LHC ist eine Erfolgsgeschichte europäischer Integration. Durch die enge Zusammenarbeit am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf hat Europa den Sprung an die Weltspitze geschafft und wird nun dafür ausgezeichnet."

Das Foto wurde bei der Preisverleihung am 22.7. in der Aula Magna der Universität Stockholm aufgenommen.
Von links nach rechts:
Prof. Karl Jakobs, Universität Freiburg, Sprecher der deutschen Gruppen im ATLAS Experiment
Prof. Peter Jenni, Universität Freiburg und CERN, langjähriger Sprecher der ATLAS-Kollaboration
Prof. Tejinder Virdee, Imperial College, London, langjähriger Sprecher der CMS-Kollaboration
Prof. Achim Stahl, RWTH Aachen, Sprecher der deutschen Gruppen im CMS-Experiment

Weitere Infos

Äußerst seltener Teilchenzerfall beobachtet (19.07.2013)

CMS hat einen wichtigen seltenen Zerfall gefunden, der vom Standardmodell der Teilchenphysik vorausgesagt wird. Nach einer Suche von etwa 25 Jahren wird die Beobachtung des Zerfalls von B_s-Mesonen in Myonpaare heute in Stockholm bei der alle zwei Jahre stattfindenden EPS-HEP Konferenz bekanntgegeben.
Vom Standardmodell der Teilchenphysik wird vorhergesagt, dass nur etwa 3 aus einer Milliarde B_s-Mesonen auf diesem Wege zerfallen. Nun ist es CMS gelungen, diesen Zerfall nachzuweisen. Das Ergebnis ist, dass der Anteil der B_s-Mesonen, die in zwei Myonen, den schweren Partnern der Elektronen, zerfallen, 3,0 Milliardstel ist, mit einer Unsicherheit von 1,0 Milliardstel nach oben und 0,9 Milliardstel nach unten. Der Nachweis dieses Zerfalls ist deshalb so spannend, weil manche neue Ideen für Modelle, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen, Abweichungen in der Rate dieses Zerfalls von der Vorhersage des Standardmodells prognostizieren.

Das Bild zeigt eines der Ereignisse aufgezeichnet mit dem CMS-Detektor. Die beiden langen roten Spuren sind die Spuren der beiden Myonen.

ATLAS und CMS erhalten prestigeträchtigen EPS HEP-Preis (15.05.2013)

Der High Energy and Particle Physics Prize der Europäischen Physikalischen Gesellschaft wurde an die Forscherteams der Teilchenphysik-Experimente ATLAS und CMS verliehen. Die Kollaborationen erhalten den Preis zusammen mit ihren Sprechern Michel Della Negra (Imperial College London), Peter Jenni (CERN und Universität Freiburg) und Tejinder Virdee (Imperial College London) für die Entdeckung eines neuen schweren Teilchens mit den Eigenschaften des langgesuchten Higgs-Teilchens.

Karl Jakobs, Sprecher der deutschen ATLAS-Gruppen: „Die Entdeckung des Higgs-Teilchens durch die beiden Experimente ATLAS und CMS stellt einen sensationellen wissenschaftlichen Durchbruch dar. Mit diesem Preis werden zeitnah die Leistungen der Sprecher der Experimente und der vielen Physiker und Ingenieure, die an dieser Entdeckung Anteil haben, gewürdigt.“

Am 4. Juli 2012 hatten die beiden internationalen Forscherteams von ATLAS und CMS die Entdeckung eines Higgs-Teilchens bekannt gegeben. Nach diesem Teilchen hatten Wissenschaftler seit mehr als 40 Jahren intensiv gesucht – es ist das letzte fehlende Puzzlestück im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik. Das von Peter Higgs und anderen theoretischen Physikern 1964 eingeführte Higgs-Feld, das mit diesem Teilchen verbunden ist, durchdringt das ganze Universum und soll elementaren Teilchen ihre Masse verleihen.

Achim Stahl, Sprecher der deutschen CMS-Gruppen: „Die Entdeckung des Higgs-Teilchens ist das Ergebnis jahrzehntelanger Vorbereitung. Hunderte von Physikern, Ingenieuren und Technikern aus Deutschland sind und waren daran beteiligt, von der Entwicklung, dem Aufbau und dem Betrieb der Experimente bis zum Aufspüren der Higgs-Teilchen in einer riesigen Menge Daten. Jeder einzelne hat seinen Beitrag geleistet und darf diesen Preis als persönliche Ehrung empfinden.“

Der High Energy and Particle Physics Prize wird für herausragende Beiträge zur Elementarteilchenphysik vergeben. Die Preisverleihung findet auf der Konferenz EPS-HEP 2013 am 22. Juli in Stockholm statt.

Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens beginnt eine neue Ära der Teilchenphysik. Trotz seines enormen Erfolges kann das Standardmodell der Teilchenphysik nur einen kleinen Teil des Universums erklären. Der Großteil der Masse des Universums scheint aus dunkler Materie zu bestehen, die in diesem Modell nicht enthalten ist. Viele Erweiterungen versuchen auch die dunkle Materie zu erklären und benötigen dazu neue Higgs-Teilchen. Die Entdeckung von ATLAS und CMS könnte sich einst als der Anfang eines noch spannenderen Kapitels der Teilchenphysik herausstellen.

Mehr als 700 deutsche Wissenschaftler sind an den LHC-Experimenten ATLAS und CMS beteiligt, davon etwa 400 Nachwuchswissenschaftler. Wesentliche Teile beider Detektoren wurden in Deutschland entwickelt und gebaut. Auch zum Betrieb und der Datenanalyse tragen deutsche Wissenschaftler bei. Unter deutscher Federführung wurden und werden Detektortechnologien entwickelt, die sich weit über die Teilchenphysik hinaus einsetzten lassen.

Forschergruppen an 16 Universitäten, dem Max-Planck-Institut für Physik in München und den beiden Helmholtz-Forschungszentren DESY und KIT arbeiten gemeinsam an den beiden Experimenten. Sie werden insbesondere durch die BMBF-Forschungsschwerpunkte FSP-101 (ATLAS) und FSP-102 (CMS) im Rahmen der Verbundforschung gefördert. Darüberhinaus arbeiten sie in der Helmholtz-Allianz „Physik an der Teraskala“ zusammen.

Idendität des Higgsteilchens bestätigt (26.03.2013)

Auf dem internationalen Workshop Rencontres de Moriond stellten die beiden LHC-Experimente ATLAS und CMS die neusten Ergebnisse vor, die größtenteils auf der Auswertung aller in den Jahren 2011 und 2012 aufgezeichneten Daten beruhen. Diese Datenmenge reichte aus, um erste Untersuchungen der Eigenschaften des neuen Teilchens durchzuführen. Interessant vor allem die Untersuchung einer Eigenschaft, die die Physiker Spin (Eigendrehimpuls) nennen. Alle bisher bekannten Elementarteilchen drehen sich permanent um ihre eigene Achse mit einem Drehimpuls, den man über das Planck'sche Wirkungsquantum angeben kann. Studiert man den Zerfall der Teilchen, so kann man aus den Richtungen, in die die Zerfallsteilchen emittiert werden, den Spin bestimmen. Das Higgsteilchen sollte das einzige Elementarteilchen sein, das sich nicht dreht. Dies scheinen die Ergebniss nun zu bestätigen. Außerdem konnte erstmals das Verhalten der Wellenfunktion des Teilchens unter Raumspiegelung untersucht werden, und es wurden genauere Messungen der Häufigkeiten, mit denen das Higgsteilchen in bestimmte andere Teilchen zerfällt, vorgelegt. Auch diese Messungen bestätigen die Identität des neuen Teilchens als Higgsteilchen.
Trotzdem sind sich die Forscher noch nicht sicher, ob damit das von Peter Higgs und Kollegen entwickelte Modell bestätigt ist. Dieses Modell ist das einfachste Modell, das den Ursprung der Masse erklärt. Es tritt in diesem Modell genau ein Higgsteilchen auf. Das könnte das jetzt nachgewiesene Teilchen sein. Es gibt aber viele andere Modelle, in denen mehrere unterschiedliche Higgsteilchen auftreten. Ob nun das eine gefunden wurde oder eines unter vielen bleibt ein spannende Frage, deren Beantwortung wohl noch große Anstengungen und Geduld brauchen wird.

Die rechts dargestellte Größe D berechnet sich aus den Richtungen, in denen die Zerfallsteilchen des Higgsbosons emittiert werden. Diese Messung stammt aus dem Zerfall in zwei Z-Bosonen. Die scharzen Punkte mit Fehlerbalken geben die Werte abgeleitet aus den gemessenen Higgsereignissen an. Die beiden farbigen Histogramme zeigen die Erwartung von Untergrundereignissen, die nicht aus dem Zerfall von Higgsereignissen stammen. Handelt es sich bei dem neuen Teilchen um ein HIggsboson, so sollten die Daten der roten Linie folgen, die sich aus Untergrund und Modellvorhersage für die Higgsteilchen zusammensetzt. Man sieht gute Übereinstimmung zwischen dem Higgsmodell und den gemessenen Ereignissen. Analog kann man die Daten mit Modellvorhersagen für Teilchen vergleichen, die andere Eigenschaften (Eigendrehimpuls und Verhalten unter Raumspiegelung) als das Higgsteilchen haben. In diesen Vergleichen ist die Übereinstimmung schlecht, so dass man zu dem Schluss kommt, dass das neue Teilchen die Eigenschaften des Higgsteilchens trägt.

Das rechts gezeigte Diagramm fasst die gemessene Stärke der unterschiedlichen Reaktionen, über die das Higgsteilchen erzeugt werden kann, und die unterschiedlichen Zerfallskanäle, über die das Higgsteilchen zerfallen kann, zusammen. Die Messungen sind auf die Vorhersage des Higgsmodells normiert, d.h. falls es sich um das Higgsteilchen handelt, sollte die Messung innerhalb ihrer Unsicherheit einen Wert von 1 ergeben. Gezeigt ist jeweils als schwarzer Punkt der gemessene Wert und als Linie der Fehler der Messung. Als Mittelwert ergibt sich 0,88, was innerhalb des Fehlers von +/- 0.21 gut mit 1 übereinstimmt.