Elementarteilchenphysik mit dem CMS-Experiment

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Das CMS-Experiment erforscht die Grundpläne unseres Universums und sucht nach einer neuen Physik jenseits des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. An dem internationalen Projekt nehmen Forschende von 179 Instituten aus 41 Ländern teil. Eine der vier beteiligten deutschen Forschungseinrichtungen ist die RWTH Aachen.

 

Drei Physikinstitute der Hochschule trugen maßgeblich zur Entwicklung und Konstruktion des CMS-Detektors bei, nehmen Daten und verfolgen eine Vielzahl von Analysen, und sind am weiteren Ausbau und der Verbesserung des Experiments beteiligt. Bis heute (Mai 2012) wurden bereits rund 130 Artikel vom CMS-Experiment in etablierten wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht. Der Forschungsschwerpunkt FSP-102 wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) getragen.

Hintergrund

Teilchenphysik beschäftigt sich mit den grundlegenden Strukturen von Materie, mit dem Zusammenhang von Raum und Zeit und den fundamentalen Kräften, die in unserem Universum wirken. Trotz der im letzten Jahrhundert erzielten bedeutenden Fortschritte auf diesen Gebieten bleiben auch heute zahlreiche Fragen unbeantwortet.

Das CMS-Experiment, das seit 2009 an dem Teilchenbeschleuniger LHC am CERN betrieben wird, soll einige dieser Fragen klären helfen, insbesondere die Frage nach dem Ursprung der Masse sowie das Phänomen der so genannten elektroschwachen Symmetriebrechung.

Zwei Gruppen von Teilchen sind dabei von besonderem Interesse: Das Higgs-Teilchen steht mit einer Idee des britischen Physikers Peter Higgs in Zusammenhang, die zu erklären sucht, warum Teilchen eine Masse haben. Bis heute konnte dieser fundamentale Bausteine experimentell noch nicht aufgespürt werden.

Des weiteren geht es um den Nachweis von supersymmetrischen Teilchen. Diese sind nicht zuletzt deshalb heiß begehrt, weil die dunkle Materie im Universum, für die die Astrophysiker bisher keine Erklärung gefunden haben, möglicherweise aus solchen Teilchen besteht. Mit Hilfe der Supersymmetrie ließen sich aber auch zahlreiche andere offene Fragen in der Physik beantworten.

Der CMS-Detektor

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Dem Nachweis und der präzisen Vermessung der bei den Kollisionen entstehenden Teilchen dient der so genannte CMS-Detektor. Dieser besteht aus mehreren schalenförmig angeordneten Komponenten:

Mit dem inneren Spurdetektor, der zu einem erheblichen teil in Aachen entwickelt und gebaut wurde, lassen sich die Bahnen der geladenen Teilchen bestimmen. Diese sind wiederum von den Kalorimetern zur Vermessung der Energie von Teilchen umgeben.

Danach folgt die supraleitende Magnetspule, die im ganzen Detektor für ein Magnetfeld sorgt, das elektrisch geladene Teilchen auf eine Kreisbahn zwingt.

Ganz außen können in den Myonenkammern Myonen nachgewiesen werden. Diese schweren Varianten der Elektronen sind von besonderem Interesse, da sich viele hoch spannende Prozesse durch Myonen zu erkennen geben: Mit den in Aachen gebauten Driftkammern erhofft man sich den Nachweis von neuen, in Myonen zerfallenden Teilchen wie dem Higgs-Teilchen, supersymmetrische Teilchen, schwere Quarks oder neue Eichbosonen. Auch Modelle mit zusätzlichen Raumdimensionen oder kleinen schwarzen Löchern lassen sich durch Analyse von Myonereignissen überprüfen.

Datenerfassung

Am CMS-Experiment entsteht eine gigantische Menge an Daten: trotz einer computergesteuerten Beschränkung auf potenziell interessante Kollisionen bei der Datenerfassung liefert der Detektor im Jahr circa 10.000 Terabyte an Daten.

Bis Ende 2011 sind schon mehrere Milliarden Proton-Proton-Kollisionsereignisse aufgezeichnet worden. Zu ihrer Auswertung wird auf ein weltweit verteiltes Computernetzwerk mit über 100.000 Prozessoren zurückgegriffen, die zu einem so genannten Grid zusammengeschaltet sind. Auch in Aachen gibt es einen großen Rechnerverbund, der als Teil dieses Grids Daten speichert und verarbeitet.

Somit haben Forscher auf der ganzen Welt Zugriff auf die Daten und sind in der Lage, die Millionen gespeicherten Kollisionsaufzeichnungen auszuwerten.

 

CMS - Beiträge der RWTH-Physikinstitute

Alle Institute haben maßgeblich sowohl zur Entwicklung als auch zum Bau des CMS-Detektors beigetragen und arbeiten intensiv an der Datenrekonstruktion und -analyse.

I. Physikalisches Institut B

Eine führende Rolle spielte das Institut bei der Konstruktion des inneren Spurdetektors, des größten Silizium-Streifen-Detektors, der je gebaut wurde. Ein wesentlicher Teil dieses Detektors wurde im Reinraumlabor des Instituts zusammengesetzt.

Bei der Datenanalyse konzentrieren sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Suche nach dem Higgs-Boson und supersymmetrischen Teilchen.

Zur Vorbereitung des geplanten Ausbaus des Large Hadron Colliders hat die Gruppe nun mit der Forschung und Entwicklung eines noch leistungsfähigeren Spurdetektors begonnen.

III. Physikalisches Institut A

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Die Forschergruppe des Instituts zeichnet mit für den Bau der Myondetektoren für das CMS-Experiment verantwortlich: In einem Zeitraum von vier Jahren hat die Gruppe 70 der insgesamt 250 Kammern fertiggestellt, die heute am CERN zum Einsatz kommen.

Im Bild rechts ist ein spektakuläres Ereignis mit vier Myonen (rote Linien) gezeigt, das charakteristisch für einen Higgszerfall im CMS-Detektor ist, allerdings auch kompatibel mit Untergrundprozessen ist.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts sind aktiv beteiligt an verschiedenen Suchen nach neuer Physik, z.B. nach supersymmetrischen Teilchen, neuen schwerden Eichbosonen, und Anzeichen für zusätzliche Raumdimensionen, sowie an Messungen des Top-Quarks. Außerdem wird an dem Ausbau des Myonsystems für die zukünftigen Herausforderungen des LHC bei höherer Energie und höherer Datenrate gearbeitet.

 

III. Physikalisches Institut B

Am Institut beschäftigen sich zwei Arbeitsgruppen mit dem CMS-Experiment, die "Detektorgruppe" und die "Analysegruppe".

Die Detektorgruppe hat das offizielle Testsystem für die Komponenten des inneren Siliziumspurdetektors entwickelt und den Zusammenbau der Komponenten zu größeren Substrukturen unterstützt.

Die Analysegruppe wertet die Experimentdaten auf dem Gebiet der Physik des Top-Quarks aus, und sucht nach Zerfällen, bei denen die Leptonzahl verletzt wird.

Dieses Institut trägt die Verantwortung für die Aachener GRID-Rechner, die teilweise im IT Center der RWTH installiert sind.

Perspektiven für Studierende

Studierende und Promovenden lernen neben Methoden und Inhalten der aktuellen experimentellen Teilchenphysik auch den Umgang mit großen Detektoren (CMS), Programmieraufgaben (CMS-Software) und komplexen Programmpaketen (C++).

Sie lernen die Arbeit in einer bedeutenden internationalen Kollaboration kennen und haben ggf. die Möglichkeit, einen Forschungsaufenthalt am CERN zu absolvieren.

Studierende haben die Möglichkeit, ihre Abschlussarbeiten im Kontext des CMS-Experiments zu schreiben. In jüngerer Vergangenheit wurden beispielsweise folgende Themen bearbeitet:

• Modellunabhängige Suche nach neuer Physik mit dem CMS Detektor
• Untersuchung von Spinkorrelationen in Top-Paar-Zerfällen
• Suche nach neuen schweren Eichbosonen mit dem CMS-Detektor
• Rekonstruktion supersymmetrischer Teilchen mit dem CMS-Detektor
• Entwicklung und Bau neuer Teilchendetektoren