CMS-Experiment sucht nach Dunklen Photonen

Eine Proton-Proton-Kollision, bei der ein Myon-Antimyon-Paar (rot), ein Photon (grün) und ein fehlender Impuls entstanden. (Credits: Image: CERN)
Eine Proton-Proton-Kollision, bei der ein Myon-Antimyon-Paar (rot), ein Photon (grün) und ein fehlender Impuls entstanden. (Credits: Image: CERN)

Sie wissen, dass es sie gibt, aber sie wissen nicht, woraus sie besteht. Das fasst das Wissen der Forscher über Dunkle Materie ziemlich gut zusammen. Dieses Wissen stammt von Beobachtungen des Universums, die darauf hindeuten, dass die unsichtbare Form von Materie etwa 5-6 Mal häufiger ist als sichtbare Materie.

Eine Theorie besagt, dass Dunkle Materie aus Dunklen Teilchen besteht, die miteinander durch ein Austauschteilchen interagieren, das sogenannte Dunkle Photon. Es erhielt diese Bezeichnung analog zum normalen Photon, das als Austauschteilchen zwischen elektrisch geladenen Teilchen agiert. Ein Dunkles Photon würde auch schwach mit den vom Standardmodell der Teilchenphysik beschriebenen Teilchen wechselwirken, darunter dem Higgs-Boson.

Auf der Large Hadron Collider Physics (LHCP) Konferenz, die letzte Woche in Puebla (Mexiko) stattfand, berichtete die CMS Collaboration über die Ergebnisse ihrer neuesten Suche nach Dunklen Photonen.

Die CMS Collaboration nutzte einen umfangreichen Datensatz über Proton-Proton-Kollision, die der Large Hadron Collider (LHC) während seines zweiten Betriebslaufs sammelte. Damit suchten sie nach Vorfällen, bei denen sich das Higgs-Boson in ein Photon und ein masseloses Dunkles Photon umwandeln oder “zerfallen” könnte. Sie konzentrierten sich auf Fälle, bei denen das Boson zusammen mit einem Z-Boson produziert wird, das selbst in Elektronen oder ihre schwereren Cousins – die Myonen – zerfällt.

Solche Ereignisse sind erwartungsgemäß extrem selten, und deren Nachweis macht es erforderlich, die Präsenz des potenziellen Dunklen Photons abzuleiten, das von Teilchendetektoren nicht registriert werden kann. Dafür addieren die Forscher die Impulse der registrierten Teilchen in der senkrechten Richtung – im rechten Winkel zu den kollidierenden Protonenstrahlen. So identifizieren sie jeden fehlenden Impuls, der notwendig ist, um einen Gesamtwert von Null zu erreichen. Solche fehlenden Impulse deuten auf ein nicht registriertes Teilchen hin.

Aber es gibt noch eine andere Möglichkeit, um zwischen einem möglichen Dunklen Photon und bekannten Teilchen zu unterscheiden. Dabei wird die Masse des Teilchens geschätzt, das in das registrierte Photon und das unregistrierte Teilchen zerfällt. Wenn der fehlende Impuls von einem Dunklen Photon getragen wird, das bei dem Zerfall des Higgs-Bosons produziert wurde, dann sollte diese Masse mit der Masse des Higgs-Bosons übereinstimmen.

Die CMS Collaboration folgte diesem Ansatz, aber fand kein Signal von Dunklen Photonen. Allerdings setzte die CMS Collaboration der Wahrscheinlichkeit dafür eine obere Grenze, dass ein Signal registriert worden wäre.

Ein weiteres Null-Ergebnis? Ja, aber Ergebnisse wie diese und die ATLAS-Ergebnisse zur Supersymmetrie, die ebenfalls vergangene Woche in Puebla präsentiert wurden, finden zwar keine neuen Teilchen oder schließen deren Existenz aus – dennoch dienen sie als Grundlage für zukünftige Arbeiten, sowohl experimentelle als auch theoretische.

Quelle

(THK)

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