Wissenschaftler finden mit dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN neue Wege, um nach neuen Teilchen zu suchen. Schwer nachweisbare, langlebige Teilchen sollten weit entfernt vom Kollisionspunkt in andere Teilchen zerfallen und eine ungewöhnliche Signatur in einem Detektor hinterlassen.
Die ATLAS Collaboration hat ihr umfangreiches Suchprogramm ausgeweitet, um nach diesen unkonventionellen Kollisionsereignissen zu suchen. Bei dem Prozess hat sie die Grenzen für neue, massereiche, langlebige Teilchen, die in Teilchen (sogenannte Leptonen) zerfallen, drastisch verbessert.
Langlebige Teilchen sind ein Merkmal des Standardmodells, wenn auch nur für Teilchen mit relativ geringen Massen. Massereiche, langlebige Teilchen können in Theorien über neue Physik jenseits des Standardmodells auftauchen. Eine Theorie, die neue, langlebige Teilchen in einigen ihrer Ausarbeitungen einschließt, ist die Supersymmetrie. Die Supersymmetrie besagt, dass jedes Teilchen des Standardmodells ein Superpartnerteilchen besitzt, was sich von seinem Partnerteilchen in einer Quanteneigenschaft unterscheidet, die als Spin bezeichnet wird. In dieser neuen Studie suchte die ATLAS Collaboration nach den Superpartnern des Elektrons, des Myons und des Tau-Leptons, sogenannten Sleptonen: Nach dem Selektron, dem Smyon beziehungsweise dem Stau.
Die typische Suche nach neuer Physik mit ATLAS-Daten richtet sich auf neue Teilchen, die sofort zerfallen würden, so wie es massereiche Teilchen im Standardmodell tun und so, wie es von den meisten Teilchen in der neuen Physik erwartet wird. Für ihre neue Suche mussten die ATLAS-Physiker neue Methoden zur Identifizierung von Teilchen entwickeln, um die Wahrscheinlichkeit für die Entdeckung langlebiger Teilchen zu erhöhen.
Weil die durch den Zerfall eines langlebigen Teilchens entstehenden Teilchen weit entfernt vom Kollisionspunkt erscheinen würden, können ungewöhnliche Hintergrundquellen auftauchen: Photonen, die als Elektronen fehlinterpretiert werden; Myonen, die falsch gemessen werden und schlecht gemessene Myonen aus kosmischen Strahlen. Myonen aus kosmischen Strahlen stammen von hochenergetischen Teilchen, die mit der Erdatmosphäre kollidieren und die mehr als 90 Meter Gestein über dem ATLAS-Detektor und den Detektor selbst durchdringen können. Weil sie den Detektor nicht zwingenderweise nahe des Kollisionspunktes passieren, können sie so aussehen, als stammten sie aus dem Zerfall eines langlebigen Teilchens. ATLAS-Physiker haben Techniken entwickelt, um die Auswirkungen dieser Hintergrundquellen nicht nur zu reduzieren, sondern auch abzuschätzen.
Die ATLAS Collaboration fand bei ihrer Suche keine Hinweise auf langlebige Teilchen, aber sie konnte die Grenzen für die Massen und Lebenszeiten langlebiger Sleptonen einengen, die innerhalb des Detektors zu Leptonen des Standardmodells zerfallen. Für die Lebenszeit von Sleptonen, für welche die Suche am empfindlichsten ist (etwa 0,1 Nanosekunden, was einer Flugstrecke von 30 Zentimetern entspricht), schlossen die Forscher Selektronen und Smyonen bis zu einer Masse von etwa 700 Gigaelektronenvolt aus. Stau-Teilchen wurden bis zu einer Masse von 350 Gigaelektronenvolt ausgeschlossen.
Die vorherigen genauesten Grenzen für diese langlebigen Teilchen lagen bei etwa 90 Gigaelektronenvolt und stammten von mehr als 20 Jahre alten Experimenten am Large Electron-Positron Collider (LEP), dem Vorläufer des LHC am CERN. Die neuen Ergebnisse kommen nicht nur an die besten Ergebnisse des LEP heran, sondern übertreffen sie sogar.
(THK)
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