CERN: Der
Grosse Hadronen-Speicherring (Large Hadron Collider LHC)
PSI - Beobachtung eines neuen Teilchens mit einer Masse von 125 GeV
In einem gemeinsamen Seminar am CERN und bei der «ICHEP 2012» Konferenz[1] in Melbourne haben Wissenschaftler des Compact Muon Solenoid Experiments (CMS) ihre vorläufigen Ergebnisse der Suche nach dem Higgs Boson des Standardmodells (SM) mit den bis Juni 2012 genommenen Daten vorgestellt.
CMS beobachtet einen Überschuss an Ereignissen bei einer Masse von etwa 125 GeV[2] mit einer statistischen Signifikanz von fünf Standardabweichungen (5 sigma)[3] über dem erwarteten Untergrund. Die Wahrscheinlichkeit einer Fluktuation allein des Untergrundes in mindestens diesem Ausmass beträgt eins zu drei Millionen. Am stärksten sind die Hinweise in den zwei Endzuständen mit der besten Massenauflösung:
Zum einen dem Zwei-Photon Endzustand und zum anderen im Endzustand mit zwei Paaren von Leptonen (Elektronen oder Myonen). Wir interpretieren dies als Folge der Produktion eines bisher unbeobachteten Teilchens mit einer Masse von etwa 125 GeV.
Darüber hinaus schliessen die CMS Daten die Existenz des SM Higgs Bosons in den Massenbereichen 110-122.5 GeV und 127-600 GeV mit einem Konfidenzniveau [4] von 95% aus - niedrigere Massen wurden bereits mit der selben statistischen Sicherheit am LEP Beschleuniger bei CERN ausgeschlossen.
Innerhalb der statistischen und systematischen Unsicherheiten sind die Resultate in den verschiedenen Kanälen vereinbar mit den Erwartungen für das SM Higgs Boson. Allerdings sind mehr Daten nötig um sicher feststellen zu können, ob dieses neue Teilchen wirklich alle Eigenschaften des SM Higgs Bosons hat. Wenn nicht bedeutet dies, dass es neue Physik gibt, die über das Standardmodell hinausgeht.
Der LHC liefert weiterhin neue Daten in eindrucksvollen Mengen. Bis Ende 2012 hofft CMS seine bisherige Datenmenge mehr als verdreifacht zu haben. Diese Daten werden es CMS erlauben, die Eigenschaften des neu beobachteten Teilchen genauer zu untersuchen. Ausserdem werden sie es CMS ermöglichen, seine vielen anderen Suchen nach neuer Physik zu erweitern und zu verfeinern.
CMS Suchstrategie
CMS hat alle Daten von Proton-Proton Kollisionen analysiert die im Jahr 2011 und bis zum 18. Juni 2012 aufgezeichnet wurden. Diese Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von bis zu 5.1 fb-1 bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV von 2011 und bis zu 5.3 fb-1 bei 8 TeV von 2012.
Das Standardmodell sagt voraus, dass das Higgs Boson nach sehr kurzer Zeit in andere wohlbekannte Teilchen zerfällt. CMS hat die fünf wichtigsten Zerfallskanäle des Higgs Bosons untersucht. Drei Kanäle liefern Paare von Bosonen (γγ, ZZ oder WW) und zwei Kanäle ergeben Paare von Fermionen (bb oder ττ). Dabei bezeichnet γ ein Photon, Z und W bezeichnen die Träger der schwachen Wechselwirkung, b bezeichnet ein bottom Quark und τ bezeichnet ein tau Lepton. Die γγ, ZZ und WW Kanäle haben die gleiche Empfindlichkeit für die Suche nach einem Higgs Boson bei etwa 125 GeV und sind alle empfindlicher als die bb und ττ Kanäle.
Die γγ and ZZ Kanäle sind besonders wichtig, da sie beide eine genaue Messung der Masse des neuen Teilchens erlauben. Im γγ Kanal wird die Masse aus den Energien und Richtungen zweier hochenergetischer Photonen bestimmt, die im elektromagnetischen Kristall-Kalorimeter von CMS nachgewiesen wurden (ECAL). Im ZZ Kanal wird die Masse aus den Zerfällen der zwei Z Bosonen in zwei Paare von Elektronen, zwei Paare von Myonen oder ein Paar von Elektronen und ein Paar von Myonen, bestimmt. Nachgewiesen werden sie im ECAL, im inneren Spurdetektor und in den Myon Detektoren.
Der WW Kanal ist komplizierter. Jedes W wird durch seinen Zerfall in ein Elektron und ein Neutrino oder in ein Myon und ein Neutrino identifiziert. Die Neutrinos durchqueren den Detektor unentdeckt, daher zeigt sich das SM Higgs Boson hier durch einen breit verteilten Überschuss in der Massenverteilung und nicht in einem schmalen Massenband. Der bb-Kanal weist mehr Untergrund von Standardmodellprozessen auf, deshalb wird in diesen Analysen nach Ereignissen gesucht, in denen das Higgs Boson zusammen mit einem W oder Z produziert wird, das dann in Elektronen oder Myonen zerfällt. Der ττ Kanal wird durch die Beobachtung von τ Zerfällen in Elektronen, Myonen und Hadronen, gemessen.
Zusammenfassung der CMS Resultate
Die CMS Daten sollten empfindlich genug sein, um den Massenbereich 110-600 GeV mit einem Konfidenzniveau von 95% komplett auszuschliessen, falls das SM Higgs Teilchen nicht existiert. Tatsächlich schliessen die CMS-Daten die Existenz des SM Higgs Bosons in zwei breiten Massenbereichen von110-122.5 GeV und 127-600 GeV mit einem Konfidenzniveau von 95% aus. Der Bereich 122.5-127 GeV kann nicht ausgeschlossen werden, da wir einen Überschuss an Ereignissen in drei der fünf untersuchten Zerfallskanäle messen:
- γγ-Kanal: Die γγ-Massenverteilung ist in gezeigt. Es gibt einen Überschuss von Ereignissen über dem Untergrund mit einer Signifikanz von 4.1 Sigma und bei einer Masse nahe 125 GeV. Die Beobachtung des Endzustandes mit einem Photonenpaar bedeutet, dass das neue Teilchen ein Boson und nicht ein Fermion ist, und dass es kein Teilchen mit "Spin 1" sein kann.
- ZZ-Kanal: zeigt die Massenverteilung der vier Leptonen (zwei Paare von Elektronen oder zwei Paare von Myonen, oder je ein Paar von Elektronen und Myonen). Unter Einbeziehung der Zerfallswinkelverteilung ergibt sich ein Überschuss von 3.2 Sigma über dem Untergrund bei einer Masse nahe 125 GeV.
- WW- Kanal: ein breiter Überschuss von 1.5 Sigma wird in der Massenverteilung beobachtet.
- bb- und ττ- Kanäle: es wird kein Überschuss beobachtet.
Die statistische Signifikanz des Signals bei Kombination aller fünf Kanäleliegt bei 4.9 Sigma über dem Untergrund. Eine Kombination der zwei empfindlichsten und bestauflösenden Kanäle (γγ und ZZ) ergibt eine statistische Signifikanz von 5.0 Sigma. Die Wahrscheinlichkeit, dass Untergrundereignisse bis zu dieser Höhe oder mehr fluktuieren, ist etwa eins zu drei Millionen.
Die Masse des neuen Teilchens wird mit 125.3 +/- 0.6 GeV bestimmt, unabhängig von allen Annahmen über die erwartete relative Anzahl der Ereignisse in den verschiedenen Zerfallskanälen. Die gemessene Erzeugungsrate (σDaten) dieses neuen Teilchens ist konsistent mit der vorhergesagten Rate (σSM) für das SM Higgs Boson: σDaten/σSM = 0.80 +/- 0.22.
Besondere Sorgfalt wurde aufgewendet, um zahlreiche Details der Messgenauigkeit des CMS Detektors, der Ereignisauswahl, der Untergrundbestimmung und anderer möglicher Quellen von statistischen und systematischen Unsicherheiten zu verstehen.
Die Analyse der Daten des Jahres 2011 [6] zeigte einen Überschuss an Ereignissen bei etwa 125 GeV. Um eine mögliche Voreingenommenheit bei den Auswahlkriterien für die Daten des Jahres 2012 zu vermeiden, welche diesen Überschuss künstlich erhöhen könnte, wurde die diesjährige Analyse «blind» [7] durchgeführt. Dies bedeutet, dass die interessante Region erst nach vollständiger Kontrolle und Bestätigung aller Analysekriterien untersucht wurde. Zu weiterer Sicherheit wurden die Analysen von mindestens zwei unabhängigen Teams durchgeführt.
Mehrere andere Beobachtungen stärken das Vertrauen in die Resultate:
- Der Überschuss bei etwa 125 GeV ist sowohl in den Daten von 2011 (7 TeV) als auch in denen von 2012 (8 TeV) sichtbar;
- In den beiden hochauflösenden Kanälen (γγ und ZZ) ist der Überschuss bei der gleichen Masse sichtbar;
- Der Überschuss im WW-Kanal ist konsistent mit dem, der von einem Teilchen mit einer Masse von 125 GeV erzeugt würde;
- Der Überschuss wird in mehreren verschiedenen Endzuständen mit Photonen, Elektronen, Myonen und Hadronen beobachtet.
Die vorgestellten vorläufigen Ergebnisse werden verfeinert werden mit dem Ziel, sie gegen Ende des Sommers 2012 zur Veröffentlichung einzureichen.
Zukunftspläne
Das neue Teilchen, das bei einer Masse von ungefähr 125 GeV beobachtet wurde, ist innerhalb der beschränkten statistischen Genauigkeit mit einem SM Higgs Boson verträglich. Jedoch sind mehr Daten nötig, um seine Eigenschaften wie die Zerfallsraten in die verschiedenen Kanäle (γγ, ZZ, WW, bb und ττ) und letztlich seinen Spin und seine Parität zu messen und somit sicher feststellen zu können, ob es entweder wirklich das SM Higgs Boson oder das Resultat neuer physikalischer Prozessen ist, die über das Standardmodell hinausgehen.
Der LHC funktioniert weiterhin hervorragend. Bis Ende 2012 erwartet CMS mehr als das Dreifache der bisherigen Datenmenge, um in der Folge weitere Untersuchungen der Eigenschaften dieses neuen Teilchens durchführen zu können. Falls dieses Teilchen wirklich das SM Higgs Boson ist, werden seine Eigenschaften und die Auswirkungen für das Standardmodell im Detail studiert werden. Wenn es sich nicht um das SM Higgs Boson handelt, wird CMS die Natur der neuen Physik erforschen, die ihm zugrunde liegt, was zur Entdeckung weiterer Teilchen führen könnte. Auf alle Fälle werden die Suchen nach anderen neuen Teilchen oder Kräften in zukünftigen Betriebsperioden des LHC bei höheren Strahlenergien und Intensitäten fortgesetzt werden.
Über CMS
CMS ist eines von zwei Allzweck-Experimenten am LHC, das für die Suche nach neuer Physik gebaut wurde. Es wurde entworfen, um eine grosse Vielzahl von Teilchen und Phänomenen zu entdecken, die in den hochenergetischen Proton-Proton und Schwerionen-Kollisionen erzeugt werden können. Es soll helfen Fragen zu beantworten wie: «Woraus besteht das Universum und welche Kräfte wirken in ihm?» und «Was ist Materie?». Es wird auch bekannte Teilchen mit nie dagewesener Präzision vermessen und nach völlig neuen, unvorhergesagten Phänomenen suchen.
Diese Forschung vertieft nicht nur unser Verständnis für das Funktionieren des Universums sondern kann möglicherweise später neue Technologien hervorbringen, welche die Welt verändern, wie es in Vergangenheit schon öfter vorgekommen ist.
Das Konzept des CMS Experiments stammt von 1992. Dieser gigantische Detektor (15m Durchmesser, fast 29m Länge und ein Gewicht von 14000 Tonnen) wurde in 16 Jahren von einer der grössten jemals zusammengekommenen internationalen wissenschaftlichen Kollaborationen gebaut. Sie umfasst 3275 Physiker (einschliesslich 1535 Studenten) plus 790 Ingenieure und Techniker, von 179 Instituten und Forschungslabors aus 41 über die ganze Welt verteilten Ländern.
Weitere Informationen: http://cern.ch/cms ; Kontaktadresse: cms.outreach@cern.ch.
Der Beitrag schweizer Institute zum CMS Experiment
Die ETH Zürich, das Paul Scherrer Institut (PSI) sowie die Universität Zürich nehmen im CMS Experiment eine führende Rolle ein, die mit der Planung und dem Bau des Experiments begann, und die sie auch heute im Betrieb und bei der Datenanalyse weiterhin behaupten. Sie leisteten entscheidende Beiträge bei der Entwicklung und Konstruktion des elektromagnetischen Kalorimeters sowie des Silizium-Pixel-Detektors. Ferner waren sie beim Bau des Silizium-Streifendetektors und des supraleitenden Magneten beteiligt, des grössten dieser Art, der jemals gebaut wurde. Ohne die überragende Leistungsfähigkeit dieser Komponenten wären die heute gezeigten wichtigen Forschungsergebnisse nicht möglich gewesen.
Schweizer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben an der Auswertung der Daten mitgearbeitet und zu den heute gezeigten Ergebnissen zur Suche nach dem Higgsboson zentral beigetragen. Darüber hinaus engagieren sie sich bei der Suche nach «neuen» Physikphänomenen, die nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben werden. In diesem Zusammenhang gab es schon mehrere vielbeachtete CMS-Publikationen.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der ETH, des PSI und der Universität Zürich arbeiten in der Datenanalyse und der Detektorentwicklung eng zusammen und betreiben gemeinsam einen Computer-Cluster zur Analyse von CMS Daten am PSI. Das CMS-Projekt wird vom Staatssekretariat für Bildung und Forschung (SBF), dem ETH-Rat, der ETH Zürich, dem PSI, dem Schweizerischen Nationalfonds und dem Kanton Zürich finanziell unterstützt.
Fussnoten
[1] ICHEP ist die 36. Internationale Konferenz für Hochenergiephysik, die in Melbourne, Australien, von 4. -11. Juli 2012 stattfindet. Die Resultate werden simultan präsentiert: am CERN und durch Videokonferenz an der ICHEP.
[2] Das Elektronvolt (eV) ist eine Energieeinheit. In der Teilchenphysik, wo Masse und Energie oft gleichberechtigt verwendet werden, ist es üblich, eV/c2 als Masseneinheit zu verwenden (wegen E = mc2, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum ist). Noch üblicher ist die Verwendung eines Systems mit natürlichen Einheiten, in dem c als eins gesetzt wird (also E = m), und somit eV auch eine Masseneinheit ist.
3] Die Standardabweichung ist ein Mass für die Unverträglichkeit eines Datensatzes mit einer wahren Hypothese. Physiker drücken Standardabweichungen in "sigma" aus. Je grösser die Zahl der sigma ist, um so unverträglicher sind die Daten mit der Hypothese. Je unerwarteter eine Entdeckung ist, um so grösser muss typischerweise die Zahl der sigma sein, die Physiker verlangen um von der Richtigkeit überzeugt zu werden.
[4] Das Konfidenzniveau ist ein statistisches Mass, das besagt, wie oft Testergebnisse bei 100 Messungen in einem bestimmten Bereich erwartet werden können. So bedeutet zum Beispiel ein Konfidenzniveau von 95%, dass das Resultat einer Messung in 95% der Fälle mit den Erwartungen übereinstimmt. (Quelle: NADbank)
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.
Grosse Wahrscheinlichkeit für neues Teilchen
Das Resultat vom CERN zeigt mit hoher statistischer Signifikanz die Existenz eines neuen schweren Teilchens, welches ein sehr guter Kandidat für das lange gesuchte Higgs-Teilchen ist. Es sind aber weitere Untersuchungen und mehr Daten nötig, um die genaue Natur dieses Teilchens zu erforschen.
Die Physikerinnen und Physiker am CERN werden jedoch alles tun, um diese faszinierenden Erkenntnisse vollständig zu verstehen, sagt Prof. Antonio Ereditato, Direktor des Albert Einstein Center for Fundamental Physics der Universität Bern und Leiter der Berner Gruppe in der ATLAS-Kollaboration: «Die Berner Physikerinnen und Physiker, die im ATLAS-Experiment beteiligt sind, ernten mit diesem wichtigen Resultat die Früchte jahrelanger Arbeit. Wir sind stark in der Forschung involviert, die uns ein tieferes Verständnis des Universums und dessen fundamentaler Gesetze gibt.»
Berner sind seit den Anfängen beteiligt
Die Berner ATLAS-Gruppe wurde in den 90er Jahren gegründet und leistete seither wichtige Beiträge: so wurde die Auswahl der Ereignisse und deren Aufzeichnung massgebend von Bern entwickelt. Berner Messungen der Eigenschaften von bereits bekannten Teilchen des Standardmodells bilden ausserdem die Grundlage für die Suche nach dem Higgs-Boson oder anderen vorhergesagten Teilchen.
In Bern wird zudem ein Cluster von 3000 Computern für die Simulation und Auswertung der Daten betrieben, was besonders für die heute präsentierten Resultate relevant war. Die Berner Physikerinnen und Physiker sind auch in zukünftigen Upgrades des grossen Detektors involviert. Eine hochkomplexe Apparatur wie ATLAS muss laufend auf den neuesten technischen Standgebracht werden und für neue Herausforderungen - wie erhöhte Raten von Kollisionen - aufgerüstet werden.
«Wir sind der Universität Bern und dem Kanton Bern sehr dankbar für die jahrelange Unterstützung», sagt Ereditato. «Der direkte Beitrag des Kantons an den Kauf von Spulen und Kabel für supraleitende Magnete im ATLAS-Detektor und die Gründung des Albert Einstein Centers for Fundamental Physics an der Universität verlieh unseren Aktivitäten einen riesigen Aufschwung».
Die Universitätsleitung verfolgt mit Interesse die Grundlagenforschung am CERN: «Die Universität Bern ist stolz darauf, zu dieser bahnbrechenden Forschung ihren Beitrag leisten zu können», meint Prof. Martin Täuber, Rektor der Universität Bern.
Die Universität Bern am weltgrössten Physik-Experiment
Der ATLAS-Detektor ist der grösste der vier Detektoren, die im «Large Hadron Collider» (LHC) am CERN eingebaut sind. Läuft der LHC auf vollen Touren, finden im ATLAS-Detektor pro Sekunde eine Milliarde Protonen-Kollisionen statt. Eine der Aufgaben des Berner Teams ist es, aus dieser Datenflut die aussagekräftigsten Kollisionen in Echtzeit herauszufiltern. In der ATLAS-Kollaboration arbeitet derzeit eine Gruppe von 15 Berner Forschenden unter der Koordination von Michele Weber vom Laboratorium für Hochenergiephysik (LHEP) mit.
