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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) heute ihre vorläufigen Ergebnisse der Suche nach dem Higgs Boson des Standardmodells (SM) mit den bis Juni 2012 genommenen Daten vorgestellt. Die CMS Kollaboration enthält eine starke Gruppe aus Physikern des PSI Labors für Teilchenphysik. 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.
Dieser Text wurde freundlicherweise vom Pressesprecher des CMS Lucas Taylor zur Verfügung gestellt
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, Abbildung 1). 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 (Abbildung 2). 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 Abbildung 3 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: Abbildung 4 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 Kanäle (Abbildung 5) liegt 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 heute vorgestellten vorläufigen Ergebnisse werden verfeinert werden mit dem Ziel, sie gegen Ende des Sommers 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.
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.Das PSI hat vor allem mit der Neutentwicklungen von Detektor-Technologien zum Bau von CMS beigetragen.
Elektromagnetisches Kalorimeter
Zur Messung der Energie von hochenergetischen Elektronen und Photonen besitzt das CMS Experiment ein sehr kompaktes und hochaufloesendes Blei-Wolframat-Kristall-Kalorimeter. Es ist die Schlüssel-Komponente zur Messung des Zerfalls des Higg-Bosons in zwei Photonen, der im Moment das signifikannteste Signal des neuentdeckten Elementarteilchens liefert.
Entscheidend für die Realisierung des kompakten Designs ist die Verwendung neuartiger sehr empfindlicher Lichtsensoren, die vom PSI vorgeschlagen wurden. Ferner wurden die nötigen Spezifikationen vom PSI beireitgestellt, und die Entwicklung der Bauelemente in der Industrie durch kontinuierliches Testen der Prototypen geleitet.
Pixeldetektor
Jedes Mal, wenn sich die beiden Strahlen des LHC-Beschleunigers im Innernvon CMS Treffen, gibt es im Durchschnitt 30 Proton-Proton Kollisionen gleichzeitig. Bei jeder dieser Kollisionen entsteht eine Vielzahl geladener Elementarteilchen. Diese werden mit Hilfe eines Spurdetetkors aus Silizium-Detektoren verfolgt, dessen innerster Teil der sehr innovative Pixeldetektor bildet. Seine Signale bilden die Grundlage des sehr komplexen Prozesses der Spurrekonstruktion. Der Pixel-Barrel-Detektor wurde unter Fuehrung des PSI gemeinsam mit der ETH und der Universität Zürich entwickelt und gebaut. Die genaue Spurrekonstruktion der Elektronen und Myonen ist ein sehr wichtiger Teil des zweiten oben dargestellen Zerfalls-Kanals des Higgs-Bosons in vier Elektronen oder Myonen. Auch ist es wichtig, sicher zu stellen, dass diese vier Teilchen tatsächlich von der selben Kollision stammen. Die Zuordnung der Vielzahl von Spuren zu den Kollisionspunkten (Primären Vertices) wäre ohne den Pixeldetektor nicht möglich.
Mit beiden Projekten wurde technisches Neuland betreten. Die neuentwickelten Detektortechnologien sind inzwischen von anderen Wissenschaftsfeldern aufgegriffen worden. So finden die APDs inzwischen Anwendung in der Astrophysik und Medizin, während die sich Silizium-Pixel-Detektoren gut für Experimente an Synchrotron-Lichtquellen, wie z.B. der SLS des PSI eignen. Um die weltweite Nachfrage nach Pixeldetektoren befriedigen zu koennen, wurde 2006 die Firma Dectris gegründet, die solche Detektoren sehr erfolgreich baut und vertreibt.
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)
Über das PSI
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.