Teilchenphysik bei ATLAS am LHC

Wir forschen mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf. Die zentralen Arbeitsthemen sind die Entwicklung von Auslese- und Trigger-Elektronik für die Kalorimeter von ATLAS und die Erforschung von Higgs-Bosonen in Proton-Proton-Kollisionen bei Schwerpunktsenergien bis zu 14 TeV. Die Entdeckung eines standardmodell-ähnlichen Higgs-Bosons durch die ATLAS- und CMS-Kollaborationen im Jahr 2012 hat den indirekten Nachweis der Existenz eines skalaren Higgs-Feldes erbracht, welches verantwortlich für die elektroschwache Symmetriebrechung und die Masse der Elementarteilchen ist. Die Eigenschaften des Higgs-Bosons zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Standardmodell der Teilchenphysik. Allerdings werden durch dieses Modell nicht alle fundamentalen Fragen der Teilchenphysik geklärt, wie z.B. die Beschreibung von Dunkler Materie im Universum oder eine  dynamische Erklärungen für das Zusammenspiel der Parameter des Standardmodells. Erweiterungen des Standardmodells, wie zum Beispiel durch Supersymmetrie, werden daher mit den ATLAS-Daten weiter überprüft.

In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen uns daher mit der Suche nach weiteren Higgs-Bosonen, wie sie in supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt werden. Dabei sind Zerfälle von neutralen oder geladenen Higgs-Bosonen mit Tau-Leptonen im Endzustand besonders bevorzugt. Dazu untersuchen wir die Rekonstruktion und Identifikation von hadronisch zerfallenden Tau-Leptonen und versuchen, die entsprechenden Algorithmen zu verbessern. Ebenso wichtig ist die Bestimmung der Nachweiseffizienzen und Fehlidentifikationsraten für Tau-Leptonen im ATLAS-Detektor. Dazu benutzen wir bekannte Prozesse wie QCD-Jet-Ereignisse und W- und Z-Boson-Zerfälle in Leptonen mit zusätzlichen Jets. Mit diesen Information lassen sich die Rate von Untergrundprozessen zum Higgs-Signal bestimmen.

In Erweiterungen des Standardmodells mit zusätzlichen Raumdimensionen, wie den Randall-Sundrum-Modellen, werden Anregungen des Gravitons vorhergesagt, die in Paare von Standardmodell-Higgbosonen zerfallen. Wenn diese wiederum in Tau-Lepton-Paare zerfallen entstehen aufgrund der hohen vorhergesagten Masse der Gravitonen geboostete Tau-Paar-Endzustände. Um diese exotischen Physikmodelle am LHC zu untersuchen, haben wir spezielle Rekonstruktionsmethoden für geboostete Tau-Paar-Topolgien entwickelt, die wir in der Auswertung der aktuellen ATLAS-Datensätze anwenden.

Die ATLAS-Datennahmeperiode "Run-2" bei Schwerpunktsenergien von 13 TeV wurde Ende 2018 abgeschlossen. Die Auswertung des gesamten Datensatzes wird zeigen, ob allein das Standardmodell weiterhin gültig ist oder sich Neue Physik manifestiert.

Seit Frühjahr 2019 werden der LHC-Beschleuniger und der ATLAS-Detektor für höhere Energien bis 14 TeV und höhere Strahlintensitäten ausgebaut. Die Wiederaufnahme der Datennahme ist 2021 geplant.