Daten des Large Hadron Collider am CERN könnten beim Aufspüren lange gesuchter Axionen helfen
10.12.2019
Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, die Physiker zunächst postuliert haben, um eine theoretische Unzulänglichkeit der starken Wechselwirkung, das sogenannte starke CP Problem, zu lösen. In den vergangenen Jahren stellte sich jedoch heraus, dass Axionen oder axionartige Teilchen (ALPs) auch weitere Rätsel der modernen Physik lösen könnten: Sie werden als vielversprechende Kandidaten der Dunklen Materie gehandelt und könnten zudem die Theorie-Experiment-Diskrepanz für den Wert des anomalen magnetischen Moments des Myons erklären, wie Mainzer Physiker kürzlich zeigen konnten. Die Suche nach solchen ALPs ist daher hochaktuell. "In den letzten Jahren haben Physikerinnen und Physiker zahlreiche Experimente entwickelt, vor allem um nach sehr leichten ALPs als Kandidaten für die Dunkle Materie zu suchen", erläutert Prof. Dr. Matthias Schott. "Wir schlagen nun erstmals ein detailliertes Forschungsprogramm am ATLAS-Experiment des LHC vor, mit dem wir gezielt nach relativ schweren ALPs suchen können, die das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons erklären können."
Diese Suche kann jetzt beginnen: Der Europäische Forschungsrat (ERC) unterstützt das Projekt "Search for Axion-Like-Particles at the LHC – Light@LHC" mit einem ERC Consolidator Grant für Prof. Dr. Matthias Schott in Höhe von mehr als 1,5 Millionen Euro. Das Projekt wird in den kommenden fünf Jahren am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) realisiert.
Neue Analyse-Algorithmen beruhen auf künstlicher Intelligenz
Wenn der LHC, der weltgrößte Teilchenbeschleuniger, nach seiner großen Betriebspause im Jahr 2021 wieder an den Start geht, wollen die Forscher um Prof. Dr. Matthias Schott bei Kollisionen von Protonen oder Bleiatomen vor allem zwei Prozesse unter die Lupe nehmen: Im ersten wird angenommen, dass ein Higgs-Boson in zwei ALPs und diese wiederum in je zwei Photonen zerfallen, im zweiten wird postuliert, dass sich ALPs zunächst aus zwei Photonen bilden und anschließend wieder in zwei Photonen zerfallen.
Was einfach klingt, ist technisch hochkompliziert. "Wir brauchen dazu völlig neue Ansätze, um Photonen zu identifizieren und die Ergebnisse zu analysieren", erklärt Schott. "Um die benötigte Empfindlichkeit zum Nachweis der Photonen zu erreichen, müssen wir beispielsweise spezielle Rekonstruktionsalgorithmen entwickeln, die auf modernen Ansätzen der künstlichen Intelligenz beruhen. Natürlich hoffen wir, dass sich diese Entwicklungen auch in vielen anderen Physikbereichen am ATLAS-Experiment auszahlen werden." Doch es geht noch weiter: Selbst mit den speziell weiterentwickelten Algorithmen, mit denen die Forscher einen sehr großen Suchbereich abdecken können, können sie nicht alle ALPs, die sie ins Visier genommen haben, "erwischen". Um auch diese Lücke zu schließen, wird am CERN voraussichtlich ab 2021 ein neues Experiment in einem Seitentunnel des LHC die Arbeit aufnehmen: Etwa 480 Meter hinter dem ATLAS-Experiment soll der FASER-Detektor vor allem solche Teilchen registrieren, die so schwach mit anderen Teilchen wechselwirken, dass sie einfach weiter geradeaus fliegen und so für die bisherigen Detektoren unsichtbar sind. "Damit ist FASER sozusagen prädestiniert für die Suche nach ALPs. Im Rahmen des ERC Grant ist geplant, eine speziell hierfür konzipierte Komponente des Detektors in Mainz aufzubauen und dann zum CERN zu transportieren."
ERC Consolidator Grant für herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
Der ERC Consolidator Grant ist eine der höchstdotierten Fördermaßnahmen der EU für einzelne Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Europäische Forschungsrat fördert damit herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 7 bis 12 Jahre nach der Promotion im Ausbau des eigenen Forschungsprogramms. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Exzellenz müssen die Antragstellerinnen und Antragsteller den bahnbrechenden Ansatz ihres Projekts und seine Machbarkeit nachweisen, um die Förderung zu erhalten.
Matthias Schott, 1979 in Nürnberg geboren, studierte Physik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der University of Cambridge in Großbritannien, bevor er an der Ludwig-Maximilians-Universität München promovierte. Im Jahr 2008 erhielt er eines der renommierten Fellowships am Genfer Forschungszentrum CERN und zählt seit 2010 aufgrund seiner ausgezeichneten Forschungsleistungen zum CERN Research Staff. Im August 2012 kam Matthias Schott an die JGU, um hier eine von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Emmy Noether-Nachwuchsgruppe einzurichten; später erhielt er eine von der VolkswagenStiftung geförderte Lichtenberg-Professur, die auf die hochpräzise Messung der Masse des W-Bosons an großen Beschleunigern abzielt. Nach Forschungsaufenthalten am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA und am University College London setzt Matthias Schott seine Forschung als W3-Professor für Experimentelle Teilchenphysik an der JGU fort.