Daten der Natur, Natur der Daten

Higgs-Boson im Fokus

21. September 2020 Wechselwirkungen von Teilchen

Tilman Plehn von der Universität Heidelberg ist begeistert von theoretischer Physik: Mit dem Higgs-Boson setzt der Forscher auf das „exotischste“ Teilchen der modernen Physik. „Ich hoffe sehr, dass wir Wechselwirkungen entdecken, die nicht mit den im Standardmodell
berechneten Wechselwirkungen übereinstimmen.“

Im Genfer Forschungszentrum CERN mit dem Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) ist der DFG-Sonderforschungsbereich „Phänomenologische Elementarteilchenphysik nach der Higgs-Entdeckung“ angesiedelt. Mit dabei: Tilman Plehn von der Universi

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik beschreibt mathematisch die Bausteine der Welt und ihre Wechselwirkungen. „Aber es gibt auch viele offene Fragen, die das Regelwerk nicht beantworten kann“, sagt Plehn. Und einige Aspekte des SM werfen die Frage auf, ob die bisher als fundamental gewertete Theorie nicht nur die Näherung einer noch grundlegenderen Theorie darstellt, die es noch zu entdecken gilt. So lassen sich beispielsweise der Materieüberschuss im Universum oder die Dunkle Materie, aus der immerhin ein Viertel des Universums Forschungsförderung besteht, nicht mit dem Standardmodell erklären. „Die Dunkle Materie ist diesbezüglich das größte ungelöste Rätsel“, so Plehn. Für ihn ist es extrem wichtig, Ideen zu entwickeln, die das Standardmodell erweitern oder gar über den Haufen werfen.

Teilchenphysiker gehen – einfach formuliert – zwei Wege, um herauszufinden, woraus unsere Erde und unser Universum bestehen: Entweder sie suchen und finden neue Teilchen – so wie das Higgs-Boson-Teilchen, das 2012 im Genfer  Forschungszentrum CERN mit dem Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) nachgewiesen wurde. Oder sie beschäftigen sich mit den Wechselwirkungen der Teilchen. Diese Variante ist weniger verbreitet – und Gegenstand des überregionalen DFG- Sonderforschungsbereichs „Phänomenologische Elementarteilchenphysik nach der Higgs-Entdeckung“, der 2019 seine Arbeit aufgenommen hat. Ziel ist es, ein umfassendes Bild einer möglichen Physik jenseits des  Standardmodells zu erhalten. Tilman Plehn ist unter anderem mit dem Teilprojekt „Effektive elektroschwache Lagrange-Funktion im Licht von LHC“ beteiligt. In dem 27 Kilometer langen,  ringförmigen Tunnel des LHC werden Protonen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Detektoren zeichnen die Spuren jener Teilchen auf, die beimZusammenstoß entstehen. „Wir überprüfen im LHC, ob die Wechselwirkungen der Higgs-Teilchen mit den SM-Berechnungen übereinstimmen“, erklärt Plehn. Abweichungen zeigten, dass das SM nicht vollständig ist. 

Um hier weiterzukommen, setzt Plehn mit seinen Kolleginnen und Kollegen auf die effektive Feldtheorie, die es ihnen erlaubt, LHC-Ergebnisse zu Higgs- und elektroschwacher Physik theoretisch vorurteilslos zu interpretieren: „Wir gucken uns viele experimentelle Messungen an und erstellen eine globale Analyse von allen möglichen Higgs-Messungen mit allen möglichen Higgs-Kopplungen“,
erklärt der Physiker. Im Klartext: Die Wissenschaftler sitzen unzählige Stunden am Computer und rechnen – in den vergangenen Jahren vor allem mit klassischen numerischen Methoden. Aber auch Machine-Learning- Methoden haben in die Teilchenphysik Einzug gehalten: für Plehn die „große Hoffnung für all die Dinge, die sich bislang auf Computern numerisch nur schwer rechnen lassen“.