Präzision mit breitem Nutzen

Der Nachwuchsforscher Marco Valente ist im Tessin geboren und arbeitet heute an der Universität Genf. Dort evaluiert er die Leistungsfähigkeit eines Verfahrens, von dem erwartet wird, dass es wichtige Messungen des ATLAS-Experiments am CERN künftig verbessern wird. Für seine aktuellen Arbeiten durfte der 23jährige Teilchenphysiker einen Posterpreis der Schweizerischer Physikalischer Gesellschaft (SPG) entgegennehmen.

Marco Valente mit dem Poster, für das er während des Jahrestreffens 2016 von CHIPP und SPG ausgezeichnet wurde.
Bild: B. Vogel

In Schweizer Städten wie Basel, Bern, Genf, Lausanne oder Zürich hat die Teilchenphysik jeweils eine starke Verankerung mit den universitären Instituten, die sich mit Forschung und Lehre in der theoretischen und experimentellen Teilchenphysik befassen. Das Tessin hat zwar eine Universität, die Teilchenphysik ist hier aber nicht vertreten. Junge Tessinerinnen und Tessiner, die nach der Matura ein Studium der Teilchenphysik anstreben, müssen daher an eine Universität nördlich der Alpen wechseln.

Von LHCb zu ATLAS

Marco Valente – als Sohn eines Architekten und einer Verkäuferin in Mendrisio geboren und aufgewachsen – zog nach der Matura nach Lausanne an die EPFL für sein Bachelor-Studium. Im März 2016 schloss er sein Physikstudium mit einer Masterarbeit über Mischung und CP-Verletzung von Charm-Mesonen ab, die er in der LHCb-Gruppe von Prof. Olivier Schneider an der EPFL erarbeitet hatte. Anschliessend erhielt Marco Valente eine Doktoratsstelle bei Prof. Anna Sfyrla, eine Teilchenphysikerin an der Universität Genf, die bei ATLAS arbeitet, einem der grossen Experimente am CERN-Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC).

Nachwuchsforscher, die neu zum ATLAS-Team stossen, arbeiten im ersten Jahr an einer 'Qualifizierungs-Aufgabe'. Darunter wird eine Forschungstätigkeit verstanden, mit der die neuen Mitglieder einen vertieften Blick in die ATLAS-Kollaboration gewinnen, und aus der ein Gewinn für die ganze Kollaboration hervorgeht. Die Qualifizierungs-Aufgabe von Marco Valente bezieht sich auf ein genau Bestimmung des 'fehlenden Transversal-Impulses', kurz MET, bei Proton-Proton Kollisionen. Sehr allgemein ausgedrückt ist MET eine physikalische Grösse, die von den Teilchendetektoren des LHC nach dem Zusammenstoss von zwei Protonen gemessen wird. Das Prinzip, das dieser Messung zugrunde liegt, ist ein sehr grundlegendes Gesetz der Physik, das besagt, dass die Summe der Transversal-Impulse aller beteiligten Teilchen im Zuge einer hochenergetischen Teilchenkollision erhalten bleibt (für zwei LHC-Protonen ist die Summe der Transversal-Impulse zu Beginn null). Nimmt man an, dass alle Teilchen, die aus einer Proton-Proton-Kollision hervorgehen, durch den ATLAS-Detektor vollständig erfasst werden, würde dieses Gesetz implizieren, dass für die Summe dieser Teilchen ebenfalls MET = 0 gilt. Entwischt dem Detektor im Zuge der Kollision jedoch ein Teil der Teilchen, ist der Transversal-Impuls MET nicht mehr gleich 0. Innerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik sind in der Regel Neutrinos die Ursache, dass MET bei Proton-Proton-Kollisionen am LHC von Null abweicht, da diese in einem Detektor wie dem ATLAS Detektor nicht direkt nachgewiesen werden können. Verschiedene moderne Modelle theoretischer Physiker sehen aber noch andere mögliche Ursachen, dass MET von Null abweichen kann. In diesen Modellen ist dies ein Hinweis auf bisher unbekannte Formen von Materie, beispielsweise Dunkle Materie oder supersymmetrische Teilchen.

Eine Grundlage für weitere Forschungen

Die möglichst genaue Messung von MET ist eine wichtige Grundlage für die Forschungen, die am ATLAS-Experiment betrieben werden. Marco Valente: „Ein Team von ca. zehn Physikern arbeitet am ATLAS-Experiment an einer Rekonstruktionstechnik mit dem Namen 'Particle Flow'. Diese Technik zielt darauf ab, die Objektrekonstruktion am ATLAS-Detektor zu verbessern. Während meines ersten Halbjahres am ATLAS-Experiment habe ich versucht, diese Rekonstruktionsmethode auf die MET-Messung anzuwenden. Ich habe ein vorbereitendes Leistungsassessment etabliert, wobei ich verschiedene Kategorien von simulierten Proton-Proton Kollisionsereignissen verwendet habe. Meine letzten Untersuchungen scheinen zu zeigen, dass 'Particle Flow' geeignet ist, die Genauigkeit der MET-Messungen am ATLAS-Detektor zu verbessern. Wenn dieses Ergebnis durch die noch ausstehende Validierung bestätigt wird, wird es in Zukunft eine Grundlage für verschiedene ATLAS-Arbeitsgruppen bilden, die sich mit der Suche von Dunkler Materie, supersymmetrischen Teilchen, sterilen Neutrinos und mit der weiteren Untersuchung des unlängst entdeckten Higgs-Bosons befassen.“

Marco Valente hat seine vorläufigen Erkenntnisse anlässlich der Postersession des Jahrestreffens von der SPG vorgestellt. Dieses fand vom 23. bis 25. August 2016 an der Università della Svizzera italiana (USI) in Lugano statt. Für seinen hervorragenden Beitrag zur ATLAS-Kollaboration durfte er in Lugano einen der drei vergebenen Poster-Preise entgegen nehmen. Diese Arbeit ist für Marco Valente auch der erste Schritt hin zu der geplanten Doktorarbeit über supersymmetrische Teilchen. Diese Arbeit steht im Kontext des übergeordneten Ziels, die Idee von theoretischen Physikern zu bestätigen, wonach jedes der 18 bekannten Elementarteilchen einen supersymmetrischen Partner hat. „Wir hoffen, während des zur Zeit laufenden Durchgangs des LHC bei einer Energie von 13 TeV supersymmetrische Teilchen zu entdecken“, sagt Valente. Fantastische Perspektiven!

Autor: Benedikt Vogel

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