Die Suche nach Supersymmetrie

Ausschlussgrenzen der ATLAS-Kollaboration für die Existenz von supersymmetrischen Teilchen. Gezeigt sind die in verschiedenen Analysen gewonnenen Massengrenzen (95% Vertrauensniveau).

Ein weiterer wichtiger Forschungsschwerpunkt im ATLAS-Experiment stellt die Suche nach Erweiterungen des Standardmodells dar. Hierbei ist insbesondere eine supersymmetrische Erweiterung theoretisch gut motiviert.

Sollten supersymmetrischen Partnerteilchen existieren, so würden sie, falls die Erhaltung der R-Parität angenommen wird, über Kaskaden in das leichteste supersymmetrische Teilchen zerfallen, das den Detektor ohne Wechselwirkung verlässt und Energie und Impuls wegträgt. Dieses Teilchen ist ein favorisierter Kandidat für die Dunkle Materie. Am LHC werden aufgrund der Kopplung an die starke Wechselwirkung insbesondere die Partnerteilchen der Quarks und Gluonen mit hohen Raten erzeugt. Aufgrund der oben beschriebenen Zerfälle führen sie zur Produktion von Endzuständen mit mehreren Jets und fehlender transversaler Energie. In diesen Endzuständen können auch Leptonen auftreten, die aus Zerfällen von supersymmetrischen Teilchen in der Kaskade entstehen können.

Demzufolge wurden die ersten Suchen nach Supersymmetrie genau in diesen Endzuständen durchgeführt. Aufgrund des guten Verständnisses der Detektorsignale, insbesondere der Vermessung der fehlenden transversalen Energie (ETmiss), konnten bereits sehr früh erste Ergebnisse veröffentlicht werden. Auch an diesen Analysen waren Gruppen aus Freiburg, Göttingen, Mainz, der LMU München und des MPP München maßgeblich beteiligt. Bereits im Januar 2011 wurden erste Papiere zur SUSY-Suche publiziert, die die Existenz von Partnerteilchen von Quarks und Gluonen mit Massenwerten, die signifikant über den bisher vom Tevatron gefundenen lagen, ausgeschlossen. Mittlerweile sind diese Massengrenzen auf Werte von etwa 1 TeV/c² ausgedehnt worden. Hier zeigt sich erneut das überaus hohe Potential der LHC-Experimente basierend auf der höheren Kollisionsenergie des LHC und Leistungsfähigkeit der Detektoren.

Neben diesen Analysen wurden zahlreiche weitere Analysen von der ATLAS-Kollaboration durchgeführt, in denen viele andere exklusivere Endzustände betrachtet wurden. Auch an diesen waren zahlreiche deutsche Gruppen, teilweise federführend, beteiligt. Diese umfassen Endzustände mit b-Quarks und ETmiss (Freiburg), τ-Leptonen und E_T,miss (Bonn, DESY und Freiburg), Lepton-Paaren und E_T,miss (DESY, Göttingen und Mainz), Photonen (DESY) und Multileptonen (Göttingen).

Darüber hinaus wurden auch R-paritätsverletzende Modelle untersucht (Bonn, Würzburg) und nach Teilchen mit mit langen Lebensdauern gesucht. In allen Suchen waren die ATLAS-Daten kompatibel mit den Erwartungen aus Standardmodellprozessen, sodass auch hier Ausschlussgrenzen auf die Existenz von SUSY-Teilchen gesetzt werden konnten.

Die Interpretation der SUSY Suchen fand bisher in den theoretisch favorisierten Varianten und speziellen Parameterräumen von SUSY Modellen statt. In den kommenden Jahren muss die Suche und Interpretation nach supersymmetrischen Ereignissen werden. Ein Beispiel stellt hierbei die Suche nach einem leichten stop, d.h. einem leichten supersymmetrischen Partnerteilchen des Top-Quarks, dar, das durch die bislang durchgeführten Suchen noch nicht ausgeschlossen ist. Diese werden Gegenstand der kommenden Förderperiode sein.