Der Graph des Monats: Bosonen-Allerlei

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Graf Graph lässt bitten…

Egal, ob bahnbrechende Jahrhundert-Entdeckungen oder die Diskussion minutiöser technischer Feinheiten – fast immer sind in der Physik Grafiken, Plots, Diagramme mit von der Partie.

In diesem Segment nehmen wir uns mal besonders aktuelle, mal einfach nur interessante oder hübsche Grafiken aus der Teilchenphysik und verwandten Gebieten vor, und erzählen, was man sieht und welche physikalischen Phänomene und Ideen dahinter stecken.

Als Einstieg für unser Graph-des-Monats-Feature haben wir diese schöne Grafik des CMS – Experiments ausgewählt, einem der großen Experimente am Large Hadron Collider. Hier gibt es allerlei zu sehen:

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Was sehen wir in diesem hübschen Bild? Zunächst sticht die Beschriftung unten links ins Auge. Die CMS – Kollaboration lässt uns wissen, dass sie die Urheber des Werks sind, und dass es sich um ein vorläufiges Ergebnis handelt.

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Das CMS-Experiment am CERN im ausgefahrenen Zustand. In diesem Detektor wurden die oben gezeigten Daten aufgenommen. Die Myonen werden insbesondere von den in  rot und silber sichtbaren Außenschichten des Detektors registriert.

Die Energie der Kollisionen \sqrt{s}=7 TeV und die Menge der berücksichtigten Kollisionsdaten – die „Integrierte Luminosität“ – sagen uns, dass es sich um eine sehr frühe Messung des LHC handelt  – inzwischen haben die Experimente des LHC die fast 700-fache Menge an Daten gesammelt, und die Energie wurde längst auf erst 8 und nun 13 TeV aufgestockt.

Hier wurden im CMS-Detektor Paare sogenannter Myonen beobachtet, die schweren Geschwister der allseits bekannten Elektronen. Genauer gesagt wurde rekonstruiert, wieviel Energie in die beiden Myonen geflossen ist, und dann auf der horizontalen Achse aufgetragen. Das ist eine sehr interessante Größe, denn nach Einsteins berühmter Formel E=mc^2 ist die Energie proportional zur Masse. Entsteht also ein neues Teilchen einer bestimmten Masse bei der Kollision und zerfällt danach in zwei solche Myonen, werden besonders viele Myonpaare mit der entsprechenden Energie auftreten und wir können so indirekt das kurzlebige Teilchen „sehen“ und seine Masse erfahren.

Ein Blick auf die Grafik zeigt schon, dass hier offenbar gleich eine ganze Reihe unterschiedlich schwerer Teilchen beobachtet wurde, denn die Kurve hat mindestens 9 „Zacken“ bei verschiedenen Energiewerten bzw. Massen! Bei solchen kurzlebigen Teilchen wird die Energie aber in der Regel nicht exakt bei der Masse liegen, da mit der kurzen Lebensdauer eine gewisse Unschärfe der Energie einhergeht.

Bei den ca. neun hier als „Zacken“ sichtbaren Teilchen handelt es sich um sehr unterschiedliche Teilchen, die aber durchweg alte Bekannte waren. Sie wurden hier also nicht vom LHC neu entdeckt, sondern zu Testzwecken „wiederentdeckt“, um zu sehen, dass der Detektor auch korrekt funktioniert.

Ganz rechts sehen wir das Z-Boson. Es ist einer der Überträger der schwachen Kernkraft. Es wurde schon 1967 von den Theoretikern Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg vorhergesagt. Seine Effekte wurden 1973 erstmals experimentell nachgewiesen, und die drei Herren bekamen 1979 dank dieser Bestätigung ihren Nobelpreis. Im Jahr 1983 wurde das Teilchen selbst entdeckt, was den Experimentatoren Carlo Rubbia und Simon van der Meer im Folgejahr prompt ihren eigenen Nobelpreis einbrachte. Keine schlechte Nobelpreisbilanz für ein Teilchen!

Bei den übrigen hier sichtbaren Teilchen handelt es sich um ganz andere Tierchen – sie sind allesamt keine Elementarteilchen, sondern aus Quarks zusammengesetzte Mesonen. Da man aufgrund der starken Kernkraft die von ihr gebundenen Quarks nicht als isolierte Teilchen beobachten kann, ist die Untersuchung solcher Verbindungen eine wichtige Möglichkeit, um diese Kernbausteine zu studieren. Je nachdem, wie eng (grob gesagt) die Bindung der beiden Quarks ist, können sich aus ihnen verschiedene Bindungszustände unterschiedlicher Energie (und damit unterschiedlicher Masse) ergeben, die mit den verschiedenen Anregungszuständen von Atomen vergleichbar sind. Besonders gut sieht man das beim \Upsilon-Meson, der Verbindung eines „bottom“-Quarks und seines Antiteilchens: wenn man genau hinsieht, kann man drei verschiedene Zacken erkennen, die mit 1S, 2S und 3S bezeichnet sind. Durch die Beobachtung solcher \Upsilon-Teilchen wurde das „bottom“-Quark 1977 durch die Gruppe von Leon Lederman überhaupt erst entdeckt. Heute werden spezialisierte, „B-Fabriken“ genannte Experimente wie BELLE-II gebaut, die darauf optimiert sind, \Upsilon-Teilchen zu erzeugen und zu untersuchen.

Und was ist mit dem Higgs-Boson?   Rechts vom Z-Boson geht dem Beschleuniger hier offenbar die Luft aus – nur wenige Myonpaare mit solch hohen Energien werden produziert. Dabei käme doch kurz darüber, bei 125 GeV, das Higgs-Teilchen! Aber auch mit mehr Energie oder mehr Daten würde man das Higgs-Teilchen in dieser Grafik nicht sehen: Weniger als eines aus 4000 Higgsen zerfällt voraussichtlich in zwei Myonen. Hier sind andere Beobachtungen für eine Entdeckung viel besser geeignet.

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