Run 3 von ATLAS am LHC: Untersuchung des Higgs-Potenzials mit dem ATLAS-Experiment am LHC - Verbund: 05H2021

Abstract

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN ermöglicht physikalische Grundlagenforschung zum Standardmodell und dessen Erweiterungen bei höchsten Energien. Insbesondere der zukünftige Betrieb mit erhöhter Luminosität (HL-LHC) stellt ein enormes Potenzial für die Entdeckung und Beobachtung neuer physikalischer Phänomene bereit. Damit können sehr grundlegende Fragen angegangen werden, wie beispielsweise die genaue Form des Higgs-Potenzials, welches das gesamte Universum seit kurz nach dem Urknall ausfüllt. Eine für die Form des Potenzials bedeutsame Größe ergibt sich aus der Selbstwechselwirkung von Higgs-Teilchen (H) entsprechend dem Prozess H→HH. Die Häufigkeit dieser Wechselwirkung hängt vom Wert des λ Parameter des Higgs-Potenzials ab. Eine direkte Messung von λ prüft durch Vergleich mit der Erwartung des Standardmodells, ob das reale Higgs-Potenzial von der adhoc angenommenen, einfachsten, nicht-triviale Form abweicht. Die direkte Messung ist sehr schwierig, weil der H→HH Prozess sehr selten ist. Zugleich gibt es Reaktionen, die im Detektor eine nahezu identische Signatur hinterlassen wie der Endzustand aus zwei Higgs-Teilchen. Erst für HL-LHC wird erwartet, dass eine Messung von λ möglich wird. Neue, KI-basierte Analysemethoden können die experimentelle Sensitivität auf den H→HH Prozesse signifikant steigern und damit eine schnelle Messung von λ ermöglichen. Diese KIbasierten Analysemethoden werden mit einer bereits für andere seltene Reaktionen verwendeten Methode, der Matrix-Element-Methode (MEM), kombiniert. Die MEM macht dabei eine Bewertung der gemessenen Signatur mit Hilfe von theoretischen Berechnungen für den vermuteten Prozess. Diese Bewertung entspricht einer Wahrscheinlichkeit, dass die Signatur tatsächlich mit dem vermuteten Prozess übereinstimmt. Damit können auch gemessene Signaturen zuverlässig bewertet werden, selbst wenn andere Reaktionen die Signatur überlagern und auch nicht mit den bislang üblichen Mitteln entfernt werden können. Jegliche solche Suche nach seltenen oder neuen Phänomenen muss sich auf einen perfekt funktionierenden und messenden Detektor verlassen. Daher wird der ATLAS-Detektor in mehreren Schritten für den Betrieb an HL-LHC verbessert. Arbeiten im Rahmen dieses Vorhabens betrafen die beiden New-Small-Wheel (NSW) Räder, welche jeweils im Vorwärts bzw. Rückwärtsbereich des ATLAS Myon-Spektrometers installiert wurden und womit Myon- Teilchen mit hoher Effizienz und sehr guter Impulsauflösung auch unter den extremen Strahluntergrundbedingungen von HL-LHC gemessen werden können. Im NSW wurden erstmals großflächige mikrostrukturierte Gasdetektoren vom Typ MicroMegas (MM) eingesetzt. Diese MM-Detektoren müssen mindestens 10 Jahre HL-LHC Betrieb ohne Einbußen bei Nachweiseffizienz und Messgenauigkeit überstehen. Daher wurden diese MM-Detektoren durch Bestrahlung mit intensiven Gamma- und Neutron-Strahlungsquellen beschleunigten Alterungstests unterzogen, mit denen 10 Jahre Betriebsdauer innerhalb von etwa 2 Jahren großflächig bei Gammabestrahlung und zumindest lokal bei Neutron-Bestrahlung nachgestellt werden konnten. Alle Studien zeigen keinen Effizienzverlust durch die Bestrahlung. Und in Teststrahlmessungen konnte auch keine Verschlechterung der Messgenauigkeit beobachtet werden. Damit stellt das NSW eine zuverlässige Detektorkomponente für die Gesamtlaufzeit von HL-LHC dar. Datei-Upload durch TIB