Auf der Suche nach Axionen

Die Forschungsgruppe von Matthias Schott vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Uni Mainz hat jüngst Ergebnisse einer umfangreichen Messreihe am ATLAS-Detektor des Large Hadron Collider veröffentlicht. Die Daten wurden während der zweiten Laufzeit des LHC zwischen 2015 und 2018 aufgenommen. Ziel des experimentell anspruchsvollen Messprogramms ist die Suche nach axionartigen Teilchen, die bei bestimmten Zerfällen des Higgs-Teilchen entstehen könnten – und als neuartige Teilchen die Abweichung des experimentell bestimmten anomalen magnetischen Moments des Myons von seiner theoretischen Vorhersage erklären könnten. Die Arbeiten stellen den experimentellen Test eines Matthias Neubert, Sprecher von PRISMA+, entwickelten Axionen-Modells dar.

Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, die zunächst postuliert wurden, um eine theoretische Unzulänglichkeit der starken Wechselwirkung, das starke CP-Problem, zu lösen. Seit vielen Jahren werden Axionen oder axionartige Teilchen (axion-like particles oder ALPs) darüber hinaus als vielversprechende Kandidaten der dunklen Materie gehandelt. „Vor diesem Hintergrund haben Physikerinnen und Physiker zahlreiche Experimente entwickelt, um vor allem nach sehr leichten ALPs zu suchen“, erläutert Schott. „Wir haben erstmals ein detailliertes Forschungsprogramm am ATLAS-Experiment des LHC vorgeschlagen und umgesetzt, mit dem wir gezielt nach relativ schweren ALPs suchen – diese wiederum könnten das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons erklären, so wie Matthias Neubert es in einem vor einigen Jahren entwickelten Modell aufgezeigt hat.“

Gemeinsam mit Martin Bauer und Andrea Thamm postulierte Neubert 2017, dass mit ATLAS ein sehr großer Bereich passender Axionenmassen mit sehr hoher Empfindlichkeit abgesucht werden könnte. Für Schott war das der Ausgangspunkt zur erfolgreichen Beantragung eines ERC Grant. „Ich habe nun mit meiner Gruppe im Rahmen dieses ERC Grant einen großen Teil des Parameter-Raums des Neubertschen Modells getestet und wir sind sehr froh, dass wir nun erste Ergebnisse veröffentlichen können.“ Neubert wiederum hat den zu erwartenden Effekt von ALPs auf das Myonmoment inzwischen in einer aktuellen Veröffentlichung mit Anne Galda noch einmal präzisiert.

Der Messreihe liegt die Überlegung zugrunde, dass potenzielle ALPs sowohl an das Myon als auch an Photonen koppeln müssen, um die Anomalie beim magnetischen Moment des Myons zu erklären. Konkret haben die Forscher eine theoretisch postulierte Zerfallskette untersucht, bei der ein Higgs-Teilchen zunächst in zwei ALPs, und diese wiederum in jeweils zwei Photonen zerfallen. Ziel war es, in diese Kette die Kopplung der ALPs an die Photonen nachzuweisen.

„Wir haben dabei keine auffälligen Signale gefunden, die auf entsprechende ALPs hinweisen könnten“, erläutert Schott. „In dem untersuchten Bereich können wir so eine Axion-Photon-Kopplung mit allergrößter Wahrscheinlichkeit ausschließen.“ Da die Forschungsgruppe aber erstmals einen sehr großen Parameterbereich absuchen konnte und vor allem hinsichtlich der Kopplungsstärke um sechs Größenordnungen empfindlicher war als bisherige Messungen, ist es ihnen gelungen, die bisher strengsten Ausschlussgrenzen für Masse und Kopplungsstärke von ALPs zu setzen.

„Das Besondere an dieser Messung ist, dass hierbei ALPs potentiell über die Higgs-Physik nachgewiesen werden können“, sagt Neubert. „Wir befinden uns also im Hochenergiebereich der Teilchenphysik und können so über die Umwandlung hochenergetischer Teilchen der Diskrepanz beim anomalen magnetischen Myonmoment auf die Spur kommen. Das ist ein komplementärer Ansatz zur direkten Messung der Eigenschaften des Myons im Niederenergiebereich im Rahmen des Myon-g-2-Experiments, und macht ihn gerade deshalb so spannend.“

Der Zerfallsprozess, den die Gruppe um Schott untersucht hat, ist vor allem deshalb experimentell sehr anspruchsvoll, weil die nachzuweisenden Photonen aus dem ALP-Zerfall nicht am Kollisionspunkt des Detektors entstehen. „Bei normalen Teilchen-Kollisionen treffen sich die Teilchen immer genau in der Mitte des Detektors. Und alle neuen Teilchen, die in dieser Kollision entstehen, nehmen wir typischerweise an, dass ihre Reise direkt am Kollisionspunkt beginnt. Die normalen Algorithmen und Kalibrationen, die wir haben, basieren genau auf dieser Hypothese“, erläutert Schott. „Wenn nun aber neue Teilchen entstehen, welche lange genug leben, dann fliegen diese Teilchen erstmal ein Stück bevor sie zerfallen. Damit gilt unsere ursprüngliche Annahme nicht mehr und wir müssen völlig neue Ansätze entwickeln, um auch Teilchen im Detektor zu sehen, welche eben nicht vom Kollisionspunkt stammen.“

Konkret zerfällt das Higgs-Teilchen im Modell von Neubert zunächst in zwei ALPs und zwar sofort an der Stelle der Teilchen-Kollision. Die ALPs fliegen aber eine Weile, bevor sie in je zwei Photonen zerfallen, so dass diese Photonen abseits des Kollisionspunktes produziert werden. „Wir nennen dies Ereignisse mit einem displaced Vertex – einem verschobenen Kollisionspunkt sozusagen. Eine solche Messung ist uns nun erstmals mit Photonen gelungen.“

Hinzu kommt eine weitere Herausforderung: Wenn die ALPs vergleichsweise leicht sind, sind die Photonen, in die sie zerfallen, sehr nahe zusammen. Der Detektor nimmt die beiden Photonen als ein einziges Photon war – es sei denn, es gibt einen neuen Algorithmus, der genau darauf trainiert ist,  der also Photonen, die eigentlich als ein Photon rekonstruiert wurden, doch als zwei Photonen erkennen kann. Einen solchen Algorithmus konnten die Forscher unter Verwendung künstlicher Intelligenz in Form von neuronalen Netzwerken entwickeln und so Signale von hochgradig kollinearen Photonen erfolgreich auflösen.

Doch es geht noch weiter: Selbst mit den speziell entwickelten Algorithmen, mit denen die Forscher einen sehr großen Suchbereich abdecken können, können sie nicht alle ALPs, die sie ins Visier nehmen wollen, erwischen. Um auch diese Lücke zu schließen, wollen sie das inzwischen in Betrieb gegangene FASER-Experiment in einem Seitentunnel des LHC etwa 480 Meter hinter dem ATLAS-Experiment nutzen.

Erst kürzlich hat die Myon-g-2 Kollaboration am Fermilab einen neuen Messwert für das anomale magnetische Moment verkündet, der doppelt so genau ist, wie der bisherige. Die PRISMA+-Arbeitsgruppe um Fertl ist die einzige in Deutschland, die mit experimentellen Beiträgen beteiligt ist. Das Pendant ist die Myon-g-2-Theorie-Initiative, ein weltweiter Zusammenschluss von mehr als 130 Physikern, der sich mit der theoretischen Vorhersage im Rahmen des Standardmodells befasst.

Aufgrund neuester Rechnungen ist nach wie vor nicht eindeutig geklärt, ob es eine echte Abweichung zwischen Theorie und Experiment gibt und wenn es sie gibt, mit welchen theoretischen Ansätzen sie zu erklären wäre. „Unsere Arbeit ist hier ein wichtiger Beitrag, gleichwohl sie zeigt, dass der Raum für Modelle neuer Physik, die wir experimentell testen können, immer kleiner wird“, ordnet Schott das Ergebnis ein. „Bezogen auf ALPs sind diese nach wie vor vielversprechende Kandidaten für dunkle Materie, als Verursacher einer Diskrepanz beim magnetischen Moment des Myons können wir sie jedoch mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausschließen.“

JGU Mainz / RK