Präzisionsmessung der Masse des Z-Bosons anhand von Daten aus Proton-Proton-Kollisionen des CMS-Experiments am Large Hadron Collider

• Antragsteller: Dr. David Walter, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558014196

Das Z Boson ist ein Elementarteilchen und neben dem masselosen Photon das massive elektrisch neutrale Austauschteilchen der Elektroschwachen Theorie, die Teil des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) ist. Es wurde 1983 am Super Proton Synchrotron, einem Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum CERN in Genf, nachgewiesen. Seine Masse wird nicht von der Theorie vorhergesagt, jedoch dessen Relation zu anderen Parametern des SM, wie etwa der Masse des elektrisch geladenen W Bosons. Allerdings könnten bisher unbekannte Teilchen oder Effekte zu einer Abweichung dieser Relation führen. Eine präzise Messung der Z Boson Masse erlaubt daher, die bekannte Theorie zu validieren und ermöglicht genauere Vorhersagen des SM. Die Z Boson Masse wurde am Large Electron-Positron Collider (LEP) mit 2.1MeV Genauigkeit bestimmt; am derzeit leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, dem large hadron collider (LHC) wurde bisher noch keine Messung der Z Boson Masse durchgeführt. Im Vergleich zu den am LEP sehr sauberen Detektorsignaturen von Kollisionen mit Elektronen und Positronen, die selbst Elementarteilchen sind, entstehen bei den LHC Kollisionen von Protonen, die aus Quarks und Gluonen bestehen, weitaus mehr Beiprodukte und die Energie des Einfallenden Quarks das zur Z Boson Produktion beiträgt, ist unbekannt. Des Weiteren finden am LHC jeweils mehrere Kollisionen gleichzeitig statt, um die größtmögliche Datenmenge zu erreichen. Dies erschwert eine Messung der Z Boson Masse. Dies erfordert innovative methoden der Datenanalyse. Jedoch hat sich in den vergangenen Jahren anhand Messungen der W Boson Masse gezeigt, dass eine präzise Kalibrierung von Muonen, die Zerfallsprodukte des Z Bosons die sich für eine Messung besonders gut eignen, möglich ist. Auf der Grundlage der entwickelten Methoden kann eine Präzision von 2 MeV angestrebt werden, was ein neuer Bestwert bedeuten würde. Die beispiellose Menge an LHC Kollisionen erlaubt eine datengetriebene Kalibrierung basierend auf Hadronen wie dem J/Psi Teilchens, dessen Masse genau bekannt ist. Durch die jüngsten Fortschritte in differentieller Programmierung können komplexe Modelle mit über 100000 Parametern, die die Position von Detektormodulen, deren Material und dem magnetischen Feld beschreiben, effizient und genau ermittelt werden. Die für diese Messung entwickelten Methoden werden in den kommenden Jahren auch für andere Analysen an Relevanz gewinnen, wenn die Datenmenge am High Luminosity Upgrade des LHC (HL-LHC) um mehr als eine weitere Größenordnung ansteigt und die meisten relevanten Messungen durch systematische Unsicherheiten begrenzt sein werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Christoph Paus, Ph.D.