Suche nach dunklen Photonen
Sowohl das Standardmodell der Teilchenphysik, als auch die Kosmologie sind sehr erfolgreiche Theorien. Wir wissen mittlerweile, dass es dunkle Materie geben muss. Ihre Eigenschaften und die Einordnung in das Standardmodell sind einige der dringendsten Fragen der Elementarteilchenphysik.
Wir entwickeln eine experimentelle Strategie für die Suche nach einem Teilchen, welches diese Fragen erklären könnte - das Dark Photon. Es dient hierbei als ein Portal zwischen dem aktuell bekannten Standardmodell und einem "dunklen Sektor", der eine Vielzahl an Teilchen der dunklen Materie enthalten kann. Die Entdeckung eines dunklen Photons hätte Auswirkungen auf die gesamte Elementarteilchenphysik.
Ziel der Strategie ist es die Eigenschaften des institutseigenen Elektronenbeschleunigers ELSA zu beachten und das Experiment unter Umständen sogar in Bonn zu realisieren
Um eine experimentelle Strategie zu entwickeln, ist es wichtig eine möglichst vollumfassende Detektorsimulation zu haben. So kann die Detektorantwort für alle interessanten Prozesse simuliert und ausgewertet werden. Letztendlich ist es möglich, die Sensitivität des experimentellen Ansatzes durch eine Simulation abzuschätzen und verschiedene Ansätze miteinander zu vergleichen.
Ziel ist es vor dem Bau bereits abschätzen zu können, mit welcher Sensitivität das Experiment ein potentielles Modell für einen dunklen Sektor mit dunklen Photonen als Portalinterkation ausschließen kann.
Das Physikalische Institut betreibt seinen eigenen Elektronenbschleuniger ELSA (s. auch ELSA Webseite). Es gibt einige Eigenschaften, die ELSA für ein potentielles Experiment zur Suche nach dunklen Photonen interessant machen.
Zu nennen sind hier unter anderem die geringe Energieunsicherheit des Elektronenstrahls und der für das Experiment passende Energiebereich. Außerdem lassen sich die Elektronen bei ELSA resonant aus dem Strahl extrahieren. Es ist somit möglich Bunches aus sehr wenigen Elektronen zu produzieren. Dies ist insbesondere für das anspruchsvolle Tracking des Experiments von Vorteil.
Die grundlegende experimentelle Strategie basiert auf einem Vorschlag der LDMX Collaboration. Man schießt einen kontrollierten Elektronenstrahl auf ein festes Target (fixed target experiment). Bei Interaktionen mit dem Targetmaterial, kommt es zu bspw. Bremsstrahlung. In dem Fall von potentiellen dunklen Photonen auch dunkler Bremsstrahlung. Diese ist dadurch charakterisiert, dass durch die Masse der dunklen Photonen ein erheblicher Teil der Strahlenergie aus dem Experiment herausgetragen wird. Eine erneute Interaktion eines dunklen Photons oder eines Teilchens aus dem dunklen Sektor mit dem Detektor ist sehr unwahrscheinlich.
Mit den Trackern und dem Kalorimeter sucht man somit nach Interaktionen mit erheblichem transversalen Impuls und fehlender Energie.
Weiterführende Informationen und Links
Es gibt Weiterleitungen zu einem recht ausführlichen Whitepaper der LDMX Collaboration, zu einer Informationsseite der Universität Lund und zum Bethe Center for Theoretical Particle Physics (BCTP).
- In dem Whitepaper werden viele Konzepte ausführlicher erklärt, als es auf einer Webseite möglich ist.
- Die Universität Lund stellt ein konzeptionell ähnliches Experiment auf ihrer Webseite vor und es gibt einige ergänzende Informationen.
- Unsere Anstrengungen für die Konzeption des Experiments werden auf theoretische Seite unterstützt vom Bethe Center for Theoretical Physics.
Kontakt
Prof. Dr. Klaus Desch
1.035
Nußallee 12
53115 Bonn
