Das 'Higgs' nochmals neu entdecken

Lea Caminada

Am 23. August 2015 läuft im Rahmen der Wissenschaftstournee «Forschung live» am Aarauer Open Air Kino der Film 'Particle Fever' über die Entdeckung des Higgs-Teilchens. Live dabei: die Zürcher Teilchenphysikerin Lea Caminada. In einer einführenden Talkrunde wird die CERN-Wissenschaftlerin den Kinobesucherinnen und -besuchern über sich und ihre Arbeit als Physikerin Auskunft geben. In ihrer aktuellen Forschung befasst sich Lea Caminada mit Detektortechnologie und arbeitet darauf hin, die Eigenschaften des 2012 entdeckten Higgs-Teilchens noch besser zu verstehen.

Regelmässig fährt die Teilchenphysikerin Lea Caminada von Zürich nach Genf, wo sie am grossen Teilchenbeschleuniger des CERN forscht.
Image: BV

Der Kanton Aargau hat keine Universität und damit auch keine naturwissenschaftliche Fakultät, an der man Physik studieren könnte. Der Kanton Aargau beherbergt mit dem Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen aber eine der renommiertesten Forschungseinrichtungen der Schweiz. Das PSI gehört zum ETH-Bereich, und wer an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich ein naturwissenschaftliches Fach belegt, wird in vielen Fällen seine experimentellen Forschungsarbeiten in den Laboratorien des PSI durchführen. So war es auch bei Lea Caminada. Nach ihrem Physikstudium an der ETH nahm sie 2007 ihre Doktorarbeit in Angriff. Dafür kam sie ans PSI. Dort verpasste eine Forschergruppe um Prof. Roland Horisberger gerade dem sogenannten Pixel-Detektor seinen letzten Schliff. Der Pixel-Detektor ist eine ausgeklügelte Messeinrichtung, die den Teilchenphysikern am CERN hilft, Teilchen bzw. deren Spuren dingfest zu machen. Er ist der innerste Teil des CMS-Detektors, mit dem die CERN-Wissenschaftler 2012 dann das Higgs-Teilchen entdeckten.

Auswertung der experimentellen Daten aus dem CERN

2007, als Lea Caminada ans PSI kam, wurde im CERN emsig am Teilchenbeschleuniger LHC gebaut. Caminada entwickelte parallel dazu in Villigen den Pixel-Detektor, der dann zum Jahreswechsel 2007/2008 zusammengebaut und anschliessend nach Genf transportiert wurde, um dort im CMS-Detektor – einer der vier Beobachtungsstationen im LHC – eingebaut zu werden. „Ich habe damals beim Bau und bei der Inbetriebnahme des Pixel-Detektors mitgarbeitet. Als der LHC dann 2010 seinen Betrieb aufnahm und dort Protonen zur Kollision gebracht wurden, habe ich ausgewertet, wie häufig bei diesen Kollisionen Elementarteilchen vom Typ Bottom-Quark entstehen.“ Lea Caminada gehörte damit zu den ersten, die experimentelle Daten aus dem neuen Teilchenbeschleuniger in Genf auswertete. Mit ihrer Arbeit konnte sie Voraussagen bestätigten, die theoretische Physiker zuvor über das Bottom-Quark gemacht hatten.

Mit ihrer Doktorarbeit endete Lea Caminadas Zeit in Villigen. Aus dem Aargau wechselte die Schweizer Teilchenphysikerin in die USA nach Berkeley ans gleichnamige Teilchenphysik-Labor. Jetzt arbeitete sie während drei Jahren in Kalifornien, ihre Arbeit befasste sich aber weiterhin mit dem Grossexperiment am CERN. Denn die in Genf erzeugten Kollisionsdaten werden von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler rund um den Globus ausgewertet. Für Lea Caminada war das Berkeley Lab bereits der dritte Auslandsaufenthalt. Schon während ihres Studiums war sie zum Austausch in Glasgow. Ihre Masterarbeit hatte sie am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg geschrieben.

Neuer Detektor für das CMS-Experiment am CERN

Unterdessen ist Lea Caminada wieder in Zürich zuhause. Sie ist als Oberassistentin an der Universität Zürich bei Professorin Florencia Canelli und Professor Ben Kilminster tätig. Die Hälfte ihrer Arbeitszeit verwendet sie auf den Pixel-Detektor, jenes Messgerät, das sie vor knapp zehn Jahren am PSI mitentwickelt hatte. Dieser Detektor ist seit 2010 im CMS-Experiment am CERN im Einsatz. Nach mehreren Jahren im Rund-um-die-Uhr-Einsatz soll der Pixel-Detektor zum Jahreswechsel 2016/17 durch eine verbesserte Version ersetzt werden. Für den Bau dieser Update-Version ist Lea Caminada mit verantwortlich.

Der neue Detektor soll es möglich machen, die Teilchenspuren, die bei der Kollision von Protonen entstehen, örtlich noch genauer zu bestimmen, den Impuls dieser Partikel noch genauer zu messen, die Proton-Proton-Kollisionen mit noch höherer Effizienz auswerten. Dazu wird der Detektor neu gebaut: Diesmal besteht er nicht nur aus drei, sondern aus vier Lagen. Er rückt bis auf 3 cm an den Kollisionspunkt heran und kommt mit weniger Material aus. Aus den Arbeiten wird ein etwa ein Meter langes zylinderförmiges Objekt mit 32 cm Durchmesser hervorgehen, beidseitig vollgepackt mit Elektronik, wie sie zur Auswertung der Kollisionsdaten notwendig ist. „Im Labor an der Universität testen wir seit einigen Monaten die Auslese-Elektronik, während sich ETH und PSI auf den Bau und das Testen der Detektormodule konzentrieren“, skizziert Lea Caminada die Arbeitsteilung zwischen den Schweizer Partnern der CMS-Kollaboration.

Auf der Suche nach der Top-Quark-Produktion

Von dem verbesserten Detektor wird Lea Caminada in ihrer eigenen Forschungstätigkeit Nutzen ziehen. Schon bald wird die Teilchenphysikerin die Daten des LHC – und damit ab 2017 auch des neuen Pixel-Detektors – für neue wissenschaftliche Fragestellungen auswerten. Um diese Fragestellung zu verstehen, muss man wissen, dass das Higgs-Teilchen beim Zusammenprall von zwei Protonen auf unterschiedliche Weise entstehen kann. In einem seltenen Fall entstehen – so sagen die theoretischen Modelle voraus – neben dem Higgs-Teilchen ein Top-Quark und ein Anti-Top-Quark. Top-Quarks wurden erst 1995 experimentell nachgewiesen; sie existieren nur für den Bruchteil einer Sekunde und zerfallen anschliessend in weitere Teilchen. „Diese Produktion des 'Higgs' hat man am LHC bisher nicht beobachtet. Nachdem wir am LHC nun aber immer mehr Kollisionsdaten gewinnen können, sollten wir bald über genügend Daten verfügen, um diesen Produktionsweg experimentell nachweisen zu können“, sagt Caminada und ergänzt: „Dies natürlich nur, wenn diese Top-Quark-Produktion auch wirklich so stattfindet, wie wir uns das aufgrund der verfügbaren Modelle denken.“

Was für das Higgs-Teilchen gilt, gilt auch für das Top-Quark und sein Anti-Teilchen: Lea Caminada wird die Produktion eines Top-Quark nicht direkt beobachten, sondern lediglich durch die Auswertung von Kollisionsdaten statistisch nachweisen können. Weil dieser Produktionsweg sehr selten ist, braucht die Teilchenphysikern eine sehr grosse Zahl von Kollisionsdaten, um die fragliche Produktion nachweisen zu können. Gelingt Lea Caminada an Ende dieser Nachweis, könnte sie den Boden bereiten für ein neues Verständnis der Materie. „Wenn wir diese Produktion entdecken, besteht eine grosse Wahrscheinlichkeit, dass wir etwas beobachten, was über das Standardmodell der Physik hinausweist und den Weg zu einer neuen, von unserem bisherigen Wissen noch nicht erfassten Verständnis der physikalischen Welt bereitet“, sagt Caminada. Der Optimismus der Physikerin hat einen handfesten Grund: Das Topquark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen und müsste deshalb ein sehr grosse Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen haben – eine gute Voraussetzung für Hinweise auf eine 'neue Physik'.

„Die Dinge verstehen“

Bis Lea Caminada die Früchte ihrer wissenschaftlichen Arbeit ernten kann, hat sie noch viel Arbeit vor sich. Um die Daten aus dem LHC adäquat auszuwerten, muss sei eine massgeschneiderte Software schreiben, welche aus der riesigen Menge von Daten, die für sie relevanten herausfiltert. „Das klingt vielleicht einfach, ist aber sehr aufwändig“, sagt Caminada. Die Wissenschaftlerin ist trotzdem zuversichtlich, das Higgs-Teilchen auf diesem Weg quasi nochmals neu zu entdecken und die physikalischen Mechanismen rund um das 'Higgs' vertieft zu verstehen. Wenn alles rund laufe, sagt Lea Caminada, könnten sie und ihre Forscherkollegen bis in einem Jahr so weit sein, die Produktion eines Higgs mit zwei Topquarks entdeckt zu haben. Sie wäre dann wieder an dem Punkt, der sie nach Abschluss der Kantonsschule Oerlikon dazu motiviert hatte, Physik zu studieren: „Es ist ein schönes Gefühl, die Dinge zu verstehen.“

Benedikt Vogel (veröffentlicht 13. 8. 2015)

Das Aarauer Open Air Kino zeigt aus Anlass der Wissenschaftstournee «Forschung live»:

'Particle Fever' (USA 2013 Ed 100 Min.), Regie: Mark Levinson

Sonntag, 23. August, 21.00 Uhr, Pferderennbahn Schachen Aarau

Live zu Gast: CERN-Forscherin Lea Caminada/Uni ZH

Der Dokumentarfilm erzählt, wie CERN-Forscher im Jahr 2012 nach jahrzehntelanger Suche das Higgs-Elementarteilchen entdeckt haben.

Forschung live – Naturwissenschaften erlebbar nah

«Forschung live» macht die Naturwissenschaften vom 26. bis 30. August in Aarau erlebbar. Mit einer Ausstellung auf dem Vorplatz der Aargauischen Kantonalbank und mit vielen Aktivitäten in der ganzen Stadt. Programm unter: www.forschung-live.ch

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