Immer top – niemals monoton: Suche nach Dunkler Materie in Monotop-Ereignissen
Mit dem CMS-Detektor und dem schwersten aller Elementarteilchen als Werkzeuge hat ein Team unter maßgeblicher Beteiligung von Forschern des ETP in den vergangenen Jahren eine Suche nach Dunkler Materie durchgeführt. Im Mittelpunkt der Suche steht die “Monotop-Produktion”, ein möglicher Mechanismus, mit dem Dunkle Materie gemeinsam mit einem Top-Quark erzeugt werden könnte.
Durch Beobachtungen aus der Kosmologie wissen wir, dass unser Universum nur zu einem kleinen Bruchteil aus gewöhnlicher Materie besteht, aus der die Atome und Moleküle in unserer Umgebung aufgebaut sind. Ein großer Anteil wird aus der sogenannten Dunklen Materie geformt. Unklar ist, wie die Dunkle Materie in unser Bild der Elementarteilchen eingebettet werden kann und wie sie mit diesen wechselwirkt.
Nach Wechselwirkungen zwischen Dunkler und gewöhnlicher Materie kann beispielsweise am Large Hadron Collider (LHC) am CERN gesucht werden. Dort werden Protonen mit sehr hohen Energien zur Kollision gebracht. In solchen Kollisionen könnte Dunkle Materie produziert werden. Die durchgeführte Suche beschäftigt sich mit Monotop-Ereignissen, in denen die Dunkle Materie zusammen mit einem einzigen Top-Quark produziert wird. Die Wechselwirkung zwischen den Teilchen des Standardmodells und der Dunklen Materie wird durch ein schweres Austauschteilchen vermittelt.
Die Suche fokussiert sich hierbei auf Top-Quarks mit sehr hohem Impuls. In diesem Fall bewegen sich die Zerfallsprodukte des Top-Quarks in die gleiche Richtung. Beim CMS-Experiment können solche Zerfälle von Top-Quarks mit Methoden des maschinellen Lernens gut erkannt werden. Die produzierte Dunkle Materie kann hingegen nicht mit dem Detektor nachgewiesen werden. Beobachtet werden kann aber ein ungewöhnlich großer Beitrag an “fehlendem Impuls”, der tendenziell größer ist, als Prozesse des Standardmodells ihn produzieren.
Die Analyse der zwischen 2016 und 2018 aufgezeichneten LHC-Daten liefert keine Hinweise auf die Produktion von Dunkler Materie über einen Monotop-Prozess. Deshalb wurden Wertebereiche für die Massen des Austauschteilchens und der Dunklen Materie bestimmt, in denen das Auftreten eines Monotop-Prozesses mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden kann. Diese Ausschlussgrenzen wurden im Vergleich zu einer bereits publizierten Suche nach dem Monotop-Prozess mit dem CMS-Detektor, bei der nur Daten aus dem Jahr 2016 analysiert wurden, verbessert.
Die Ergebnisse wurden von einer im wahrsten Sinne des Wortes weltumspannenden Analysegruppe erarbeitet. An der Suche beteiligten sich Forscherinnen und Forscher des KIT, des Fermi National Accelerator Laboratory (USA) und der Kyungpook National University (Südkorea).
Der Artikel wurde beim Journal of High Energy Physics (JHEP) zur Begutachtung eingereicht. Ein Preprint ist verfügbar.
Kontakt: Prof. Dr. Ulrich Husemann