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Achtung! Dieser Beitrag reduziert manchmal auf schmerzvolle Weise, denn er ist auch für Leute gedacht, die keine Ahnung von Physik haben.
Über vier Jahre ist es her, als ich damals hier in Aachen mein Physikstudium startete. We’ve come a long way since. Samt mittelschwerer Prüfungen, schwerer Prüfungen und Prüfungen, von denen ich niemals geglaubt hätte, dass ich sie bestehen würde.
Nachdem ich alle notwenigen Diplomprüfungen im Spätsommer erledigt hatte, fing am 26. Oktober das (vor-)¹ letzte Kapitel des Studiums an.
Die Diplomarbeit.

Falls euch die folgende Einleitung nervt, der Erklärteil zu unphysikalisch ist und auch das genaue Thema meiner Arbeit sowas von 1999 ist und ihr lieber direkt zur Adresse meines Diplomblogs springen wollt: Rechts das Inhaltsverzeichnis ist klickbar!

Entscheidungsfindung

Alles begann damit, dass ich mich zwischen so einigem entscheiden musste. Welche Vertiefungsrichtung? Experimentell oder theoretisch? Welches Institut? Welches Forschungsgebiet, welches Experiment, welche Arbeitsgruppe? Welches Thema?

Ein paar der Fragen waren einfach beantwortet.
Auch wenn ich theoretische Physik faszinierend finde – wir sind nie so recht mit einander warm geworen. Ich wollte also experimentell forschen.
Bei der Vertiefungsrichtung habe ich mich für die Elementarteilchen entschieden. Die andere Richtung hier in Aachen, Festkörperphysik, beschäftigt sich mit dem Verhalten von Kristallen und forscht zum Beispiel an Datenspeichern und alles, was irgendwie »Nano« im Namen trägt. Das ist sicherlich auch interessant und hat große praktische Bedeutung, erst recht mit dem vor zwei Jahren nobelpreis-ierten Forschungszentrum Jülich im Rücken. Aber das Grundlegende, das Vordringen in unbekanntes Terrain mit all den in den nächsten Monaten und Jahren zu erwartenden Meilensteinen in der Teilchenphysik hat mich schnell diese Richtung wählen lassen. (Kurzer Exkurs: Teilchenphysik beschäftigt sich mit der Physik auf subatomarer Skala. Ein Atom ist u.a. aus Protonen aufgebaut. Protonen u.a. aus Up- und Down-Quarks. Letztere sind typische Vertreter der Teilchenphysik.)
Weitesgehend wegen persönlicher Präferenzen² bin ich schließlich im Top-Quark-Bereich einer Arbeitsgruppe am CMS-Experiment hier in Aachen gelandet.

Das Thema

Zum Erklären des Krams, über den ich die Diplomarbeit schreiben werde, möchte ich das Thema mal auseinander pflücken. Et voila…
»Massenbestimmung des Top-Quarks anhand der Zerfallslängen von B-Hadronen im CMS-Experiment«

Teilchenphysik 101

Starten wir ganz simpel, schließlich richtet sich der Beitrag alles andere als an Physiker.

Photo by JohnJobby on flickr.

Ihr kennt das CERN in Genf? Das, wo immer schwarze Löcher und Antimaterie und Sex und so? Lässt man mal den Quatsch außen vor, dann ist das CERN ein Physik-Forschungszentrum in der Schweiz. Das größte der Welt. Mehr als 10.000 Menschen arbeiten entweder direkt vor Ort (ca. ein Drittel) oder an den angeschlossenen Instituten und Universitäten in der Welt verstreut. Dieses Jahr ist dort (endlich) der LHC gestartet.
LHC. Der Large Hadron Collider ist ein Teilchenbeschleuniger. Das heißt: er beschleunigt Teilchen. Das können Elektronen, oder wie im Fall des LHCs Protonen sein. Durch abgefahrene Technik werden die Protonen in einen 27 Kilometer langen Ring eingeschleust und durch noch abgefahrenere Technik (Magnete und so) im Ring angeschubst. Dadurch werden die Protonen immer weiter beschleunigt, bis sie schließlich fast Lichtgeschwindigkeit erreicht haben. Teilchen beschleunigt. Teilchenbeschleuniger. Das ganze macht man jetzt parallel in einem zweiten Ring in die andere Richtung. Beschleunigt auch dieses Proton auf fast Lichtgeschwindigkeit. Irgendwann, wenn alle Kaffeetassen voll und alle Valiums geschluckt sind, dann stellt die Wissenschaftler die Weichen um und lassen diese beiden gegenläufigen Strahlen kollidieren.
Dies geschieht an so genannten Interaction Points. Das ist Englisch. Und heißt Wechselwirkungspunkt. Die beiden Protonen wechselwirken. Sie besitzen so hohe Energien, wie man sie in der Natur eigentlich nicht mehr antrifft. Das führt dazu, dass sie kurzzeitig mit einander verschmelzen. Dabei bilden sie andere, etwas exotischere Teilchen aus die wegen der hohen involvierten Energie auch hohe Massen haben können³.

Eines dieser Teilchen ist das Top-Quark. Quark. Quark. Kann man gar nicht oft genug sagen. Quarks sind nichts aus Science Fiction, Quarks sind real. So wie Protonen, Neutronen und Elektronen eine Stufe kleiner als Atome sind, könnte man sagen, sind Quarks eine Stufe kleiner als Protonen und Neutronen. Quarks sind eine Art der Teilchen, die es gibt, wenn man zu kleineren Längenskalen geht, also die Nanometer der Festkörperphysik (weit) hinter sich lässt. Das Proton besteht aus Up- und Down-Quarks. Das waren auch die ersten Quarks, die man damals gefunden hatte – wegen ihrer vergleichsweise geringen Masse. Mittlerweile ist man da weiter und eines der letzten gefunden Quarks ist das Top-Quark. Das ist äußerst schwer⁴ und damit eher schwer⁵ zu produzieren. Mit dem LHC hat man aber erstmals genug Energie zur Verfügung um Top-Quarks mit einer hohen Rate zu erzeugen.
Bei den obigen Interaction Points hat man den unterirdischen Tunnel des LHCs in Höhlen vergrößert und hat Experimente um sie gebaut.

Eines dieser Experimente ist das CMS. Der Compact Muon Solenoid ist ein State-of-the-Art-, ach was, ein Statest-of-the-Artest-Experiment das wie eine Zwiebel um das Protonenrohr und den Interaction Point gebaut wurde. Jede Schicht der Zwiebel wurde irgendwo auf der Welt dafür entwickelt, um eine ganz bestimmte Art von Teilchen nachzuweisen. Alles furchtbar komplexe und furchtbar interessante Technik, die es in dieser Expertise noch nie vorher gab⁶. In Aachen wurden Teile des innteresten Detektors, des sogenannten Trackers, und Teile des äußersten Detektors, der Myonenkammern gebaut.

Wenn sich nun zwei Protonen im Zentrum dieses Experiments treffen, gerade weder Kaffee, noch Kekse oder Pinguine dabei haben, sondern sich dazu entschließen, zu kollidieren, dann ist das so, als würden zwei Autos aufeinander Rasen. Bei der Kollisionen fliegen Autoteile als Splitter nach außen weg⁷. Die Splitter und Splitter der Splitter werden dann von den einzelnen Zwiebelschalen detektiert, abgespeichert und in ein weltweites Datennetz verteilt.

Einige dieser Splitter sind obige Top-Quarks und ich beschäftigte mit ihnen.

Der Inhalt meiner Diplomarbeit

Adaptiert von einem ähnlichen Bild in der Wikipedia⁸.
Ohne darauf einzugehen, warum das so ist: Top-Quarks treten meist in Paaren auf und zerfallen sehr fix in ein b-, wie Bottom-Quark⁹. Dabei wird ein W-Boson ausgesandt, das wiederum in Elektron und Neutrino¹⁰ zerfällt. Obiges b-Quark macht fetzige Dinge, die Teilchenphysiker als Hadronisieren beschreiben. Das ist nichts anderes, als dass es sich aus dem umliegenden Energiefeld Partner erzeugt und mit ihnen Bindungen, sogenannte B-Hadronen ausbildet. Das passiert immer wieder, so dass sich ein Strahl voll Hadronen ausbildet, den man Jet nennt.
Wie beim Zerfall radioaktiver Isotope können die letzten Produkte dieser »Zerfallskette«, also Jets, Elektronen und indirekt Neutrinos, durch die Zwiebelschalen von CMS nachgewiesen werden.

Vor zwei Jahren haben sich schlaue Menschen eine Methode ausgedacht, wie man anhand dieser Endprodukte Informationen über das alles startende Top-Quark gewinnen kann. Denn das Top-Quark an sich bleibt für alle direkten Messmethoden unsichtbar und man muss den Prozess sozusagen reverse engineeren, also von hinten aufrollen.
Dazu schaut man sich die Länge an, die B-Hadronen im Mittel brauchen, bis sie zerfallen. Diese Länge hängt direkt mit der Masse des Top-Quarks zusammen, denn hat das Top-Quark eine große Masse, dann gibt diese größere Masse dem B-Hadron mehr Energie mit auf den Weg und es zerfällt über eine längere Strecke (es ist »schneller«); hat es eine kleinere Masse, ist die Zerfallslänge kleiner.
Messe Zerfallslängen, wende etwas Theorie an und schon gibt’s die Masse des Top-Quarks, die dabei losgelöst von bisherigen Ergebnissen sind, die immer eine spezifische Unsicherheit aufgrund der Messmethode hatten.

Und diese neue Technik wende ich auf die Daten von CMS an.

Das klingt doch spannend, oder?
Zwar werde ich nicht die ersten »echten« Daten des LHCs benutzen können, die wir Anfang/Mitte nächsten Jahres erwarten, sondern nur auf den simulierten Daten meine Analyse laufen lassen – aber auch so klingt das Thema interessant.

andiplom – Mein Diplomarbeitsblog

In den letzten zwei Monaten habe ich mich in die eigenwillige Software eingearbeitet, die extra für das Experiment programmiert wurde. Gar nicht so leicht. Aber so langsam habe ich genug wissen, um das Programmieren an der Analyse zu beginnen.

Auf meinen Babyschritten begleite ich mich selbst beim Versuch eines digitalen Diplomtagebuchs. Unter andiplom.posterous.com schicke ich jeden Tag einen kleinen Statusbericht samt Bild ins Universum.
Mal schauen, ob ich das auch die nächsten 220 Tage durchhalte.

Noch Fragen?

1. Das wohl eigentlich letzte Kapitel ist die Diplomprüfung über die Vertiefungsrichtung meiner Diplomarbeit, die im Anschluss an diese folgt… [↩]
2. Ich hatte die Leute schon kennengelernt und für nett befunden. [↩]
3. Einstein hat das mal gesagt. E gleich m mal c-quadrat. Hat zwar nur rudimentär damit zu tun, aber ist letztendlich dann doch der Grund dafür. [↩]
4. im Sinne von: massiv [↩]
5. im Sinne von: aufwändig [↩]
6. Superlative sind übrigens im CERN-Sprachgebrauch ein Muss. Habe das damals bei der Anmeldung unterschreiben müssen. Nein. Scherz. [↩]
7. Der Vergleich hinkt ein bisschen, denn die Splitter sind im Protonfall kein direkter Teil des Protons gewesen, sondern werden erst durch die vorhandene Energie der Kollision in Splitter umgewandelt… [↩]
8. Habe semileptonisch in dileptonisch umgewandelt… [↩]
9. Indirekt gab’s für die Theorie, die das erklärt, letztes Jahr den Nobelpreis… [↩]
10. Genauer gesagt: Es zerfällt in ein Lepton-Antilepton-Paar, da sind neben Elektronen noch Myonen und Taus. [↩]