CHIPP Preis 2023: Auf Entdeckungskurs

Schon als Kind wusste Anne-Mazarine Lyon, dass sie Physikerin werden würde. Ihre einzige Sorge war damals, dass es vielleicht bis zum Ende ihrer Schulzeit nichts mehr zu entdecken geben könnte. Heute, als (fast) fertig promovierte Physikerin, muss sie sich keine Sorgen mehr machen: In ihrer Doktorarbeit allein hat sie zwei Aspekte von noch unentdeckten Teilchen und Phänomenen untersucht. Die Doktorandin der ETH Zürich, die am CMS-Experiment am CERN arbeitet, ist die Gewinnerin des diesjährigen CHIPP-Preises, den das Schweizerische Institut für Teilchenphysik jedes Jahr an die beste Doktorandin oder den besten Doktoranden in experimenteller oder theoretischer Teilchenphysik vergibt.

"In meiner Doktorarbeit geht es um die Grundlagenphysik, die Antworten auf Fragen sucht, für die das Standardmodell keine Lösungen bereithält", sagt Anne-Mazarine Lyon. Noch unentdeckte Teilchen könnten aussergewöhnliche Phänomene erklären oder Kandidaten für die dunkle Materie liefern – eins der grössten Rätsel in der aktuellen Teilchenphysik. Ihre Suche konzentriert sich auf zwei recht unterschiedliche Bereiche ausserhalb des Standardmodells der Teilchenphysik: Supersymmetrie und schwere Neutrinos ( manchmal auch sterile Neutrinos oder schwere neutrale Leptonen genannt).

Die Supersymmetrie ist eine Theorie, die die Existenz eines Superpartners zu jedem bekannten Teilchen des Standardmodells vorhersagt. Ihre Eigenschaften wären ähnlich wie die ihres Partners in der realen Welt, nur dass jedes Fermion (eine Klasse von Teilchen wie das Elektron, die Quarks und das Neutrino) einen Superpartner aus der Bosonenklasse - die Botenteilchen wie das Gluon oder das Photon - bekommen würde und umgekehrt. Seine Existenz könnte zum Beispiel erklären, warum das Higgs-Teilchen vergleichsweise leicht ist und ein möglicher Kandidat für die dunkle Materie sein. "Bisher konnten wir jedoch noch keinen Beweis für Supersymmetrie finden", sagt Anne-Mazarine Lyon. "Die Symmetrie muss irgendwo gebrochen sein. Ich habe versucht, sie in den Proton-Proton-Kollisionen zu finden, die Jets und fehlende Energie erzeugen." Denn manchmal kann das, was nicht da ist, viel über das aussagen, was einmal da war.

Zusammen mit einem kleinen Team von der ETH Zürich und Instituten in Kalifornien untersuchte sie den kompletten Datensatz, den der CMS-Detektor am LHC in seiner zweiten Laufzeit gesammelt hatte. Nach theoretischen Vorhersagen würde die Produktion von Squarks und Gluinos, den jeweiligen Superpartnern der Quarks und Gluonen, eine wahrscheinliche Erscheinung der Supersymmetrie bei LHC-Kollisionen sein. In den vom Team untersuchten Szenarien würden die supersymmetrischen Teilchen immer in einem Paar erzeugt werden. Sie wären zwar instabil, würden aber in Quarks und das leichteste supersymmetrische Teilchen, in diesem Fall ein Neutralino, zerfallen, das man nicht nachweisen kann. Natürlich könnten auch einige Prozesse des Standardmodells die Signaturen dieser Zerfälle imitieren. Eine Abweichung zwischen der Anzahl der Ereignisse, die von diesen bekannten Prozessen vorhergesagt werden, und der Anzahl, die tatsächlich im Detektor gemessen wird, könnte ein Hinweis darauf sein, dass irgendwann etwas entstanden ist, das unentdeckt geblieben ist... ein supersymmetrisches Teilchen zum Beispiel.

Aber machen Sie sich keine zu grossen Hoffnungen - es wäre eine Sensation, wenn Supersymmetrie entdeckt würde, noch dazu von einer Doktorandin in ihrer Abschlussarbeit. Anne-Mazarine und ihre Kollegen haben sie nicht gefunden. Aber das ist aus mehreren Gründen erfreulich. Zunächst einmal setzt es neue Grenzen für ähnliche Suchen in der Zukunft. "Wir haben einen grossen Bereich des Phasenraums erforscht und einen neuen Grenzwert für die Masse der supersymmetrischen Teilchen festgelegt, der sich gegenüber den bisherigen Ergebnissen um etwa 100 GeV verbessert hat", erklärt die Preisträgerin. "Ausserdem habe ich den kompletten Prozess der Publikation einer wissenschaftlichen Arbeit miterlebt, was mir bei meiner zweiten Analyse sehr geholfen hat, denn hier bin ich der Koordinatorin für die Veröffentlichung."

Mit dieser zweiten Suche schliesst sich der Kreis zur jungen, von der Antimaterie faszinierten Anne-Mazarine. Es war nicht nur die Tatsache, dass es Antimaterie überhaupt gibt, sondern auch die Vorstellung, dass sie einmal, kurz nach dem Urknall, in gleicher Menge wie die reguläre Materie existiert hat, mit der sie sich dann gegenseitig vollständig vernichtet haben müsste. Warum gibt es überhaupt noch Materie in unserem Universum? Was ist der Mechanismus dahinter? Wir wissen es immer noch nicht, aber jede Analyse bringt uns der Antwort ein Stückchen näher.

"Im Standardmodell können die Teilchen entweder rechtshändig oder linkshändig sein. Mit Ausnahme der Neutrinos: Sie sind immer linkshändig. Da fragt man sich doch: Fehlt da nicht etwas?", fragt die Physikerin. In ihrer zweiten Analyse im Rahmen ihrer Doktorarbeit machte sie sich also auf die Suche nach diesen rechtshändigen Neutrinos, auch "schwere" oder "sterile" Neutrinos genannt. Sollten sie existieren, hätten sie enorme Auswirkungen auf unser Verständnis der Welt. Sie könnten nicht nur einen Mechanismus für die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie liefern, sondern auch die Natur der sehr kleinen, aber nicht verschwindend kleinen Masse der Neutrinos erklären und eine Antwort auf das Rätsel der dunklen Materie geben ...

Allerdings stellt sich die Frage, wie man nach diesen Teilchen suchen kann. Zum ersten Mal wird mit dem CMS-Detektor nach Szenarien gesucht, in denen die schweren Neutrinos bei den Zerfällen von B-Mesonen entstehen, also Teilchen, die aus zwei Quarks bestehen, von denen eines ein b-Quark oder ein b-Antiquark ist. Diese Klasse von Prozessen ist besonders interessant, da diese Zerfälle eine sehr ergiebige Quelle für Neutrinos und damit potenziell auch für schwere Neutrinos sind. "Ursprünglich dachte man, dass eine solche Suche mit dem CMS-Detektor nicht möglich sei, bis man 2018 einen speziellen Datensatz sammelte, der mit B-Meson-Zerfällen angereichert war", erklärt die Genferin. Eine weitere Herausforderung dieser Suche besteht darin, dass sie auf Signaturen abzielt, bei denen die schweren Neutrinos langlebig sind, was den Zugang zu einer interessanten Region des Phasenraums ermöglicht, aber die Analyse der Daten noch komplexer macht. Die Analyse wurde von Grund auf neu aufgesetzt, und Anne-Mazarine Lyon war hierbei nicht nur an der Konzeption aller Aspekte beteiligt, sondern auch für die Koordinierung zwischen den beiden Instituten zuständig, die zu dieser Analyse beigetragen haben. "Wir mussten das Beste aus dem Detektor herausholen; das war eine ziemliche Herausforderung, aber auch sehr interessant", sagt Anne-Mazarine. Die Arbeit ist noch nicht veröffentlicht, also bleiben Sie dran für neue Ergebnisse...

Ihr Doktorvater Günther Dissertori, Rektor der ETH Zürich, ist voll des Lobes für seine Studentin. "Anne-Mazarine verfügt über sehr fundierte Kenntnisse sowohl in der theoretischen als auch in der experimentellen Physik, die es ihr insgesamt ermöglicht haben, bedeutende Beiträge zum CMS-Experiment zu leisten. Ihre Reife, ihre professionelle Art zu arbeiten und mit anderen Kollegen zu interagieren sowie ihre wissenschaftliche Sorgfalt sind einfach hervorragend."

Was Anne-Mazarine Lyon nach Abschluss ihrer Promotion machen wird, ist offen. Während ihrer Dissertation war das Unterrichten und Betreuen junger Studenten eine der Tätigkeiten, die ihr besonders viel Spass gemacht haben. Daher wäre eine Zukunft, in der sie Entdeckungen machen und die nächste Generation in die Teilchenphysik einführen kann, eine natürliche Wahl.

Barbara Warmbein