Mit Grafikkarten das seltenste Ereignis im Universum einfangen

Am Hotspot der physikalischen Forschung, dem großen Hadronen-Speicherring (Large Hadron Collider) am CERN, wurde ein Detektor aufgerüstet, der nach seltenen Teilchen suchen soll, die über die Entstehung des Universums Aufschluss geben können.

Grundlagenforschung

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist gegenwärtig unsere beste Erklärung für die Naturgesetze. Phänomene wie die dunkle Materie, die Gravitation im Quantenmaßstab und das beobachtete Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum vermag es jedoch nicht zu deuten.

Universelle Gesetze

Doch es stehen alternative Modelle in den Startlöchern – etwa die Supersymmetrie. Um zu testen, welche dieser Theorien am genauesten ist, hat Diego Martínez Santos, Projektkoordinator von BSMFLEET, ein subatomares Teilchen erforscht, das als Strange-Quark oder „s-Quark“ bekannt ist. In äußerst seltenen Fällen zerfällt das s-Quark aufgrund von Flavour-Verletzung auf unerwartete Weise. Hier würde die Messung der Häufigkeit des Auftretens den Hinweis darauf geben, welches Modell am genauesten war. „Mit dem Large Hadron Collider (LHC) verfügen wir über einen Detektor, der zwar Teilchenzerfälle rekonstruiert, aber nicht dazu gedacht war, Strange-Quarks zu finden“, erklärt Santos.

Videospiele

Vor etwa sechs Jahren erkannten die Physikerinnen und Physiker, dass der Zerfall des Strange-Quarks mit einem modifizierten Auslösesystem am LHCb-Teilchendetektor, einem der vier Hauptdetektoren am CERN, aufgezeichnet werden könnte. Das Santos-Team von der Universität Santiago de Compostela entwickelte ein solches Auslösesystem für den Betrieb im Zeitraum 2016-2019. Vor Kurzem wurde das System mit GPU-Karten aufgerüstet, wie sie häufiger zum Rendern von Grafiken in Videospielen verwendet werden. Zerfallende Strange-Quarks weichen nicht sehr stark von ihrem anfänglichen Impuls ab, so dass sie im allgemeinen Hintergrundrauschen schwer zu erkennen sind. Zudem sagt das Standardmodell voraus, dass der von Santos gesuchte seltene Zerfall eine Wahrscheinlichkeit von lediglich 1 zu 200 Milliarden aufweist, was bedeutet, dass er nach nur zwei Ereignissen in sämtlichen von 2015 bis 2018 gesammelten Daten gesucht hat. Andere Modelle sagen jedoch eine weit höhere Häufigkeit voraus: etwa einmal pro einer Million Ereignisse. „Ziel ist es, jede Abweichung vom Standardmodell zu finden: Zerfälle, die das Modell fast verbietet“, erklärt er. „In anderen Modellen werden diese Ereignisse nicht so stark unterdrückt, so dass wir die Entscheidung treffen müssten, welches davon das Standardmodell ersetzen soll.“

Wissenschaft auf die langsame Tour

Die Arbeit wurde mit Unterstützung des EU-Programms Horizont 2020 durchgeführt. „Ohne die EU-Finanzierung wäre es fast unmöglich gewesen, diese Forschung zu realisieren“, merkt Santos an. Da die Hauptaufgaben nun abgeschlossen sind, werden Santos und sein Team 2021 die vorliegenden Daten analysieren und nach dem möglicherweise seltensten Ereignis suchen, das jemals in diesem riesigen Teilchenbeschleuniger aufgezeichnet wurde. Seinen eigenen Aussagen zufolge ist Santos deshalb an der Analyse von Physik interessiert, die bei eine Milliardstel Sekunde dauernden Kollisionen eingefangen wird, weil er den Wunsch hat, „die fundamentalen Naturgesetze besser zu verstehen.“ Und er ergänzt: „Vielleicht wird es einmal irgendwann in der Zukunft, vielleicht auch erst in Jahrhunderten, eine Anwendung für das geben, was wir hier entdecken. Manchmal dauert es lange, um Durchbrüche, die zunächst völlig abstrakt erscheinen, voll auszuschöpfen.“

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Challenging the Standard Model using an extended Physics program in LHCb

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