SHiP – Search for Hidden Particles
Das Experiment Search for Hidden Particles (SHiP) ist ein neues Experiment an der Intensitätsfront der Teilchenphysik, das derzeit am CERN vorbereitet wird. Sein Hauptziel ist die Suche nach neuen, äußerst schwach wechselwirkenden Teilchen, die einige der grundlegenden offenen Fragen der modernen Teilchenphysik beantworten könnten. Dazu gehören die Natur der Dunklen Materie, der Ursprung der Neutrinomassen und die Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums.
Anders als Experimente an der Energiefront, die neue schwere Teilchen in hochenergetischen Kollisionen erzeugen wollen, nutzt SHiP die enorme Intensität des Super Proton Synchrotron (SPS) am CERN, um nach leichteren Teilchen mit extrem schwachen Kopplungen an bekannte Materie zu suchen. Solche Teilchen, häufig als feebly interacting particles (FIPs) bezeichnet, könnten sich bisherigen Experimenten entzogen haben. Zu den wichtigen theoretischen Kandidaten gehören schwere neutrale Leptonen, dunkle Photonen, dunkle Skalare, Axion-artige Teilchen und leichte Dunkle Materie.
Das SHiP-Experiment am CERN
SHiP wurde 2024 für die neue Hochintensitätsanlage HI-ECN3 am CERN genehmigt. Ein Protonenstrahl mit einem Impuls von 400 GeV/c aus dem SPS wird auf ein massives Target gelenkt, in dem große Mengen sekundärer Teilchen entstehen, insbesondere Charm- und Beauty-Hadronen. Bei deren Zerfällen könnten neue, schwach wechselwirkende Teilchen produziert werden, die anschließend durch ihre sichtbaren Zerfälle oder durch Streuprozesse nachgewiesen werden können.
Die Anlage ist auf etwa 4 × 1019 Protonen auf dem Target (protons on target, POT) pro Jahr ausgelegt. Über eine Betriebsdauer von 15 Jahren entspricht dies insgesamt etwa 6 × 1020 Protonen auf dem Target. Das Experiment befindet sich derzeit in der Phase der technischen Designberichte (Technical Design Reports, TDRs), deren Fertigstellung für 2027 vorgesehen ist. Installation und Inbetriebnahme der Detektoren sollen schrittweise erfolgen. Der Beginn der Datennahme wird derzeit für die frühen 2030er-Jahre angestrebt.
Der experimentelle Aufbau kombiniert ein Hochintensitäts-Protonentarget, einen Hadronabsorber und einen aktiven magnetischen Myonenschild mit zwei komplementären Detektorsystemen: dem Scattering and Neutrino Detector (SND) und dem Hidden Sector Decay Spectrometer (HSDS).
Das HSDS sucht nach langlebigen neuen Teilchen, die innerhalb eines großen, mit Helium gefüllten Zerfallsvolumens in sichtbare Teilchen des Standardmodells zerfallen. Spurdetektoren, ein Magnetspektrometer, präzise Zeitmessdetektoren, Kalorimeter und Systeme zur Unterdrückung von Untergrundereignissen ermöglichen die Rekonstruktion seltener Zerfallssignaturen.
Der SND befindet sich vor dem Zerfallsspektrometer und dient der Suche nach leichter Dunkler Materie durch Streuwechselwirkungen sowie der Untersuchung des intensiven Neutrinoflusses aus dem Target. Insbesondere wird SHiP einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung von Tau-Neutrinos und Tau-Antineutrinos bieten, die zu den am wenigsten präzise untersuchten Neutrinoarten gehören.
Der Scattering and Neutrino Detector
Der Scattering and Neutrino Detector kombiniert ein hochgranulares Silizium-Wolfram-Kalorimeter (Silicon High-Granularity Calorimeter, SHGC) mit einem magnetisierten Spurkalorimeter (Spectrometer and Muon Tracking Calorimeter, SMTC). Das SHGC besteht aus Wolfram-Absorberplatten, zwischen denen hochauflösende Siliziumsensoren angeordnet sind. Seine feine räumliche Segmentierung ermöglicht die Rekonstruktion von Teilchenwechselwirkungsvertices, Spuren geladener Teilchen und elektromagnetischen Schauern.
Das nachgelagerte SMTC verwendet magnetisierte Eisenabsorber und Szintillationsdetektoren, um die hadronische Energie zu messen und Myonenspuren einschließlich ihres Impulses und ihrer elektrischen Ladung zu rekonstruieren. Zusammen liefern diese Detektorsysteme die kinematischen und topologischen Informationen, die benötigt werden, um Neutrinowechselwirkungen zu identifizieren und mögliche Streusignale Dunkler Materie von Untergrundprozessen des Standardmodells zu unterscheiden.
Eine zentrale Herausforderung ist die Identifikation von Streuprozessen leichter Dunkler Materie an Elektronen. Diese können ein einzelnes energiereiches Elektron ohne zusätzliche Aktivität am Wechselwirkungsvertex erzeugen. Die Kombination aus präziser Spurrekonstruktion, Vertexrekonstruktion und Kalorimetrie ist entscheidend, um Untergründe durch Neutrinowechselwirkungen zu unterdrücken.
Unsere Beiträge: Detektorentwicklung
An der Universität Siegen beteiligen wir uns an der Entwicklung und Optimierung des Scattering and Neutrino Detectors von SHiP, insbesondere des hochgranularen Silizium-Wolfram-Kalorimeters. Unsere Arbeiten umfassen die Optimierung des Detektorkonzepts, Simulationsstudien, die Entwicklung von Prototypen sowie die Vorbereitung von Labor- und Teststrahlmessungen.
Das SHGC kombiniert die hohe Dichte und kurze Strahlungslänge von Wolfram mit der ausgezeichneten räumlichen Auflösung von Siliziumsensoren. Bei der Optimierung der Absorberdicke, der Sensorsegmentierung und der gesamten Detektorgeometrie müssen die Detektormasse, die Effizienz und Auflösung der Spur- und Vertexrekonstruktion, die Energieauflösung sowie technische Randbedingungen gegeneinander abgewogen werden.
Unsere Arbeiten fließen in den technischen Designbericht ein, dessen Fertigstellung für 2027 vorgesehen ist. Anschließend stehen die Entwicklung und Validierung von Detektordemonstratoren und Prototypen im Mittelpunkt.
Unsere Beiträge: Simulation und Physiksoftware
Die Siegener Arbeitsgruppe übernimmt außerdem eine führende Rolle bei der Entwicklung der Simulations- und Physiksoftware von SHiP. Das Experiment verwendet das Softwareframework FairShip für die detaillierte Detektorsimulation, Ereignisgenerierung, Rekonstruktion und physikalische Analysen. Eine präzise Beschreibung der Detektorgeometrie und der Detektorantwort ist entscheidend, um die Sensitivität auf neue Teilchen vorherzusagen und die erwarteten Untergrundprozesse zu verstehen.
Unsere aktuellen Arbeiten umfassen die Modernisierung der SHiP-Softwareumgebung, die Entwicklung von Detektorgeometrien und fortschrittlichen Rekonstruktionsalgorithmen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Integration des ACTS-Toolkits für die Rekonstruktion geladener Teilchenspuren und die Vertexrekonstruktion sowie auf modernen Ansätzen zur Beschreibung und Simulation der Detektorgeometrie.
Diese Entwicklungen sollen eine flexible und langfristig wartbare Softwareinfrastruktur für die Detektoroptimierung, die groß angelegte Monte-Carlo-Produktion und die spätere Analyse der SHiP-Daten bereitstellen. Dabei profitieren wir auch von gemeinsamen Softwareentwicklungen verschiedener Teilchenphysikexperimente.
Physikstudien und Sensitivität
Neben der Detektor- und Softwareentwicklung beteiligt sich unsere Arbeitsgruppe an simulationsbasierten Untersuchungen des physikalischen Potenzials von SHiP. Dazu gehören die Rekonstruktion und Identifikation von Neutrinowechselwirkungen, die Suche nach Streuprozessen leichter Dunkler Materie und die Optimierung der Detektorleistung für seltene physikalische Signaturen.
Der außergewöhnlich hohe Neutrinofluss aus dem Protonen-Beam-Dump ermöglicht detaillierte Untersuchungen von Neutrinowechselwirkungen, darunter die Messung von Tau-Neutrino- Wirkungsquerschnitten und die Produktion von Charm-Quarks durch Neutrinos. Die komplementären Nachweismöglichkeiten über sichtbare Zerfälle und Streuprozesse verleihen SHiP eine hohe Sensitivität für zahlreiche Modelle neuer Physik, die an Collider-Experimenten nur schwer untersucht werden können.
Frühere Arbeiten: SHiP-charm
Zu unseren früheren Beiträgen zu SHiP gehören Untersuchungen der Charm-Produktion in einem dicken Target im Rahmen des SHiP-charm-Experiments. Eine genaue Kenntnis der Charm-Produktion ist wichtig, um die erwarteten Flüsse schwerer neutraler Leptonen und Neutrinos bei SHiP vorherzusagen. Das SHiP-charm-Programm umfasste einen speziellen Testlauf im Jahr 2018, bei dem Kernemulsionen und elektronische Spurdetektoren kombiniert wurden, um Teilchenwechselwirkungen und Zerfälle zu rekonstruieren.
Ausblick
Mit der Genehmigung von SHiP und dem Aufbau der HI-ECN3-Anlage ist das Experiment in eine neue Phase der detaillierten Detektorentwicklung, des Prototypenbaus und der Vorbereitung der Konstruktion eingetreten. Im Mittelpunkt steht derzeit die Fertigstellung der technischen Designberichte, gefolgt von der Entwicklung von Detektordemonstratoren, Teststrahlmessungen und der Vorbereitung von Installation und Inbetriebnahme.
Unsere Forschung in Siegen verbindet Expertise in Siliziumdetektortechnologien, Kalorimetrie, Teilchenrekonstruktion und wissenschaftlicher Softwareentwicklung. Damit leisten wir Beiträge zu einem Experiment, das neue Möglichkeiten zur Erforschung bislang unzugänglicher Bereiche der Teilchenphysik eröffnet und zugleich wichtige technologische und methodische Entwicklungen für zukünftige Experimente vorantreibt.