PARTICLE PHYSICS

Eine neue Analyse von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des CMS-Experiments am Large Hadron Collider (LHC), dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger am CERN, beschäftigt sich mit äußerst seltenen Ereignissen in Teilchenkollisionen, bei denen drei schwere Kräfteteilchen gleichzeitig entstehen. Mithilfe dieser seltenen Ereignisse haben die Forschenden nach Anzeichen unbekannter Phänomene gesucht – und dabei einige der bislang strengsten Einschränkungen dafür festgelegt, wo man diese finden könnte.

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die Theorie, die alle bekannten Teilchen beschreibt, aus denen unsere Welt besteht, und die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Es hat eine enorme Bandbreite von Phänomenen mit bemerkenswerter Präzision erfolgreich vorhergesagt. Bislang hat jeder experimentelle Test die Vorhersagen des Standardmodells bestätigt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler feiern diesen Erfolg, hoffen aber weiterhin darauf, Abweichungen zu entdecken, die auf Effekte hindeuten, die über unser derzeitiges Verständnis hinausgehen.

Einer der seltensten vom Standardmodell vorhergesagten Prozesse tritt auf, wenn eine einzelne Proton-Proton-Kollision gleichzeitig drei massive Kraftträgerteilchen, sogenannte „Bosonen“, erzeugt: W- und Z-Bosonen, die Träger der schwachen Kernkraft. Diese sogenannten „Triboson“-Ereignisse wurden erstmals 2020 von der CMS-Kollaboration beobachtet und gehören nach wie vor zu den am schwierigsten zu untersuchenden Kollisionsergebnissen am Large Hadron Collider am CERN.

In einer neuen Analyse haben CMS-Forschende die erste umfassende Suche nach Physik jenseits des Standardmodells mit Triboson-Ereignisse durchgeführt, bei denen alle drei Bosonen besonders hohe Energien aufweisen – deswegen heißen sie auch „geboostete“ Bosonen.

Die Arbeit wurde von Saptaparna Bhattacharya (heute Assistenzprofessorin an der Southern Methodist University in den USA) während ihrer Zeit als Alexander-von-Humboldt-Forschungsstipendiatin bei DESY geleitet. Dieses Stipendium, finanziert durch das Humboldt-Henriette-Herz-Scouting-Programm, war Teil des größeren DESY-Projekts „Standard Model at Ultimate Precision“ (STANDUP, standup.desy.de), geleitet von Henriette-Herz-Scout Katerina Lipka (DESY-Wissenschaftlerin und Professorin an den Unis Wuppertal und Lund). Unterstützt durch den Helmholtz-Initiativ- und Vernetzungsfonds zielt STANDUP darauf ab, indirekt nach neuen Effekten zu suchen, indem winzige Abweichungen von den Erwartungen in hochpräzisen Messungen von Parametern des Standardmodells (zum Beispiel Teilchenmassen und Wechselwirkungsstärken) untersucht werden. In den letzten Jahren hat STANDUP zu einer Vielzahl wichtiger Präzisionsmessungen und Beobachtungen bei CMS beigetragen, zuletzt bei der Beobachtung des tWZ-Prozesses. Das Stipendium für Saptaparna Bhattacharya bot ihr die Zeit, die Ressourcen und das wissenschaftliche Umfeld innerhalb der DESY-CMS-Gruppe, die für eine Analyse dieser Größenordnung erforderlich waren. Die Studie kombiniert zehn verschiedene experimentelle Szenarien und testet 32 potenzielle Wechselwirkungen der Neuen Physik innerhalb eines einzigen statistischen Rahmens.

Um so viele Informationen wie möglich aus diesen Kollisionen zu gewinnen, unterteilten die Forschenden die Analyse in zehn verschiedene Kategorien mit unterschiedlicher Anzahl von Elektronen, Myonen oder Tau-Leptonen sowie hochenergetischen Teilchenstrahlen, die im Detektor beobachtet wurden.

Der Grund dafür ist, dass jedes der drei Bosonen entweder in Quarks zerfallen und dabei Teilchenbündel erzeugen oder in Leptonen zerfallen kann. Verschiedene Zerfälle sehen im Detektor unterschiedlich aus. Die Forschenden achteten besonders auf die Gesamtenergie der Kollision: Neue schwere Teilchen oder Wechselwirkungen würden höchstwahrscheinlich als kleine Überschüsse in den energiereichsten Bereichen der Daten auftreten.

„Indem wir diese komplexen Ereignisse katalogisieren, wollen wir Hinweise auf neue Physik anhand der subtilen Signaturen schwerer, noch unentdeckter Phänomene aufdecken“, fasst Bhattacharya zusammen.

Für die schwierigsten Signale setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusätzlich eine Methode des maschinellen Lernens ein, um potenzielle Signale besser von normalen Standardmodell-Prozessen unterscheiden zu können.

„Um Hinweise auf neue Physik an den äußersten Rändern des Standardmodells zu entdecken, mussten wir eine komplexe Analyse entwickeln“, sagt Bhattacharya.

Das Team legte neue Einschränkungen für 32 verschiedene Szenarien neuer Physik fest und erweiterte damit den Umfang früherer Triboson-Studien erheblich. Das Ergebnis: Die Daten stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein, wodurch die Theorie in einem ihrer extremsten, experimentell zugänglichen Bereiche auf die Probe gestellt wird.

Der laufende “Run 3” des LHC wird noch mehr Daten bei höheren Kollisionsenergien liefern, wodurch sich Triboson-Messungen von seltenen Beobachtungen zu Präzisionswerkzeugen für die Erforschung der Physik jenseits des Standardmodells entwickeln können.


Originalveröffentlichung

CMS Collaboration, Search for new physics in triple boson production in proton-proton collisions at s√ = 13 TeV using the effective field theory approach