PARTICLE PHYSICS

Dass mitten im Datenmeer des Teilchenbeschleunigers LHC am CERN noch unerkannte Entdeckungen warten, klingt beinahe unmöglich. Über viele Jahre werden dort Milliarden von Kollisionen zwischen Protonen aufgezeichnet – sorgfältig durchforstet von Hunderten von Arbeitsgruppen und tausenden von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern überall auf der Welt. DESY-Wissenschaftler Roman Kogler und seinem Doktoranden Alberto Belvedere ist aber genau das gerade gelungen: Sie haben zum allerersten Mal die gemeinsame Produktion eines Quarks namens „top“ und zwei Botenteilchen namens W und Z nachgewiesen, berichten sie in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. Das ist nicht nur deswegen interessant, weil es zum ersten Mal passiert ist, sondern auch, weil es eine langgehegte Vermutung bestätigt und den Forschenden jetzt ganz neue Methoden für die Untersuchung des Higgs-Feldes bietet.

Um zu verstehen, warum diese Beobachtung eine kleine Sensation ist, muss man wissen, dass das top-Quark eins der schwersten Teilchen ist, die es gibt. Man muss also viel Energie aufwenden, damit es überhaupt erst in den Proton-Proton-Kollisionen am LHC entstehen kann. Weil es so schwer ist, wechselwirkt das top-Quark aber auch stark mit dem Higgs-Feld, mit dessen Hilfe alle Teilchen ihre Masse bekommen. Deswegen ist es so interessant für die Teilchenphysik: Es gibt den Forschenden eine Möglichkeit, das bisher noch ziemlich unerforschte Higgs-Feld, aus dem das Higgs-Teilchen entsteht, das 2012 am LHC nachgewiesen wurde, genauer zu untersuchen. Denn die Frage, wie genau die Form des Higgs-Feldes aussieht und ob es vielleicht verschiedene Arten von Higgs-Teilchen gibt, ist bisher noch unbeantwortet.

Die W- und Z-Teilchen in dem neu entdeckten Prozess hingegen sind Teilchen, die eine der fundamentalen Kräfte der Natur übermitteln: die elektroschwache Wechselwirkung. Der Higgs-Mechanismum verleiht auch den W- und Z-Teilchen ihre Masse, aber auf eine ganz andere Art als dem top-Quark. Die W- und Z-Teilchen teilen ihr Feld mit dem Higgs-Feld, bestehen also zu einem Teil aus ihm. Wenn nun am LHC ein einzelnes top-Quark zusammen mit einem W- und einem Z-Boson erzeugt wird, können Forschende die elektroschwache Wechselwirkung des top-Quarks untersuchen, aber auch, wie das Higgs-Feld mit diesen Teilchen interagiert.

Um die Besonderheit der Beobachtung zu verstehen, muss man außerdem wissen, dass top-Quark, W- und Z-Teilchen, ein Prozess namens tWZ Produktion, sich nicht gern gemeinsam zeigen. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie zusammen in einer Kollision entstehen, ist zum Beispiel siebenmal kleiner als die bereits sehr seltene Produktion von zwei top-Quarks mit einem Z-Boson, auch ttZ genannt Diese ttZ Produktion ist wiederum 1000-mal seltener als andere Prozesse mit zwei top-Quarks. Der gesuchte tWZ Prozess ist also nicht nur sehr selten, sondern das Gemeine ist außerdem, dass diese Kombinationen von Teilchen den ttZ-Ereignissen im Detektor extrem ähnlich sehen. Die häufiger vorkommenden, aber schon seltenen ttZ-Ereignisse von den seltenen tWZ-Ereignissen zu unterscheiden war also ein Meisterstück der besonderen Art.

„Um sie sauber voneinander zu trennen, haben wir die allerneuesten Techniken des maschinellen Lernens verwendet“, erklärt Roman Kogler. Mithilfe von hochentwickelten Computeralgorithmen werden Muster gesucht, die die seltenen Ereignisse kennzeichnen und von den vielen Hintergrundereignissen abheben. Besonders hilfreich war ein Algorithmus, der ähnlich wie moderne Sprachprogramme funktioniert und kleinste Unterschiede in den Daten entdecken kann.

„Hilfreich war auch, dass wir einen großen Datensatz aus Kollisionsdaten von 2016 bis 2023 zur Verfügung hatten.“ Mit noch mehr Daten, so der Wissenschaftler, wird der von ihm und seinem Doktoranden beobachtete Prozess sich klarer hervorheben und sehr spannend werden. Im Moment bearbeiten sie die neuesten LHC-Daten aus den Jahren 2024 und 2025 und werden auch im nächsten Jahr bei der Datennahme beteiligt sein. Wenn der Teilchenbeschleuniger in einigen Jahren mit erhöhter Kollisionsrate aus einer ab 2026 geplanten Umbaupause wieder anläuft, wird sich herausstellen, ob alles, was jetzt zu sehen ist, den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik (der theoretischen Grundlage, die die Eigenschaften und Wechselspiel der Elementarteilchen vorhersagt) entspricht, oder ob es Abweichungen gibt.

Im Moment sehen die beiden Forscher nämlich genau das: eine Abweichung von der Vorhersage. Das Standardmodell prognostiziert für die gleichzeitige Produktion von top, W und Z eine bestimmte Rate, allerdings beobachten die DESY-Wissenschaftler die Teilchen häufiger gemeinsam als erwartet. Das kann einfach eine statistische Fluktuation sein, die sich bei höherer Statistik wieder ausgleicht – oder ein Riss im Standardmodell, was eine weitere Sensation wäre. Kogler mag nicht spekulieren: „Wir müssen der Natur einfach noch genauer auf die Finger schauen und zum Beispiel überprüfen, ob wir diese Abweichung auch bei höheren Energien sehen. Wir haben die Tür gerade erst aufgestoßen.“

Beate Heinemann, Vorsitzende des DESY-Direktoriums, freut sich über das Ergebnis: „Es ist fantastisch, dass wir diesen sehr seltenen Prozess nun auch beobachtet haben, denn je seltener ein Prozess, desto besser sind die Chancen, dass wir etwas fundamental Neues entdecken. Und hier sehen wir diesen Prozess tatsächlich häufiger als erwartet, so dass ich sehr gespannt bin, ob sich das auch mit mehr Daten bestätigen wird und falls ja, woran das liegt. Meine Glückwünsche gehen an die CMS-DESY-Gruppe (besonders Roman und Alberto) und mein Dank geht an die LHC-Beschleuniger-Expertinnen und -Experten am CERN!“
 
Originalveröffentlichung

A. Hayrapetyan, V. Makarenko, A. Tumasyan, W. Adam, J. W. Andrejkovic, L. Benato, T. Bergauer, M. Dragicevic, C. Giordano et al. (CMS Collaboration), Observation of ⁢⁢ Production at the CMS Experiment, Phys. Rev. Lett. 136, 081802, DOI: https://doi.org/10.1103/rk6w-1pcl