Top-Quark gleichzeitig mit W- und Z-Boson beobachtet

Die DESY-Wissenschaftler Roman Kogler und Alberto Belvedere haben im Datenmeer des Teilchenbeschleunigers LHC zum allerersten Mal die gemeinsame Produktion eines Top-Quarks und zweier W- und Z-Botenteilchen ausgemacht. Dies bestätigt eine langgehegte Vermutung und bietet den Forschenden jetzt ganz neue Methoden für die Untersuchung des Higgs-Felds. Die Frage, wie genau die Form des Higgs-Feldes aussieht und ob es vielleicht verschiedene Arten von Higgs-Teilchen gibt, ist bisher noch unbeantwortet.

Teilchenkollision, bei der gleichzeitig ein top-Quark, ein W- und ein Z-Boson vorkommen.

Quelle: CMS Collaboration / CERN

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.

Zur Besonderheit der Beobachtung trägt auch bei, dass top-Quark, W- und Z-Teilchen, ein Erzeugungsprozess 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 tausendmal seltener als andere Prozesse mit zwei top-Quarks. Der gesuchte tWZ Prozess ist also nicht nur sehr selten, sondern diese Teilchen-Kombinationen sieht den ttZ-Ereignissen im Detektor extrem ähnlich. Die häufiger vorkommenden, aber schon seltenen ttZ-Ereignisse von den seltenen tWZ-Ereignissen zu unterscheiden war also ein Meisterstück der besonderen Art.

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„Um sie sauber voneinander zu trennen, haben wir die allerneuesten Techniken des maschinellen Lernens verwendet“, erklärt 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 in diesem 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 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.“ [DESY / dre]