Direkte Kopplung zwischen Higgs-Boson und Top-Quark beobachtet

Am 4. Juli 2012 verkündeten zwei der Experimente am Large Hadron Collider (LHC) des CERN, ATLAS und CMS, dass sie unabhängig voneinander das Higgs-Boson entdeckt haben. Die Ankündigung sorgte weltweit für Schlagzeilen; mit dieser Entdeckung waren schliesslich sämtliche Elementarteilchen des Standardmodells experimentell nachgewiesen, ein halbes Jahrhundert nachdem das Higgs-Boson theoretisch vorhergesagt wurde. Gleichzeitig markierte dieser Nachweis auch den Beginn eines experimentellen Programms, das darauf abzielt, die Eigenschaften des neu entdeckten Teilchens zu bestimmen. In einem heute in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen Artikel beschreibt die CMS-Kollaboration nun einen Meilenstein in diesem Forschungsprogramm.

Im Standardmodell kann das Higgs-Boson an Fermionen koppeln, und die Kopplungsstärke ist proportional zur Masse des beteiligten Fermions. Während entsprechende Zerfallsprozesse beobachtet wurden, ist der Zerfall in Top-Quarks, dem schwersten bekannten Fermion, kinematisch unmöglich. Daher werden andere Methoden benötigt, um die Kopplung des Higgs-Bosons an das Top-Quark direkt zu untersuchen. Eine Möglichkeit ist die Produktion eines Higgs-Bosons und eines Paars, das aus einem Top-Quark und einem Top-Antiquark besteht (siehe Abbildung). Und eben dieser Produktionsmechanismus ist nun zum ersten Mal beobachtet worden, womit die CMS-Kollaboration gleichzeitig auch eines der Hauptziele zur Erkundung der Higgs-Physik erreicht hat.

Dieser Meilenstein kam deutlich früher als erwartet, sagt ETH-Professor und stellvertretender CMS-Sprecher Günther Dissertori. Der frühe Erfolg wurde einerseits durch die exzellenten experimentellen Daten ermöglicht, aber auch zu einem wesentlichen Teil durch die Verwendung ausgefeilter Analysemethoden, die sicherstellten, dass die erforderliche statistische Genauigkeit erreicht werden konnte.

Seit CMS Ende 2009 damit begonnen hat, Daten zu erfassen, haben die ETH-Gruppen von Dissertori und Rainer Wallny (sowie die ehemalige Gruppe von Felicitas Pauss), zusammen mit der Gruppe von Christoph Grab und weiteren Kollegen am Institut für Teilchenphysik und Astrophysik der ETH, eine führende Rolle bei der Analyse dieser Daten. Zu den Analyseinstrumenten, die sie — in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Zürich — entwickelt haben, gehört die sogenannte Matrix-Element-Methode. Diese wurde zu einem unentbehrlichen Werkzeug, um Signale aus Daten zu extrahieren, die eine enorme Menge an anderen Informationen enthalten. Solche Methoden sind an der Schnittstelle von Theorie und Experiment, und sie sind unentbehrlich um die Physik zu erkunden, die sich im Heuhaufen von Daten verbirgt, die in modernen Hochenergiephysikexperimenten erzeugt werden.

Das vorliegende Resultat ist ein herausragendes Beispiel für die Leistungsfähigkeit solcher Analysemethoden. Mit der Beobachtung der Kopplung zwischen den beiden schwersten Elementarteilchen des Standardmodells hat das LHC-Physikprogramm einen wichtigen Schritt getan zur Charakterisierung und zum besseren Verständnis des Higgs-Bosons. Während die Stärke der gemessenen Kopplung mit der Erwartung des Standardmodells übereinstimmt, lässt die Präzision der Messung noch Raum für Beiträge, die von physikalischen Mechanismen stammen könnten, die nicht durch das Standardmodell beschrieben werden. In den kommenden Jahren werden nun eine grosse Menge weiterer Daten gesammelt und die Genauigkeit verbessert, um zu überprüfen, ob das Higgs-Boson solche "neue Physik" offenbart.

Weitere Informationen finden sich in einer externe Seite Pressemitteilung des CERN (in Englisch) anlässlich der Eröffnung der LHCP2018-Konferenz in Bologna (Italien), wo auch die ATLAS Kollaboration erstmals ihre neuesten Ergebnisse präsentiert.