Meilenstein der Teilchenphysik: Forscher haben erstmals die gleichzeitige Produktion von Higgs-Bosonen mit Top-Quarks nachgewiesen – den schwersten aller bekannten Elementarteilchen. Diese seltene Kopplung zeigte sich an gleich zwei Detektoren des Teilchenbeschleunigers LHC am CERN. Sie bestätigt die Vorhersagen des Higgs-Mechanismus, durch den Teilchen ihre Masse erhalten und das Standardmodell der Teilchenphysik.
Als Physiker im Juni 2012 die Entdeckung des Higgs-Bosons bekanntgaben, war dies eine Sensation. Denn dieses Teilchen und das mit ihm verknüpfte Feld, gilt als der Mechanismus, über den alle Teilchen ihre Masse bekommen. Der Theorie nach müsste daher das schwerste Elementarteilchen, das Top-Quark, auch am stärksten von allen Teilchen an das Higgs-Boson gekoppelt sein – erst so bekommt es seine große Masse.
Eine Frage der Kopplung
Doch ob es diese starke Kopplung gibt, blieb bisher unklar. Die Suche nach einem Beleg dafür war eines der wichtigsten Ziele der zweiten Laufzeit des Large Hadron Collider (LHC), des stärksten Teilchenbeschleunigers der Welt. Das Problem: Existiert diese Kopplung, müsste bei einigen Protonenkollisionen ein Higgs-Boson gemeinsam mit einem Paar aus einem Top-Quark und einem Anti-Top-Quark entstehen.
Doch dieser sogenannte ttH-Produktionsprozess ist äußerst selten: „Nur ein Prozent der Higgs-Bosonen entstehen zusammen mit Top-Quarks“, erklärt Sandra Kortner vom Max-Planck-Institut für Physik. Weil die Top-Quarks aber nicht stabil sind, lässt sich dieser Prozess nur indirekt durch die Teilchen nachweisen, die bei ihrem Zerfall entstehen. Der ttH-Prozess hinterlässt dabei eine ausgesprochen komplexe Signatur im Detektor.
Nachweis in gleich zwei Detektoren
Jetzt ist den Cern-Forschern genau dieser Nachweis gelungen – unabhängig voneinander an zwei Detektoren des LHC. „Wir sind wirklich stolz, die gemeinsame Produktion von Top-Quarks mit dem Higgs-Boson verkünden zu dürfen“, sagt Fabio Cerutti von der ATLAS-Kollaboration. „Das ist ein sehr wichtiges Ergebnis und ein echter Meilenstein der Teilchenphysik.“
Die am CMS-Detektor registrierten Teilchensignaturen, sichtbar als „Beule“ in den Datenkurven, erreichten eine Signifikanz von fünf Sigma, wie die Physiker berichten. Das gilt in der Teilchenphysik als offizielle Schwelle für einen Nachweis. Auch am ATLAS-Detektor wurden die für den ttH-Prozess vorhergesagten Teilchenmuster entdeckt – dort lag die Signifikanz sogar noch höher als fünf Sigma.
Einblick in Higgs-Mechanismus
Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt hin zu einem Verständnis des Higgs-Mechanismus – des Mechanismus, der Elementarteilchen Masse verleiht. „Die Messungen am CMS und ATLAS liefern uns starke Indizien dafür, dass das Higgs-Boson tatsächlich eine Schlüsselrolle für die große Masse des Top-Quarks spielt“, erklärt Karl Jacobs, Sprecher der ATLAS-Kollaboration.
Die besonders starke Kopplung des Higgs-Bosons mit schweren Teilchen ist eine der Kernvorhersagen des Higgs-Mechanismus. „Und dies ist nun das erste Mal, dass dieser Prozess experimentell verifiziert worden ist – und das mit überwältigender Signifikanz“, so Jacob.
Bestätigung des Standardmodells
Wie die Forscher erklären, stützen und bestätigen ihre Ergebnisse nicht nur den Higgs-Mechanismus, sondern auch das gesamte Standardmodell der Teilchenphysik. Denn hätte sich der ttH-Prozess nicht nachweisen lassen, dann wäre dies ein möglicher Hinweis auf eine Physik jenseits des Standardmodells. Doch bisher hält das Modell allen Herausforderungen stand.
„Wenn ATLAS und CMS im November 2018 ihre aktuelle Datenaufnahme abschließen, werden wir genügend Ereignisse haben, um die Vorhersagen des Standardmodells für ttH noch präziser zu überprüfen“, erklärt Joel Butler, Sprecher der CMS-Kollaboration. „Dann werden wir sehen, ob sich doch noch irgendwo Hinweise auf etwas Neues verbergen.“
Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse am 4. Juni auf dem Teilchenphysik-Kongress LHCP in Bologna vorgestellt, einer der wichtigsten Tagungen auf diesem Gebiet.
(CERN, Max-Planck-Institut für Physik, DESY, 05.06.2018 – NPO)
