Teilchenphysiker der Universität Göttingen an Forschung am CERN beteiligt

 

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der ATLAS- und CMS-Forschergruppen am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf entdeckten 2012 experimentell das Higgs-Boson, das anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Seitdem erforschen sie, wie dieser Mechanismus der Masseverleihung und Wechselwirkung genau funktioniert. Nun ist es ihnen zum ersten Mal gelungen, die gleichzeitige Produktion eines Top-Quarks, des schwersten Elementarteilchens, und eines Higgs-Bosons zu beobachten. Eine Forschergruppe der Universität Göttingen spielte dabei in der ATLAS-Gruppe eine wichtige Rolle.

Bei der Kollision von Protonen im LHC entstehen viele verschiedene Elementarteilchen. Nur sehr selten werden dabei zwei Top-Quarks zusammen mit einem Higgs-Boson erzeugt. Außerdem lässt sich die Wechselwirkung von Top-Quark und Higgs-Boson nur indirekt anhand von anderen Teilchen nachweisen, die beim Zerfall entstehen. „Das Top-Quark zerfällt in ein W-Boson und ein b-Quark, während das Higgs-Boson zum Beispiel in ein Photon-Paar, vier Leptonen oder ein b-Quark-Antiquark-Paar zerfällt“, so der Göttinger Teilchenphysiker Prof. Dr. Arnulf Quadt.

Seine Arbeitsgruppe hat sich auf die Suche nach Ereignissen mit zwei b-Quarks im Endzustand konzentriert. „So konnten wir die direkte Interaktion zwischen Higgs-Boson und den beiden schwersten Quarks studieren. Unsere Analysen, ebenso wie diejenigen der anderen Arbeitsgruppen am Large Hadron Collider, bestätigen das Standardmodell der Teilchenphysik“, erklärt Quadt. Das Standardmodell ist die Theorie, die die Eigenschaften und die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Elementarteilchen beschreibt. „Wir können jetzt noch genauer hinschauen und überprüfen, ob wir etwas Unerwartetes sehen“, sagt die Göttinger Wissenschaftlerin Elizaveta Shabalina. Sie leitet derzeit die ATLAS-Arbeitsgruppe zur Physik des Top-Quarks und hat die Top-Higgs-Arbeitsgruppe geleitet.

In den vergangenen Jahren haben Studierende sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des II. Physikalischen Instituts der Universität Göttingen entscheidende Entwicklungen zur Suche nach assoziierter Top-Higgs-Produktion beigesteuert. Unter anderem waren dies ein kinematischer „Likelihood Fitter“ und komplexe statistische Methoden, die Optimierung der b-Jet Identifikation, kinematische Kalibration und Techniken zur Untergrund-Unterdrückung oder -Abschätzung. Die Top-Higgs-Arbeitsgruppe in der ATLAS-Arbeitsgruppe wurde viele Jahre durch Forschende und ehemalige Promovierende aus Göttingen geleitet. In Deutschland wird diese Forschung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

 

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Bild: ATLAS-Arbeitsgruppe (Visualisierung einer Teilchenkollision im ATLAS-Detektor, bei der Top-Quarks und Higgs-Teilchen entstehen)