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LARGE HADRON COLLIDER
Seltene Reaktion des Higgs-Teilchens entdeckt
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik
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6. Juni 2018

Im Jahr 2012 wurde am CERN das Higgs-Boson entdeckt, das für die Masse anderer Elementarteilchen zuständig ist. Das Team des ATLAS-Experiments am Large Hadron Collider konnte nun erstmals die seltene Produktion eines Higgs-Bosons zusammen mit einem Top-Quark-Paar beobachten - ein wichtiger Schritt bei der Suche nach einer Physik jenseits des Standardmodells.

Higgs

Die ATLAS-Aufnahme zeigt einen Kandidaten für die Produktion des Higgs-Bosons zusammen mit zwei Top-Quarks. Bild: CERN [Großansicht]

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons vor ziemlich genau sechs Jahren steht das Higgs-Teilchen im Fokus umfangreicher Untersuchungen. Jetzt haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider erstmals die seltene Produktion eines Higgs-Bosons zusammen mit einem Top-Quark-Paar, den sogenannten ttH-Produktionsprozess, beobachtet. Dies öffnet ein weiteres Tor für die Suche nach neuen Physikphänomenen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.

Als schwerstes Elementarteilchen im Standardmodell koppelt das Top-Quark auch am stärksten von allen Teilchen an das Higgs-Boson. "Direkt nachweisbar ist diese Kopplung aber nur durch den ttH-Produktionsprozess, der äußerst selten vorkommt: Nur ein Prozent der Higgs-Bosonen entstehen zusammen mit Top-Quarks", erklärt Sandra Kortner vom Max-Planck-Institut für Physik.

Der ttH-Prozess hinterlässt eine ausgesprochen komplexe Signatur im Detektor. Für die Beobachtung mussten daher möglichst viele Higgs-Boson-Zerfälle – in Photonen, W- und Z-Bosonen, Tau-Leptonen und Beauty-Quarks – berücksichtigt und kombiniert werden. Den ersten Hinweis auf die ttH-Produktion haben Wissenschaftler letzten Dezember mit dem ATLAS-Experiment gefunden. Seitdem wurden weitere Daten analysiert. In die neuesten Messungen gingen die gesamten Proton-Proton-Kollisionsdaten ein, die seit dem Beginn der Datennahme im Jahr 2011 bis Ende 2017 aufgenommen wurden. Mit einer statistischen Signifikanz von 6,2 Standardabweichungen konnte man nun experimentell nachweisen, dass der Higgs-Mechanismus für die große Masse des Top-Quarks verantwortlich ist.

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Dies steht im Einklang mit der jüngsten Beobachtung des CMS-Experiments mit einer Signifikanz von 5,2 Standardabweichungen, die auf einem kleineren Datensatz basiert. Somit könnte das Ergebnis dazu beitragen, eine wichtige offene Frage im Standardmodell zu beantworten, nämlich warum Fermionen, zu denen Quarks und Leptonen und damit die Bausteine der Materie zählen, so unterschiedliche Massen haben.

Die gemessene Stärke der Higgs-Boson-Kopplung an Top-Quarks stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. "Die Abweichungen von diesen Vorhersagen, die beispielsweise durch die Existenz neuer, unbekannter Teilchen auftreten würden, könnten allerdings erst nach präziseren Messungen mit zusätzlichen Daten aufgedeckt werden", so Kortner weiter. Die Beobachtung der ttH-Produktion ebnet somit einen wichtigen neuen Weg zu potenziellen Entdeckungen.

Die aktuellen Messergebnisse für die bereits beobachteten Higgs-Boson-Kopplungen an andere Teilchen – Tau-Leptonen und W- und Z-Bosonen – liegen ebenfalls vor. Auch diese Messungen befinden sich im Einklang mit dem Standardmodell. Die Gruppe am Max-Planck-Institut für Physik hat insbesondere zur Messung des Higgs-Boson-Zerfalls in Z-Bosonen maßgeblich beigetragen. Die neuen Ergebnisse zur Higgs-Boson-Physik werden bei der diesjährigen LHCP-Konferenz in Bologna vorgestellt, die in dieser Woche stattfindet. Eine deutliche Steigerung der Messgenauigkeit für die Eigenschaften des Higgs-Bosons erwarten Wissenschaftler nach Analyse aller Daten, die bis Ende dieses Jahres aufgenommen werden.

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siehe auch
Large Hadron Collider: Zerfällt Higgs-Teilchen in Quarks? - 17. August 2017
Teilchenphysik: Neue Messungen des Higgs-Teilchens - 23. Juni 2014
Teilchenphysik: Physik-Nobelpreis für Englert und Higgs - 8. Oktober 2013
CERN: Higgs-Teilchen am LHC entdeckt? - 4. Juli 2012
CERN: Physiker kreisen Higgs-Teilchen ein - 13. Dezember 2011
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Physik
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