Häufigster Zerfall des Higgs-Teilchens nachgewiesen

Eine Freiburger Arbeitsgruppe der experimentellen Teilchenphysik unter der Leitung von Dr. Christian Weiser hat als Teil der ATLAS-Kollaboration dazu beigetragen, den Zerfall des Higgs-Teilchens in so genannte Bottom-Quarks nachzuweisen. Die Forscherinnen und Forscher haben Datensätze analysiert, die in den Jahren 2015 bis 2017 mit dem ATLAS-Detektor am weltweit größten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik CERN in Genf/Schweiz, aufgezeichnet wurden. „Der zweifelsfreie Nachweis des Zerfalls des Higgs-Teilchens in Quarks ist ein äußerst wichtiger Schritt zum Verständnis dieses Teilchens“, sagt Weiser. „Damit ist bestätigt, dass auch Quarks ihre Masse durch den Higgs-Mechanismus erhalten. Ziel wird nun sein, die Eigenschaften des Higgs-Teilchens in diesem Zerfall genauer zu messen.“ Die präzise Vermessung ist den Forschern zufolge wichtig, da messbare Abweichungen von den Vorhersagen der Standardtheorie auf eine so genannte neue Physik – jenseits dieses Standardmodells – hindeuten.

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens durch die Experimente ATLAS und CMS am LHC-Beschleuniger im Jahr 2012 stellte einen Meilenstein der Physik dar, denn die Existenz dieses Teilchens war fast 50 Jahre zuvor vorhergesagt worden. Das Higgs ist ein kurzlebiges Teilchen, das nahezu sofort nach seiner Produktion in andere Teilchen zerfällt. Die Häufigkeit, mit der diese Zerfälle auftreten, kann mithilfe der zugrundeliegenden Theorie berechnet werden. Bisher haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Zerfälle in andere Teilchen – so genannte W- und Z-Bosonen, Photonen und Tau-Leptonen – zweifelsfrei nachgewiesen. Den Zerfall in ein Paar von Bottom-Quarks, der mit einer Wahrscheinlichkeit von fast 60 Prozent am häufigsten auftreten sollte, konnten die Forschenden bisher jedoch nicht beobachten. Dies liegt daran, dass es eine Vielzahl anderer Prozesse gibt, die von Zerfällen des Higgs-Teilchens in Bottom-Quarks nur schwierig zu unterscheiden sind und mit einer ungleich höheren Rate auftreten. Erst mit der Analyse der größten zur Verfügung stehenden Datensätze konnte dieser Zerfall durch Rekonstruktion der Zerfallsprodukte eindeutig von Untergrundprozessen unterschieden werden. Als weiteres Ergebnis wiesen die Forscher einen besonderen Produktionsprozess nach – die so genannte assoziierte Produktion des Higgs-Teilchens mit einem W- oder Z-Boson –, den die Wissenschaftler ebenfalls erstmals zweifelsfrei beobachtet haben.

Die Präsentation dieser Ergebnisse war einer der Höhepunkte der Internationalen Teilchenphysik-Konferenz, die vom 4. bis zum 11. Juli 2018 in Seoul/Südkorea stattfand. Die zeitgleiche Veröffentlichung der ATLAS- und CMS-Kollaborationen wird durch ein Sonderseminar am CERN begleitet. Neben den Freiburger Wissenschaftlern waren weitere deutsche Gruppen innerhalb der Verbundforschung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung an diesem Ergebnis beteiligt.

Pressemitteilung des CERN

Pressemitteilung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung