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Eine neue Suche nach dem Higgs-Boson

Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 bestätigte nicht nur das Standardmodell der Teilchenphysik, sie läutete auch eine neue Ära der präzisen Higgs-Physik ein. EU-finanzierte Wissenschaftler haben jetzt die Geschwindigkeit gemessen und berechnet, mit der Higgs-Bosonen durch die Vektorbosonenfusion produziert werden.
Eine neue Suche nach dem Higgs-Boson
Vor dem Jahr 2012 waren alle Teilchen des Standardmodells mit Ausnahme des Higgs-Bosons beobachtet worden. Durch Experimente der Teilchenbeschleuniger A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) und Compact Muon Solenoid (CMS) am Large Hadron Collider (LHC) wurde ein Teilchen entdeckt, dessen Eigenschaften denen des Higgs-Bosons ähnelten.

Nachfolgende Messungen im Zuge der beiden Experimente bestätigten, dass das Higgs-Boson existiert. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts HIGGSWBF (A path to understanding: Precision studies of the Higgs boson through weak boson fusion) wurde versucht, anhand seltener Prozesse von Interesse die Produktionsgeschwindigkeit des Higgs-Bosons zu messen.

Die HIGGSWBF-Wissenschaftler setzten dort an, wo die vorhergehenden Untersuchungen aufgehört hatten, nämlich bei Messungen sogenannter Dijets, welche über starke nukleare und elektromagnetisch schwache Interaktionen im Zusammenhang mit dem W-Boson produziert werden. Bei dem W-Boson handelt es sich um ein Vektorboson, eines der Trägerteilchen mit schwacher nuklearer Kraft.

W-Bosonen und hadronische Jets werden am LHC auf verschiedene Weise produziert. Elektromagnetisch schwache Prozesse berücksichtigen die Strahlung des von Quarks entfernten W-Vektorbosons – dies ist ein ungewöhnliches Ereignis, das weitaus ungewöhnlicher ist, als dass ein Quark und ein Antiquark ein W-Boson vernichten und produzieren.

Diese Prozesse sind daher von Interesse, weil das Higgs-Boson ebenfalls produziert wird. Gemäß dem Standardmodell sollte auf diese Weise die Produktion einer wesentlichen Zahl an Higgs-Bosonen beobachtet werden können. Diese stehen ebenfalls in enger Verbindung zur Vektorbosonendiffusion, bei der das Higgs-Boson eine zentrale Rolle spielt.

Die HIGGSWBF-Wissenschaftler verfeinerten bestehende Methoden, die zur Modellierung der Produktion von W-Bosonen und Dijets genutzt werden. Es wurden zudem zwei Quantitäten mit der Bezeichnung Jetzentralität und Leptonenzentralität eingeführt, welche den Standort weiterer Jets bzw. den Zerfall von Produkten des W-Bosons anzeigen.

Während die LHC-Daten zwischen 2010 und 2012 verarbeitet wurden, ermöglichten diese Instrumente den Wissenschaftlern die Definition von Kontrollregionen, in denen Hintergrundprozesse, welche die Produktion von W-Bosonen und Dijets nachahmen, beschränkt werden konnten. Noch bedeutsamer war, dass das gewünschte Signal direkt von den Daten gemessen werden konnte, ohne auf theoretische Inputs angewiesen zu sei.

Die gleichen Techniken können in ähnlichen Vektorboson-Fusionstopologien für die Messung von farbneutralen und in Verbindung mit Dijets produzierten Teilchen angewandt werden. Diese farbneutralen Teilchen sind unter anderem bei der Suche nach einem zweifach geladenen Higgs-Teilchen, Majorana-Neutrinos und Phänomenen, die den Lepton-Flavour verletzen, beteiligt.

Das HIGGSWBF-Projekt hat neue Forschungswege eröffnet, welche die Entdeckung einer neuen elementaren Teilchenphysik verspricht, die über das Standardmodell hinausgeht.

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Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Higgs-Boson, Standardmodell, Teilchenphysik, Vektorbosonendiffusion, HIGGSWBF, W-Boson
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