Auf der Suche nach Beweisen für die neue Physik

Das Higgs-Boson ist ein 2012 nachgewiesenes Elementarteilchen, welches das zur Untersuchung der Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen verwendete Standardmodell ergänzt. Präzisere Messungen des Standardmodells könnten jedoch laut der Forschung im Rahmen von HEFTinLOOPS Aufschluss über die neue Physik geben.

Grundlagenforschung

Das Standardmodell (SM) ist eine Theorie, welche das Wissen um die fundamentalen Teilchen und deren Wechselwirkungen umfasst. Der große Hadronen-Speicherring (LHC) in der Schweiz unterzieht das Standardmodell derzeit einem Stresstest, indem die Reaktionen zwischen verschiedenen Teilchen präzise gemessen werden. Diese Messungen werden mit Vorhersagen des Standardmodells verglichen, um Abweichungen zu ermitteln, die auf die neue (über das Standardmodell hinausgehende) Physik hindeuten könnten. Die neue Physik kann selbst dann sondiert werden, wenn neue Teilchen zu schwer sind, um direkt durch Kollisionen produziert zu werden, da diese die Wechselwirkungen der bereits bekannten Teilchen verändern. Durch die präzise Messung dieser Wechselwirkungen können Forschende die ersten Spuren der neuen Physik ausfindig machen. Das EU-unterstützte Projekt HEFTinLOOPS nutzte den als effektive Feldtheorie (EFT) bekannten theoretischen Rahmen zur Berechnung der potentiellen Auswirkungen unentdeckter schwerer Teilchen auf die verschiedenen Higgs-Boson- und Top-Quark-Produktionsprozesse, die am LHC gemessen werden. Da das Top-Quark und Higgs-Boson die beiden schwersten Elementarteilchen sind und die am wenigsten bekannten Wechselwirkungen aufweisen, spielen sie eine zentrale Rolle für die Theorien der neuen Physik. Das mit Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm durchgeführte Projekt lieferte theoretische Vorhersagen für das SMEFT-Programm (Standardmodell zur effektiven Feldtheorie) des LHC. Es wurden die Instrumente entwickelt, welche die Experimentalphysiker und Theoretiker für die Aufgabe benötigten. HEFTinLOOPS führte auch zu präzisen Berechnungen für die verschiedenen Teilchenstreuungsprozesse, wobei die Produktion von Top-Quarks und Higgs-Bosonen sowie die Interpretation von LHC-Messungen im SMEFT-Programm im Fokus standen.

Präzise Berechnungen

HEFTinLOOPS machte sich daran, die potenzielle Wahrscheinlichkeitsänderung für die Produktion von Higgs- oder Top-Quark-Teilchen am LHC vorherzusagen, wenn bislang unentdeckte schwere Teilchen existierten. Hierzu mussten über das Projekt zunächst die Verfahren und Maschinencodes entwickelt werden, die für präzise Vorhersagen erforderlich wären, mit denen Informationen über diese Teilchen gewonnen werden könnten. Zur Durchführung dieser Berechnungen wurden über HEFTinLOOPS Komponenten eines Monte-Carlo-Generators entwickelt. Es gibt einen Maschinencode, der vorhersagt, wie oft ein Streuungsprozess in einem Teilchenbeschleuniger auftritt. Hierdurch lassen sich die Auswirkungen neuer Wechselwirkungen auf die Rate der Higgs- oder Top-Quark-Produktion berechnen. Die Forschenden berücksichtigten mehrere Produktionsmodi für das Higgs-Teilchen, darunter ein Higgs-Teilchen in Verbindung mit einem Top-Quark, mit Quantenchromodynamik-Jets (QCD) und einem Vektorboson sowie doppelter Higgs-Produktion. Alle diese Prozesse sind wichtig, da sie Erkenntnisse zu Wechselwirkungen des Higgs-Teilchens mit den anderen Teilchen des Standardmodells und mit sich selbst liefern. „Das Projekt beinhaltete eine Menge analytischer Berechnungen, aber auch die Einprogrammierung neuer Ergebnisse in IT-Werkzeuge. Dies war ein wichtiges Ziel, da die Ergebnisse der gesamten Speicherring-Physikgemeinde zugänglich gemacht wurden“, erklärt Eleni Vryonidou, Marie-Skłodowska-Curie-Forschungsstipendiatin. Beim Vergleich theoretischer Vorhersagen für die Top-Quark-Produktion mit LHC-Daten wurden im Zuge des Projekts keine signifikanten Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells festgestellt. Durch die Festlegung stringentester Randbedingungen für neue Top-Quark-Wechselwirkungen wurde jedoch die Suche nach der neuen Physik vorangebracht.

Hin zu einer neuen Physik

Über HEFTinLOOPS wurden die ersten präzisen rechnergestützten Instrumente hergestellt, die zur Berücksichtigung von Unsicherheiten erforderlich sind, um im Rahmen der effektiven Feldtheorie verschiedene Vorhersagen in Bezug auf die Higgs- und Top-Quark-Produktion am LHC durchzuführen. Die theoretischen Ergebnisse des Projekts und die damit verbundenen Instrumente sind bereits umfassend von der allgemeinen Teilchenphysik-Gemeinde verwendet worden, um Messungen zu interpretieren, damit der Maßstab und die Beschaffenheit der neuen Physik besser ausgelotet werden können. „HEFTinLOOPS verbessert unser Verständnis der kleinsten Bestandteile von Materie und deren Wechselwirkungen, um dabei zu helfen, einige der grundlegendsten Fragen der Natur zu beantworten“, sagt Vryonidou. Im Anschluss an den Vergleich der Vorhersagen des Standardmodells für die Top-Quark-Produktion mit LHC-Messungen besteht der nächste Schritt darin, selbiges für das Higgs-Boson zu tun.

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Effective Field Theory predictions for Higgs production processes at the Large Hadron Collider

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