Messung der Higgs-Boson-Kopplungsstärke am LHC

Die CMS- und ATLAS-Experimente verkündeten im Jahr 2012 die Entdeckung eines Higgs-Bosons. Seither stimmen alle Messungen von Eigenschaften dieses Higgs-Bosons mit unserer etablierten Theorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen überein. Wir wissen jedoch, dass diese Theorie, das sogenannte Standardmodell, nur näherungsweise richtig ist: Sie kann Phänomene wie dunkle Materie oder die Schwerkraft nicht erklären. Warum haben wir dann in Higgs-Boson-Messungen keine Abweichungen vom Standardmodell beobachtet? Laut der bekanntesten alternativen Theorien zum Standardmodell ist die gegenwärtige Genauigkeit der Messungen dafür einfach noch nicht ausreichend. Der beste Weg zu einer weiteren Entdeckung ist daher die deutliche Verbesserung der Genauigkeit unserer Messungen, so dass wir auch kleine Abweichungen sichtbar machen können. Wo könnten wir nun solche Abweichungen zuerst sehen? Eine faszinierende Antwort bieten Higgs-Boson-Zerfälle zu Tauonen. Das Projekt Messung der Higgs-Boson- Kopplungsstärke am LHC ist ein Vorschlag zur Messung der Wechselwirkungsstärke von Higgs-Bosonen und Tauonen mit beispielloser Genauigkeit. Ein erster Schritt dabei ist die Entdeckung von Higgs-Boson-Zerfällen zu Tauonen. Dies ist wichtig, da Higgs-Boson-Zerfälle zu Fermionen die Klasse von Teilchen, zu der auch das Tauon gehört bisher nicht entdeckt wurden. Die darauf folgende präzise Messung der Wechselwirkungsstärke ist von so hohem Interesse, da die meisten Theorien vorhersagen, dass Abweichugen vom Standardmodell in Zerfällen zu Fermionen am größten sind. Higgs-Boson-Zerfälle zu Tauonen sind daher bestens geeignt, um unser bisheriges Verständnis der Teilchenphysik herauszufordern. Konkret planen wir die Einführung von Machine-Learning-Methoden um die Genauigkeit der Messung deutlich zu erhöhen. Mit Hilfe dieser Methoden kann die gesamte Information von Ereignissen, die das CMS-Experiment aufgezeichnet hat, auf einzigartige Weise kombiniert werden. Dies ist eine deutliche Verbesserungen gegenüber der momentanen Methode, welche jede gemessene Größe isoliert betrachtet. Dies wird es uns ermöglichen, die momentane Genauigkeit der Messung der Stärke der Higgs-tau-Wechselwirkung zu verdreifachen. Durch diese Genauigkeit werden wir in der Anlage sein, neue Theorien jenseits des Standardmodells zu entdecken oder einige dieser Alternativen auszuschließen.

Die Stärke, mit der das Higgs-Bosonen mit anderen Teilchen wechselwirkt, konnte mit noch nie dagewesener Präzision gemessen werden. Dies ist vor allem deshalb wichtig, da viele Theorien, die neue Teilchen und Wechselwirkung vorschlagen, kleine Abweichungen dieser Stärke von der Erwartung des Standardmodells vorhersagen. Dieses Standardmodell der Teilchenphysik liefert die derzeit beste Beschreibung von Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen. Wir wissen aber, dass es unvollständig ist: so beschreibt es zum Beispiel weder dunkle Materie noch Gravitation. Die Erweiterung dieses Modells ist daher die wichtigste derzeitige Aufgabe der Teilchenphysik. Messungen der Higgs-Boson-Wechselwirkungs-Stärke können daher indirekte Hinweise auf die richtige Erweiterung liefern oder zumindest den Weg weisen: das heißt, von allem Kandidaten zur Erweiterung des Modells manche ausschließen, die nicht mit den Messungen vereinbar sind, und damit die Suche auf die verbliebenen Kandidaten fokussieren. Um Mess-Unsicherheiten zu reduzieren, wurden im Rahmen dieses Projekts zwei Innovationen eingeführt, um bestehende Messmethoden von Higgs-Boson-Zerfällen zu zwei Tau-Leptonen zu verbessern: Einerseits Methoden des maschinellen Lernens, und andererseits eine neue Methode zur Abschätzung des Untergrunds der Messung, die Fake-Faktor-Methode. Der Untergrund bezeichnet dabei den Anteil von Ereignissen, in denen keine Higgs-Bosonen erzeugt wurden, die aber den Signal-Ereignissen mit Higgs-Bosonen so ähnlich sind, dass sie nicht unterschieden werden können. Diese Methode wurde zunächst intensiv getestet, und zwar durch Anwendung auf Ereignisse die den Higgs-Boson-Ereignissen bis auf ein Detail gleichen: Dort wurde ein Z-Boson statt eines Higgs-Bosons erzeugt. Diese Art von Ereignis wurde schon in der Vergangenheit sehr genau vermessen und ist daher ideal, um neue Methoden durch Vergleich mit den bekannten Ergebnissen zu testen. Weiters wurde die Fake-Faktor-Methode auch im Rahmen der direkten Suche nach zusätzlichen Higgs-Bosonen eingesetzt, zusammen mit weiteren Neuerungen. Dabei gelang es, die untere Massengrenze für bestimmte Typen von weiteren Higgs-Bosonen nach oben zu verschieben: falls sie existieren, müssen sie schwerer als diese Grenze sein. Letztlich wurden die nun erprobten neuen Methoden eingesetzt, um die Stärke der Wechselwirkung von Higgs-Bosonen mit anderen Teilchen mit Rekordpräzision zu messen. Zum ersten Mal konnte dabei auch die Häufigkeit von sehr seltenen Higgs-Boson-Ereignissen in Zerfällen zu Tau-Leptonen gemessen werden: Ein Beispiel dafür ist die Erzeugung von Higgs-Bosonen mit hoher Energie oder zusammen mit anderen Teilchen. Der nächste Schritt wird die Anwendung dieser Methoden auf die neuesten LHC-Daten sein.