Die elektroschwachen Wechselwirkungen des Top Quarks als Tür zu neuer LHC-Physik

Seit den ersten Proton-Proton Kollisionen bei Energien von 13 TeV am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf, hat der CMS Detektor, einer der beiden Allzweckdetektoren am Beschleunigerring, bereits einen Datensatz von 80/fb akkumuliert. Das Standardmodell der Teilchenphysikwurde bestätigt und selbst Messungen am schwerstenbekannten Elementarteilchen, dem Top Quark, haben bereits hohe Präzision. Andererseits wurden keine signifikanten Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells gefunden. Theorien welche die bestehende Schwachstellen des Standardmodells beheben sollen, wie zum Beispiel Modelle mit Supersymmetrie oder mit weiteren Raumdimensionen, wurden stark eingeschränkt. Wissen wir also bereits, dass das Standardmodell richtig ist? Mitnichten, denn der Großteil solcher Suchen konzentriert sich auf wenige spektakuläre Ereignisse die sich stark vom Hintergrund des Standardmodells abheben. Es spricht allerdings nichts dagegen, dass sich subtilere Abweichungen in den Spektren von Zerfallsprodukten verbergen. Diese wurden bislang wenig beachtet. Im Falle des Top Quarks gibt es eine grosse Zahl an Vorhersagen jenseits des Standardmodells, die seine Wechselwirkung mit den elektroschwachen Eichbosonen zum Gegenstand haben. Solche Hypothesen ergeben messbare Änderungen der Zerfallsprodukte und deshalb können wir sie im Experiment testen. Insbesondere Ereignisse mit einem Paar von Top Quarks und einem zusätzlichen Eichboson, einem Z Boson oder einem Photon, sind interessant, denn die Datennahme bis 2018 wird etwa 150/fb ergeben und damit Präzisionsmessungen erlauben. Genau das haben wir vor. Erstmalig werden kleine Abweichungen in den kinematischen Eigenschaften der Zerfallsereignisse herangezogen, um grosse Fragen nach der Gültigkeit des Standardmodells zu untersuchen. Dabei können wir zum Beispiel die elektroschwachen Dipolmomente des Top Quarks erstmalig messen und seine Wechselwirkung mit den elektroschwachen Eichbosonenvollständig und mitbislangunerreichter Genauigkeit charakterisieren. Auf diese Weise erlaubt uns das Top Quark einen neuen und tiefen Einblick in die Physik jenseits des Standardmodells.

Elektromagnetische Wechselwirkungen bestimmen unsern Alltag: Wir sehen einen Gegenstand, wenn Lichtteilchen ihre Energie auf der Netzhaut unserer Augen deponieren. Unser Tastsinn resultiert aus dem Austausch derselben Teilchen, der Photonen, zwischen den Atomen in unserer Haut und den Objekten, die wir berühren. Ein einheitliches Verständnis dieser scheinbar unzusammenhängenden Phänomene macht die Faszination der Physik aus. In diesem Projekt untersuchten wir die Wechselwirkung von Photonen mit dem Top-Quark, dem schwersten bekannten Elementarteilchen in Daten vom CMS-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN. Unter den mehr als 100 Millionen Kollisionsereignissen, die von 2016 bis 2018 Top-Quark-Paare produzierten, konzentriert sich das neue Ergebnis auf einen winzigen Bruchteil: die eine von 3000 Kollisionen, bei der wir gleichzeitig ein Photon und zwei Top-Quarks finden. In solchen Ereignisses können wir die elektromagnetische Wechselwirkung des Top-Quarksuntersuchen: Es strahlt hochenergetische Photonen auf den Detektor, und deren Detektion ermöglicht es Physikern, das Top-Quark in einem anderen Licht zu "sehen". Mit der 10-Milliarden-fachen Energie des sichtbaren Lichts können solche Photonen natürlich nicht direkt gesehen werden. Die "Augen" des Detektors sind elektromagnetische Kalorimeter von CMS. Wenn Photonen auf das Detektormaterial treffen, erzeugen sie eine große Anzahl von Elektronen und weiteren Photonen. Das elektromagnetische CMS-Kalorimeter, das sich im Inneren des großen CMS-Solenoidmagneten befindet, verwendet Kristalle, um diese Schauer aufzuzeichnen. Es misst die Energie und identifiziert die einfallenden Teilchen einzeln. Die wichtigsten aktiven Elemente sind 75848 funkelnde Kristalle aus Bleiwolframat, das schwerer als Eisen, aber transparent wie Glas ist. Die Kristalle sind in einem Zylinderabschnitt und zwei Endkappen angeordnet und ermöglichen damit eine extrem genaue Messungen der Energie des einlaufenden Photons. Und das Ergebnis der Messung? Wir wissen, dass das Top-Quark eine bizarre quantenmechanische Eigenschaft hat, den "Spin": Obwohl das Top-Quark keine Dimensionen hat, hat es einen Drehimpuls, als würde es rotieren. Aus dem gemessenen Querschnitt lässt sich die Reaktion der Spinachse auf ein elektrisches oder magnetisches Feld bestimmen. Wir fanden kleine negative Werte für die elektromagnetischen Dipolmomente des Top-Quarks, die solche Effekte beschreiben. Dieses Ergebnis steht in leichtem Widerspruch zur Vorhersage aus dem Standardmodell der Teilchenphysik. Das energetische Licht der Top-Quarks ist sichtbar, aber die "Farbe" scheint etwas anders als vorhergesagt. Zukünftige Analysen am high-luminosity LHC werden endgültig klären ob das Standardmodell weiterhin bestand haben kann.