Der tWZ-Prozess und die Wechselwirkungen des Top-Quarks

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 150/fb akkumuliert. Das Standardmodell der Teilchenphysik wurde bestätigt und selbst Messungen am schwersten bekannten Elementarteilchen, dem Top Quark, haben bereits hohe Präzision. Andererseits wurden keine signifikanten Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells gefunden. Weil Theorien jenseits des Standardmodells schon stark eingeschränkt sind, gehen wir dazu über jede beliebige, theoretisch mögliche, Abweichung zu untersuchen. Das ist spannend, da solche Untersuchungen in vielen Fällen zum ersten Mal gemacht werden. 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. Ereignisse mit einem top Quark, einem W Boson und einem Z Boson haben besondere Eigenschaften. Sie reagieren sensibel auf viele Abweichungen des Standardmodells und daher können wir viel davon lernen. Und genau das haben wir vor. Kleine Abweichungen in den kinematischen Eigenschaften der Zerfallsereignisse herangezogen, um grosse Fragen nach der Gültigkeit des Standardmodells zu untersuchen. Ausserdem wurde dieser tWZ Prozess noch nicht entdeckt. Das allein stellt schon ein wichtiges Ziel dar. Auf diese Weise erlaubt uns das Top Quark einen neuen und tiefen Einblick in die Physik jenseits des Standardmodells.

Mithilfe von Daten aus dem CMS-Experiment aus den Runs II-III des Large Hadron Collider am CERN haben wir die Raten der ttZ-, tWZ- und WZ-Prozesse mit hoher Präzision gemessen. Um dies zu ermöglichen, haben wir Multilepton-Auswahlen und robuste datengesteuerte Steuerungen entwickelt, die das Signal sauber von ähnlichen Prozessen trennen. Vom Team entwickelte und validierte fortschrittliche Techniken des maschinellen Lernens ermöglichten die entscheidende Unterscheidung und blieben dabei transparent und reproduzierbar. Wir haben die Ergebnisse im Rahmen der effektiven Feldtheorie des Standardmodells interpretiert und neue, komplementäre Einschränkungen für mehrere Top-Quark-Kopplungen festgelegt. Die Analyse ergab wiederverwendbare Software und offene Dokumentation, die andere LHC-Gruppen und Studenten bereits verwenden. Neben der Forschung haben wir Nachwuchswissenschaftler in modernen Analysemethoden, Statistik und Open Science geschult und einige von ihnen leiten inzwischen entsprechende Bemühungen im CMS. Wir haben die Begeisterung mit der Öffentlichkeit geteilt, indem wir Vorträge, Medienbeiträge und Übungen für Studenten durchgeführt und erklärt haben, wie wir bei Billionen von Kollisionen extrem seltene Signale finden. Das Projekt stärkte Österreichs Rolle in der Präzisions-Top-Quark-Physik und verdeutlichte den Wert nachhaltiger Investitionen in die Beschleunigerwissenschaft und Informatik. Am wichtigsten war jedoch, dass es einen neuen, prägnanten Test der grundlegenden Naturgesetze lieferte und neue Wege für die Suche nach physikalischen Gesetzen jenseits des Standardmodells eröffnete.