30.06.2014

Universität Zürich

Direkter Zerfall des Higgs-Teilchens in Fermionen nachgewiesen

Forschende am CERN haben erstmals den direkten Zerfall des Higgs-Teilchens in zwei Fermionen nachgewiesen. Dies ist ein weiterer starker Hinweis darauf, dass sich das 2012 entdeckte Teilchen so verhält, wie dies die Theorie des Standardmodells der Teilchenphysik voraussagt. Einen wichtigen Beitrag zu der in Nature Physics publizierten Studie leisteten Forschende der Universität Zürich.

Wissenschaftlern des CMS-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist es erstmals gelungen, den direkten Zerfall des Higgs-Teilchens in Fermionen nachzuweisen. Bisher konnte das Higgs-Teilchen erst durch den Zerfall in Bosonen nachgewiesen werden. «Wir sind damit einen wichtigen Schritt weiter gekommen», erklärt Prof. Vincenzo Chiochia vom Physik-Institut der UZH, dessen Gruppe an der Auswertung der Daten mitgearbeitet hat. «Wir wissen nun, dass das Higgs-Teilchen sowohl in Bosonen, wie auch in Fermionen zerfallen kann. Damit können wir gewisse Theorien ausschliessen, die davon ausgingen, dass das Higgs-Teilchen nur in bestimmte Arten von Teilchen zerfällt.» Die Fermionen bilden als eine Gruppe der Elementarteilchen die Materie, während Bosonen als Träger von Kräften zwischen den Fermionen vermitteln.

Gemäss Standardmodell der Teilchenphysik muss sich die Stärke der Wechselwirkung der Fermionen mit dem Higgs-Feld proportional zu ihrer Masse verhalten. «Diese Voraussage wurde bestätigt», so Chiochia. «Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass sich das 2012 entdeckte Teilchen tatsächlich wie das in der Theorie postulierte Higgs-Teilchen verhält.»

Kombinierte Datenauswertung
Die Forschenden analysierten die Daten, die von 2011 bis 2012 am LHC gesammelt wurden. Sie kombinierten dabei die Auswertungen zu Zerfällen des Higgs-Teilchens in Bottom-Quarks und in Tau-Leptonen, die beide zur Teilchen-Gruppe der Fermionen gehören. Die Ergebnisse zeigen, dass es im Masse-Bereich des Higgs-Teilchens von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) zu einer Häufung dieser Zerfälle kommt, und zwar mit einer Signifikanz von 3,8 Sigma. Das heisst, die Wahrscheinlichkeit, dass die Häufung allein auf Grund zufälliger Hintergrundprozesse zustande kommt, liegt bei etwa eins zu 14'000. In der Teilchenphysik geht man ab einer Signifikanz von 5 Sigma von einer bestätigten Entdeckung aus.

Messung der Higgs-Zerfallswege
Untersucht wurden drei verschiedene Zerfallsprozesse, wobei die Forschenden der UZH den Zerfall des Higgs-Teilchens in Taus analysierte. Weil das Higgs-Teilchen extrem kurzlebig ist, kann es nicht direkt, sondern nur durch seine Zerfallsprodukte nachgewiesen werden. Die Bottom-Quarks und Taus haben eine genügend lange Lebensdauer, damit sie im Pixel-Detektor des CMS-Experiments direkt gemessen werden können.


Die Universität Zürich und der Large Hadron Collider
Die Universität Zürich ist am LHC am CERN mit fünf experimentellen Forschungsgruppen aktiv: Die Gruppen der Professoren Florencia Canelli, Vincenzo Chiochia und Ben Kilminster forschen am CMS-Detektor, die Gruppen von Prof. Ulrich Straumann und Nicola Serra am LHCb-Detektor. Bei der Analyse und Interpretation der Daten werden sie von den Gruppen der Professoren Thomas Gehrmann, Stefano Pozzorini, Gino Isidori und PD Dr. Massimiliano Grazzini unterstützt.

Der CMS-Detektor am CERN
Der CMS-Detektor misst mit sehr hoher Genauigkeit die Energie und den Impuls von Photonen, Elektronen, Myonen und anderen geladenen Partikeln. Innerhalb des 12'500 Tonnen schweren Detektors sind verschiedene Messinstrumente in Lagen angeordnet. Am Bau und Betrieb des CMS-Detektors sind weltweit 179 Institutionen beteiligt. Von Schweizer Seite sind dies die Universität Zürich, die ETH Zürich und das Paul-Scherrer-Institut, welche gemeinsam den CMS-Pixel-Detektor entwickelten und konstruierten.

Literatur:
The CMS Collaboration. «Evidence for the direct decay of the 125 GeV Higgs boson to fermions», Nature Physics Online, DOI: 10.1038/nphys3005

Quelle: