Die CMS-Kollaboration am CERN hat einen neuen Meilenstein im Verständnis des Higgs-Bosons erreicht, indem sie seinen Zerfall in ein Paar von Charm-Quarks (c-Quarks) untersucht hat. Dieser Fortschritt könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie dieses mysteriöse Teilchen der Materie ihre Masse verleiht.
Aufnahme des CMS-Experiments (Bild: CERN)
Das Higgs-Boson, das 2012 mit dem Large Hadron Collider (LHC) entdeckt wurde, steht im Zentrum des Standardmodells der Teilchenphysik, da es erklärt, warum Teilchen Masse haben. Bisher haben Wissenschaftler bestätigt, dass das Higgs mit den schwersten Quarks (Top und Bottom) interagiert. Doch für leichtere Quarks – wie das Charm-Quark, das Up-Quark oder das Down-Quark, die die gewöhnliche Materie bilden – fehlen noch Beweise.
Um voranzukommen, beobachten die Forscher, wie sich das Higgs-Boson nach seiner Entstehung verändert, insbesondere wenn es in Quarks zerfällt. Kürzlich präsentierte die CMS-Kollaboration in einem Seminar am CERN eine bahnbrechende Analyse: Sie suchten nach Ereignissen, bei denen ein Higgs-Boson mit zwei Top-Quarks erzeugt wird und dann in zwei Charm-Quarks zerfällt. Dafür nutzten sie modernste KI-Werkzeuge.
Ein solches Ereignis zu erkennen, ist nicht einfach. Quarks verwandeln sich sofort nach ihrer Entstehung in Teilchenschauer, sogenannte "Jets", die sich sehr ähneln. Einen Jet eines Charm-Quarks von denen anderer Quarks zu unterscheiden, ist extrem schwierig. Herkömmliche Methoden reichen nicht aus. Innovation war gefragt.
"Wir haben unsere Datenanalyse völlig neu konzipiert, erklärt Sebastian Wuchterl, Forscher am CERN. Da Charm-Quarks noch schwerer zu fassen sind als Bottom-Quarks, haben wir modernste Machine-Learning-Algorithmen eingesetzt, um ihre Spuren in den Daten zu isolieren."
Die Physiker nutzten zwei Arten von Algorithmen. Der erste, ein graphisches neuronales Netzwerk, hilft, die charakteristischen Jets der c-Quarks zu identifizieren. Der zweite, ein Transformer-Netzwerk (ähnlich dem von ChatGPT, aber hier zur Ereignissortierung), unterscheidet Higgs-Zerfallsignale vom Hintergrundrauschen. Diese Werkzeuge wurden mit Hunderten von Millionen simulierter Daten trainiert, um maximale Genauigkeit zu erreichen.
Dank der zwischen 2016 und 2018 gesammelten Daten, kombiniert mit früheren Analysen, konnte das CMS-Team die strengsten Grenzen bisher für die Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit dem Charm-Quark festlegen. Konkret haben sie die Unsicherheit um 35 % gegenüber früheren Ergebnissen reduziert – ein bedeutender Fortschritt für die Überprüfung der Vorhersagen der aktuellen Theorie.
"Das ist ein großer Schritt nach vorn, sagt Jan van der Linden, Forscher an der Universität Gent. Mit mehr Daten in den kommenden Jahren und noch besseren Werkzeugen könnten wir endlich die direkte Interaktion zwischen Higgs und Charm-Quarks beobachten – was noch vor kurzem unmöglich schien."
Während der LHC seine Experimente fortsetzt, werden die Verbesserungen in der Identifizierung von c-Quarks und der Ereignissortierung den Weg für zukünftige Entdeckungen ebnen. CMS sowie ATLAS – das andere große LHC-Experiment – könnten bald bestätigen, dass das Higgs-Boson tatsächlich in Charm-Quarks zerfällt. Dies wäre ein weiterer Schritt zum vollständigen Verständnis, wie alle Materieteilchen ihre Masse erhalten, während ein 50 Jahre altes theoretisches Modell weiter auf die Probe gestellt wird.