Vier Top-Quarks als Fenster zur neuen Physik
Eine neue Studie der CMS-Kollaboration untersucht einen der seltensten Prozesse, die am LHC beobachtet werden können: die gleichzeitige Produktion von vier Top-Quarks in einer einzigen Proton-Proton-Kollision. Da das Top-Quark das schwerste bekannte Elementarteilchen ist, könnte es besonders empfindlich auf bislang unbekannte Teilchen oder Kräfte reagieren. Die Produktion von vier Top-Quarks tritt nur wenige Male unter Billionen von Kollisionen auf und bietet gerade deshalb eine einzigartige Möglichkeit, das Standardmodell der Teilchenphysik auf die Probe zu stellen und nach Hinweisen auf neue Physik zu suchen. Die neuen Ergebnisse basieren auf dem Datensatz des CMS-Experiments aus den Jahren 2016 bis 2018.
Die Studie betrachtet die Daten aus drei unterschiedlichen Perspektiven. Zum einen wurde nach subtilen Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells gesucht, die auf neue physikalische Effekte bei Energien hindeuten könnten, die selbst für den LHC nicht direkt zugänglich sind. Zum anderen untersuchten die Forschenden Szenarien mit neuen schweren Teilchen, die bevorzugt mit Top-Quarks wechselwirken und die Produktion von Ereignissen mit drei oder vier Top-Quarks verstärken würden. Schließlich wurde die Wechselwirkung zwischen dem Top-Quark und dem Higgs-Boson untersucht. Diese spielt eine zentrale Rolle im Standardmodell, da sie eng mit dem Ursprung der großen Masse des Top-Quarks verknüpft ist. Obwohl keine signifikanten Abweichungen vom Standardmodell beobachtet wurden, setzt die Analyse einige der bislang strengsten Grenzen für verschiedene Szenarien neuer Physik. Dabei kamen moderne Methoden des maschinellen Lernens sowie fortgeschrittene statistische Verfahren zum Einsatz, um die Empfindlichkeit der Suche weiter zu erhöhen.
Mitglieder der CMS-Kollaboration aus Gent, Wien und Karlsruhe leisteten wesentliche Beiträge zu dieser Arbeit. Am Institut für Experimentelle Teilchenphysik gehörte Dr. Joscha Ahäuser zu den führenden Mitwirkenden der Analyse und spielte eine wichtige Rolle bei der Interpretation der Ergebnisse. Das Projekt vereint Expertise aus den Bereichen Top-Quark-Physik, effektive Feldtheorien und moderne Datenanalyse und unterstreicht die Bedeutung internationaler Zusammenarbeit bei der Erforschung der fundamentalen Bausteine der Natur. Die Arbeit wurde beim Journal of High Energy Physics eingereicht; ein Preprint ist auf arXiv verfügbar.