Teilchenphysiker beobachten erstmals Entstehung einzelner Top-Quarks

Internationale Forschungskollaborationen mit Beteiligung Göttinger Physiker

In experimentellen Teilchenkollisionen haben Wissenschaftler erstmals die Entstehung einzelner Top-Quarks beobachtet. Ihre Entdeckung bestätigt wichtige Parameter im Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Die Untersuchungen am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in den USA werden in zwei internationalen Großprojekten unter Beteiligung von rund 600 Physikerinnen und Physikern aus 18 Ländern durchgeführt. An den Arbeiten waren auch Forscher der Universität Göttingen beteiligt.

Die Existenz der Top-Quarks wurde im Jahr 1995 nachgewiesen. Für die Erzeugung dieses schwersten bislang bekannten Elementarteilchens sind ausgesprochen hohe Energien erforderlich – unter diesem Umständen konnte sein Auftreten bislang nur in Paar-Form beobachtet werden. Die Produktion einzelner Top-Quarks, die lediglich durch die schwache Wechselwirkung vermittelt wird, ist experimentell sehr viel schwieriger zu identifizieren.

Nach Angaben des Physikers Prof. Dr. Arnulf Quadt produziert nur eine von 20 Milliarden Proton-Antiproton-Kollisionen ein einzelnes Top-Quark. „Das extrem kleine Signal dieses seltenen Ereignisses, das dazu leicht durch andere Prozesse ,vorgetäuscht' werden kann, muss aus einem riesigen ,Untergrund‘ extrahiert werden“, erläutert der Göttinger Wissenschaftler, der die Forschungsarbeiten zur Teilchenphysik am II. Physikalischen Institut der Georgia Augusta leitet.


Komplex des Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)

Zur Entdeckung einzelner Top-Quarks haben Forscher in den sogenannten CDF- und DZero-Kollaborationen unabhängig voneinander die Aufzeichnungen der Proton-Antiproton-Kollisionen durchkämmt. Beide Teams konnten aus den jeweiligen Experimenten am Fermilab mehrere tausend Kollisionsereignisse identifizieren, die auf die Produktion einzelner Top-Quarks schließen ließen. Einige hundert davon haben tatsächlich das „echte“ Signal erzeugt.

An der Identifizierung einzelner Top-Quarks, die zu den Grundbausteinen der Materie gezählt werden, haben Prof. Quadt sowie Dr. Lisa Shabalina im DZero-Experiment mitgewirkt und die Top-Quark-Arbeitsgruppe in der Physik geleitet. Dr. Shabalina – sie gehört dem Team von Prof. Quadt an – war dabei auch für die Verfeinerung der jetzt erfolgreichen Datenanalyse verantwortlich. Die Top-Quark-Analysemethoden werden inzwischen in der Higgs-Boson-Suche eingesetzt. Die Göttinger Wissenschaftler werden auch weiterhin in der Kollaboration von DZero mitarbeiten.