01.11.2013

Forscher finden sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen

Teilchenphysiker identifizieren seltene Z0-Ereignisse in HERA-Daten

Teilchenphysiker der internationalen ZEUS-Kollaboration haben die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen gefunden. Sie identifizierten 15 Z⁰-Bosonen in über 500 Millionen Kollisionsereignissen im ehemaligen Elektron-Proton-Beschleuniger HERA bei DESY. Z⁰-Teilchen sind Träger der schwachen Kraft, eine der vier fundamentalen Kräfte im Universum. Obwohl Z⁰-Bosonen an anderen Teilchenbeschleunigern intensiv untersucht wurden, sind sie in Elektron-Proton-Kollisionen noch nie direkt beobachtet worden. Die Erzeugung von Z⁰-Teilchen ist der seltenste Prozess, der jemals an HERA gemessen wurde.

Ein internationales Team von Teilchenphysikern identifizierte 15 Z0-Bosonen in über 500 Millionen Teilchenkollisionen im ehemaligen HERA-Beschleuniger bei DESY. (Rechts) Die Z0-Bosonen zeigen sich als „Peak“ in den Daten, die mit dem ZEUS-Detektor über eine Zeitspanne von 15 Jahren (1992–2007) aufgezeichnet wurden. Die Erzeugung von Z0-Bosonen, die am Forschungszentrum CERN (Schweiz) im Jahr 1983 entdeckt wurden, passierte in den Elektron/Positron-Proton-Kollisionen bei HERA äußerst selten. (Links) Z0-Bosonen sind eine Art von Kraftträgerteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik. Z- und W-Bosonen vermitteln die schwache Kernkraft. Photonen und Gluonen sind jeweils Träger der elektromagnetischen Kraft beziehungsweise der starken Kernkraft. Das Higgs-Boson ist mit dem Higgs-Feld verbunden, das die Massen der anderen Bosonen erklärt. (Grafik: Stefan Schmitt/DESY)

Gemeinsam mit ihren Kollegen der internationalen H1-Kollaboration untersuchten die ZEUS-Wissenschaftler auch den Austausch virtueller Z⁰-Bosonen zwischen schwach wechselwirkenden Teilchen. Wie die Forscher herausfanden, stimmten sowohl die Produktion realer Z⁰-Bosonen als auch der Austausch virtueller Z⁰-Bosonen bei HERA hervorragend mit dem Standardmodell der Teilchenphysik überein. Die Forscher präsentierten ihre Analysen in einer Reihe von wissenschaftlichen Artikeln in den Fachzeitschriften Physical Letters B, Journal of High Energy Physics und Physical Review D.

Z⁰-Bosonen und die schwache Kraft

Das Z⁰-Boson ist ein Elementarteilchen, das zusammen mit den W-Bosonen die schwache Kraft übermittelt. Diese ist für den radioaktiven Zerfall von Atomkernen und andere Prozesse verantwortlich.

Z⁰-Bosonen können auf zwei verschiedene Weisen in Teilchenbeschleunigern wie HERA in Erscheinung treten. Sie können entweder als reale Teilchen in den Feuerbällen produziert werden, die bei den Teilchenkollisionen entstehen, oder als kurzlebige Fluktuationen, sogenannte virtuelle Teilchen, zwischen gewöhnlichen, über die schwache Kraft verbundenen Teilchen ausgetauscht werden.

Erzeugung von realen Z⁰-Bosonen

Da Z⁰-Bosonen schwere Teilchen sind und somit hohe Energien für ihre Erzeugung notwendig sind, wurden sie in den Elektron-Proton- und Positron-Proton-Kollisionen bei HERA nur selten produziert.

Um die Wahrscheinlichkeit für den Nachweis von Z⁰-Bosonen zu erhöhen, konzentrierten sich die ZEUS-Wissenschaftler bei ihrer Analyse auf Kollisionsereignisse, in denen das Proton intakt blieb. „Wenn Sie alle Ereignisse mit einbeziehen, erhalten Sie letztendlich zu viele andere Prozesse, bei denen das Proton auseinanderbricht, so dass Sie die wenigen Z⁰-Bosonen, die Sie suchen, nicht mehr finden können“, erläutert DESY-Forscherin und Leiterin der ZEUS-Physikanalyse Katarzyna Wichmann, die an der Datenanalyse beteiligt war.

Mit Hilfe dieser Analysestrategie und eines Kalorimeters, das die Energie der Teilchen mit außergewöhnlich hoher Auflösung messen konnte, kamen die Teilchenphysiker zu dem Schluss, dass in der halben Milliarde Kollisionsereignisse, die der ZEUS-Detektor aufgenommen hatte, 15 reale Z⁰-Bosonen erzeugt worden waren. Diese Zahlen sind vergleichbar mit der Identifizierung von nur zwei Personen in der gesamten deutschen Bevölkerung.

Austausch von virtuellen Z⁰-Bosonen

Außerdem untersuchten die ZEUS-Forscher gemeinsam mit Wissenschaftlern aus der H1-Kollaboration virtuelle Z⁰-Bosonen, die ausgetauscht werden, wenn Elektronen oder Positronen mit Protonen wechselwirken. Aufgrund ihrer elektrischen Ladungen tauschen die Elektronen bzw. Positronen und die Quarks in den Protonen allerdings auch Photonen aus, die Trägerteilchen der elektromagnetischen Kraft. Bei kleinen Energieüberträgen im Kollisionsprozess überwiegt dabei die elektromagnetische Kraft gegenüber der schwachen Kraft.

Um den viel kleineren Beitrag der von den Z⁰-Bosonen übertragenen schwachen Kraft herauszufiltern, müssen sich die Forscher deshalb auf Streuprozesse mit großen Energieüberträgen konzentrieren. „Bei hohen Energieüberträgen hängt die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit davon ab, ob Elektronen oder Positronen im Experiment verwendet werden“, erklärt DESY-Wissenschaftler Stefan Schmitt, Sprecher der H1-Kollaboration. „Das unterschiedliche Verhalten von Elektronen und Positronen kann nicht vom Austausch von Photonen herrühren, da die elektromagnetische Kraft keine solche Wirkung hat.“

Beide Kollaborationen haben die Asymmetrie von Elektron-Proton- und Positron-Proton-Reaktionen als Beweis für die schwache Kraft und den Austausch von virtuellen Z⁰-Teilchen gemessen.

Das Standardmodell auf dem Prüfstand

Die Wissenschaftler nutzten ihre Ergebnisse, um eine der erfolgreichsten Theorien der Physik zu überprüfen – das Standardmodell der Teilchenphysik, das das Verhalten aller bekannten Teilchen und ihre Wechselwirkungen, mit Ausnahme der Schwerkraft, beschreibt.

„Der Nachweis vonZ⁰-Ereignissen mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit, gemessen über die 15-jährige Laufzeit von HERA, hat uns die Möglichkeit gegeben, die Details unserer heutigen Theorien sehr genau zu überprüfen“, betont der Leiter der ZEUS-Gruppe bei DESY, Achim Geiser. Wie die Forscher herausgefunden haben, stimmen ihre Experimente bisher mit den Vorhersagen des Standardmodells überein.

Es könnte jedoch sein, dass dies nicht das Ende der Geschichte ist. „Nicht alle Aspekte der schwachen Wechselwirkung zwischen Z⁰-Bosonen und Quarks wurden bisher vollständig getestet“, so Schmitt. „Wir suchen derzeit in unseren Daten nach Abweichungen dieser schwachen Kopplungen vom Standardmodell.“ Denn Abweichungen deuten in der Forschung oft auf unbekannte Prozesse und unerwartete, „neue“ Wissenschaft.

Originalveröffentlichungen
ZEUS Collaboration; Production of Z0 bosons in elastic and quasi-elastic ep collisions at HERA; Phys. Lett. B 718, 915–921 (2013); DOI: 10.1016/j.physletb.2012.11.051.
H1 Collaboration; Inclusive deep inelastic scattering at high Q2 with longitudinally polarised lepton beams at HERA; JHEP 09 061 (2012); DOI: 10.1007/JHEP09(2012)061.
ZEUS Collaboration; Measurement of high-Q2 neutral current deep inelastic e+p scattering cross sections with a longitudinally polarized positron beam at HERA; Phys. Rev. D 87, 052014 (2013); DOI: 10.1103/PhysRevD.87.052014.