21. August 2026

Foto: CERN/Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin

Ein Blick ins Innere des CMS-Detektors am Large Hadron Collider (LHC).

Das CMS-Experiment am CERN, bei dem das Exzellenzcluster „Quantum Universe“ der Universität Hamburg mitwirkt, liefert die bislang weltweit genauesten Grenzwerte für die Wechselwirkungen zwischen Austauschteilchen– und grenzt damit den Bereich ein, in dem sich neue, noch unentdeckte physikalische Phänomene verbergen könnten.

Die Physik verfügt über eine sehr erfolgreiche Theorie, das sogenannte Standardmodell der Physik, das alle bekannten Elementarteilchen und Kräfte beschreibt. Eine seiner zentralen Vorhersagen betrifft die Art und Weise, wie W- und Z-Bosonen – die Teilchen, die die schwache Wechselwirkung übertragen, die für Effekte wie den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist – miteinander wechselwirken. Würden Experimente jemals auch nur eine winzige Abweichung von den Vorhersagen des Standardmodells feststellen, wäre dies ein Hinweis auf neue, unbekannte Physik.

Um dies zu überprüfen, lassen Physiker und Physikerinnen am CMS, einem der großen Teilchendetektoren am Large Hadron Collider (LHC) des CERN, Protonen mit extrem hohen Energien aufeinanderprallen und suchen nach Paaren von W- und Z-Bosonen, die bei den Kollisionen entstehen. Da diese Bosonen fast augenblicklich zerfallen, muss das Team sie anhand ihrer Zerfallsprodukte rekonstruieren: Ein Boson wandelt sich in ein Elektron oder Myon sowie ein Neutrino um, das andere in eine Partikelstrahl, der als „Jet“ bezeichnet wird. Durch sorgfältige Messung dieser Teilchen können die Forscher überprüfen, ob die Wechselwirkungen der Bosonen mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmten – insbesondere bei hohen Energien, wo etwaige Effekte neuer Physik am deutlichsten sichtbar wären.

Die Suche für neue Physik eingrenzen

Das Ergebnis: Die Daten zeigen keine Anzeichen für etwas Unerwartetes. Das mag zwar unspektakulär klingen, ist jedoch ein wertvolles Ergebnis: Es ermöglicht es Forschenden, ganze Kategorien von Theorien auszuschließen, die neue Teilchen oder Kräfte vorhergesagt haben. Mithilfe eines mathematischen Werkzeugs namens „Effektive Feldtheorie“ (EFT) berechnete das Team die bislang strengsten Grenzen dafür, wie „unterschiedlich“ diese Boson-Wechselwirkungen möglicherweise sein könnten, und übertraf damit alle bisherigen Messungen.

„Indem wir strenge Grenzen für die Parameter festgelegt haben, die die anomalen Kopplungen mit Bosonen bestimmen, haben wir den Raum, in dem sich neue Physik noch verstecken könnte, effektiv eingegrenzt“, erklärt Ankita Mehta, die mittlerweile als Postdoktorandin an der Universität Gent tätig ist und zuvor am CERN und an der Universität Hamburg an dieser Forschung mitgearbeitet hat.

Die Rolle Hamburgs

Diese Forschungsarbeit wurde von Ankita Mehta, einer ehemaligen Postdoktorandin an der Universität Hamburg, und Andreas Hinzmann durchgeführt. Andreas Hinzmann betreute während der Durchführung dieser Forschungsarbeit eine DFG-Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an der Universität Hamburg und ist mittlerweile bei DESY tätig ist. Ihre Arbeit ist Teil umfassenderer Bemühungen, die Wechselwirkungen von Teilchen auf der kleinsten, grundlegendsten Ebene zu verstehen – eine der zentralen Fragen, die die Hamburger Teilchenphysikforschung antreibt.

Auch wenn diesmal keine neuen physikalischen Erkenntnisse gewonnen wurden, geht die Suche weiter: Da der LHC derzeit modernisiert wird, um im nächsten Jahrzehnt noch mehr Kollisionsdaten zu liefern, werden Physiker und Physikerinnen diese Wechselwirkungen in den kommenden Jahren mit noch größerer Präzision untersuchen können.