30.09.2026

Wenn gestreute Vektorbosonen aufleuchten: Forschende der TU Dresden an neuen Ergebnissen der ATLAS-Kollaboration beteiligt

Bild einer Teilchenkollision — Ereignisdarstellung eines Kandidatenereignisses mit zwei Photonen und zwei Jets. Die Photonkandidaten (violette Kegel) liegen in der Transversalebene annähernd gegenüber. Die beiden hochenergetischen Vorwärtsjets (gelbe Kegel) verlaufen nahe der Strahlachse. Grüne und türkise Rechtecke zeigen Energieeinträge im elektromagnetischen Kalorimeter, gelbe und orange Rechtecke Energieeinträge im hadronischen Kalorimeter.

Forschende der TU Dresden sind an einer neuen wegweisenden Messung des ATLAS-Experiments am CERN beteiligt: Die ATLAS-Kollaboration hat erstmals zwei Photonen beobachtet, die durch die Streuung von W-Bosonen entstehen. Die seltene Reaktion ermöglicht einen besonders präzisen Test des elektroschwachen Sektors des Standardmodells der Teilchenphysik. An der zugrunde liegenden Analyse waren mehrere Forschende des Instituts für Kern- und Teilchenphysik (IKTP) beteiligt, darunter der Doktorand Orçun Kolay und weitere Personen aus der Arbeitsgruppe von Prof. Frank Siegert und Prof. Michael Kobel. Die Ergebnisse wurden am 28. Juli 2026 in Physics Letters B eingereicht und beruhen auf dem vollständigen Datensatz des zweiten LHC-Laufes (Run 2) aus den Jahren 2015 bis 2018.

Zwei der vier fundamentalen Kräfte der Natur – die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung – werden im Standardmodell der Teilchenphysik durch eine gemeinsame Theorie beschrieben: die elektroschwache Theorie. Die Teilchen, die diese Kräfte vermitteln, sind gut etabliert: W- und Z-Bosonen vermitteln die schwache Wechselwirkung, während Photonen die elektromagnetische Wechselwirkung vermitteln.

eynman-Diagramm der elektroschwachen Streuung zweier W-Bosonen mit zwei Photonen im Endzustand: Zwei Quarks emittieren jeweils ein W-Boson, die anschließend miteinander wechselwirken und zwei Photonen erzeugen. — Schematisches Feynman-Diagramm für die Produktion von VBS-γγjj. Zwei Photonen entstehen bei der Streuung zweier W-Bosonen über eine quartische elektroschwache Wechselwirkung.

Diese Teilchen übertragen jedoch nicht nur Kräfte zwischen Materieteilchen, sondern können auch miteinander wechselwirken. Solche Wechselwirkungen bieten eine leistungsfähige Möglichkeit, das Standardmodell zu testen, insbesondere durch Prozesse, die als Vektorboson-Streuung (Vector Boson Scattering, VBS) bezeichnet werden. Dabei streuen zwei kraftvermittelnde Teilchen und erzeugen zwei weitere.

Die ATLAS-Kollaboration hat eine Reihe von VBS-Prozessen untersucht. Das aktuelle Ergebnis liefert erstmals die Beobachtung der Streuung von W-Bosonen, bei der zwei Photonen entstehen. Damit vervollständigt die Kollaboration die Reihe der im Rahmen der elektroschwachen Theorie vorhergesagten VBS-Prozesse, bei denen massive Vektorbosonen (W und Z) in Kombinationen aus W-Bosonen, Z-Bosonen und Photonen streuen.

Sonnenbrille reicht nicht

Bei Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) kann jedes von zwei Quarks ein W-Boson abstrahlen. Diese W-Bosonen streuen anschließend und erzeugen zwei Photonen, während die Quarks als Teilchenschauer, sogenannte Jets, aus dem Kollisionspunkt hervorgehen (EW-γγjj). Die bei diesen Kollisionen erzeugten Photonen sind physikalisch dieselben Teilchen wie das Sonnenlicht, besitzen jedoch eine wesentlich höhere Energie. Um sie nachzuweisen, braucht es etwas mehr als eine gute Sonnenbrille: Das ATLAS-Experiment nutzt einen halben Meter Blei und Flüssig-Argon-Kalorimeter, um die Photonen nachzuweisen und ihre Energie präzise zu messen.

Der EW-γγjj-Prozess hinterlässt im ATLAS-Detektor eine charakteristische experimentelle Signatur: zwei hochenergetische Jets, die weit voneinander entfernt sind und daher eine große invariante Masse besitzen. Dies war entscheidend für die große Herausforderung, das extrem seltene Signal von wesentlich häufigeren Untergrundprozessen zu trennen. Der dominierende Untergrundprozess – etwa 1000-mal wahrscheinlicher – erzeugt ebenfalls zwei Photonen und mindestens zwei Jets, allerdings über die starke Wechselwirkung (QCD-γγjj).

Durch die Konzentration auf Ereignisse mit der charakteristischen Signatur konnten die ATLAS-Physiker:innen den Untergrund so weit reduzieren, dass bei den ausgewählten Ereignissen etwa eines von sechs erwarteten Ereignissen aus dem Signalprozess stammt.

Die Seltenheit des EW-γγjj-Signals erforderte ein Verständnis des Untergrunds mit einer Genauigkeit von etwa sieben Prozent. Dies wurde durch detaillierte Untersuchungen erreicht, bei denen simulierte Ereignisse mit Daten in extremen Bereichen des Phasenraums verglichen wurden, die theoretisch nur sehr schwer zu berechnen sind und daher mit großen Unsicherheiten verbunden sind.

Die Beobachtung dieses seltenen Phänomens ist nicht nur eine wichtige Bestätigung der elektroschwachen Theorie, sondern eröffnet auch die Möglichkeit, nach subtilen Hinweisen auf neue Physik zu suchen.

Erste Beobachtung

ATLAS-Daten und Modellvorhersagen für die Produktion von zwei Photonen und zwei Jets in Abhängigkeit von der invarianten Masse der Jets (mjj) — Verteilung der Zweijet-Masse für Daten, Signal und Untergrund. Die größte Herausforderung bei dieser Messung bestand darin, den Untergrund mit hoher Präzision zu bestimmen, um die Beobachtung der VBS-γγjj-Produktion zu ermöglichen.

Auf Grundlage des vollständigen LHC-Run-2-Datensatzes beobachtete die ATLAS-Kollaboration die Produktion zweier Photonen durch Vektorboson-Streuung mit einer statistischen Signifikanz von 6,2 Standardabweichungen. Die gemessene Produktionsrate beträgt 13,8 ± 3,0 fb und stimmt mit der Vorhersage des Standardmodells von 17,1 ± 2,4 fb überein. Zusätzlich untersuchte das Team, wie sich die Produktionsrate in Abhängigkeit verschiedener kinematischer Größen verändert.

Die Ergebnisse liefern ein detailliertes Bild dieses Prozesses und sind für zukünftige Messungen und theoretische Berechnungen von Bedeutung.

Die Beobachtung dieses seltenen Phänomens ist zugleich eine Möglichkeit, nach subtilen Hinweisen auf neue Physik zu suchen. Die Physiker:innen führten eine modellunabhängige Interpretation der Messung durch, bei der zusätzliche Wechselwirkungen von vier W- oder Z-Bosonen und Photonen zu kleinen Abweichungen von der elektroschwachen Theorie führen würden. Dabei wurden keine Hinweise auf solche Abweichungen gefunden; zugleich konnten führende Einschränkungen für bestimmte Klassen von Wechselwirkungen bestimmt werden.

Mit diesem Ergebnis schließt die ATLAS-Kollaboration ein jahrelanges Programm ab, in dem alle durch die elektroschwache Theorie vorhergesagten VBS-Prozesse beobachtet wurden, bei denen massive Vektorbosonen in Kombinationen aus Photonen, W-Bosonen und Z-Bosonen streuen. Zusammen ermöglichen diese Messungen ein umfassendes Verständnis des elektroschwachen Sektors des Standardmodells.

Die größeren Datensätze aus Run 3 und dem geplanten High-Luminosity LHC werden es ermöglichen, diese seltenen Wechselwirkungen mit noch höherer Präzision zu untersuchen. Damit lassen sich die Vorhersagen des Standardmodells weiter testen und neue Möglichkeiten eröffnen, nach Physik jenseits des Standardmodells zu suchen.

Publikation: Observation of the electroweak production of γγjj at √s = 13 TeV in 140 fb⁻¹ of pp collision data with the ATLAS detector (arXiv:2607.25869)

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