CHIPP-Preis 2025: Top Präzision für Top-Quarks

[A person holding a blue folder AI-generated content may be incorrect.] Einige Forscher:innen finden ihre Motivation darin, offene Fragen über die Natur zu beantworten, während andere von der Herausforderung angetrieben werden, komplexe technische Probleme zu lösen. Chiara Savoini hat beides in ihrer Doktorarbeit über Top-Quarks – die schwersten bekannten Elementarteilchen – kombiniert, was ihr den diesjährigen CHIPP-Preis eingebracht hat.

Das Top-Quark ist das schwerste der sechs vom Standardmodell vorhergesagten Quarks. Es entsteht bei hochenergetischen Kollisionen im Large Hadron Collider (LHC) am CERN und zerfällt in weniger als 10-24 Sekunden. Aufgrund seiner grossen Masse koppelt das Top-Quark stark an das Higgs-Boson, ein Teilchen, das aus dem masseschaffenden Higgs-Feld hervorgeht. Unsicherheiten hinsichtlich der Eigenschaften des Top-Quarks wirken sich auch auf die präzisen Messungen der W- und Z-Bosonen aus, den Vermittlern der schwachen Wechselwirkung. Das Top-Quark ist also ein wichtiger Teilnehmer an vielen vom Standardmodell vorhergesagten Wechselwirkungen. Jede in einem Experiment beobachtete Abweichung von diesen Vorhersagen könnte die Tür zu einer neuen, noch unentdeckten Physik öffnen.

Die sehr kurze Lebensdauer macht das Top-Quark extrem schwer zu untersuchen, verschafft ihm aber auch einen einzigartigen Vorteil: Während leichtere Quarks durch die starke Kraft in Hadronen gebunden sind, bleibt das Top-Quark in einem freien Zustand, da es zerfällt, bevor eine Bindung stattfinden kann. Durch die Untersuchung seiner Zerfallsprodukte können Physiker:innen die Eigenschaften des Top-Quarks erforschen und aufdecken, wie es mit anderen Teilchen interagiert.

Bereits im Gymnasium waren Mathematik und Physik Chiaras Lieblingsfächer, sodass theoretische Physik die naheliegende Wahl fürs Studium war. Sie studierte an der Universität Mailand in ihrer Heimat Italien. „Ich wollte mit der formalen und theoretischen Seite der Mathematik verbunden bleiben, aber auch Einfluss auf Experimente und unser Verständnis der Natur nehmen“, erinnert sie sich. Zunächst war sie sich nicht sicher, welchen Bereich der Physik sie wählen sollte. Das änderte sich während ihrer Bachelorarbeit: Sobald sie begann, sich mit Teilchenphysik zu beschäftigen, war sie begeistert.

Nach ihrem Studium in Mailand schloss sich Chiara der Gruppe von Professor Massimiliano Grazzini an der Universität Zürich an. In ihrem Doktoratsprojekt wollte sie genauere Vorhersagen über die Produktion von Top-Quark-Paaren treffen. Dies ist die wichtigste Art und Weise, wie diese Teilchen am Large Hadron Collider entstehen. Wenn zwei Protonen mit hoher Energie kollidieren, kann mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit ein Teilchenpaar – ein Top-Quark und sein Antiteilchen, das Anti-Top-Quark – entstehen. Theoretische Physiker:innen können diese Wahrscheinlichkeit, die als Wirkungsquerschnitt bezeichnet wird, mit hoher Genauigkeit vorhersagen. Top-Quarks zerfallen jedoch so schnell in leichtere Teilchen, dass sie die Detektoren nie als freie Teilchen erreichen. In der Quantenwelt bedeutet das, dass die Energie eines Teilchens, das nur sehr kurzexistiert, weniger präzise bestimmt ist. Um theoretische Vorhersagen zuverlässig mit experimentellen Messungen vergleichen zu können, muss diese Unsicherheit daher unbedingt berücksichtigt werden. Dies wurde das erste Projekt von Chiaras Doktorarbeit.

Mehr als ein Jahr lang widmete sie sich diesem Problem, aber eine Lösung blieb ihr verwehrt. „Wir stellten schnell fest, dass dieses Projekt komplexer war als erwartet. Das war keine leichte Zeit für mich: Zu Beginn meiner Doktorarbeit hatte ich erwartet, einem klaren Weg zu folgen, aber plötzlich steckte ich fest und wusste nicht, wie ich weitermachen sollte“, erinnert sich Chiara an ihre Frustration.

Nach einem Jahr trafen sie und ihr Betreuer eine schwierige, aber konstruktive Entscheidung: Sie legten das Projekt auf Eis und konzentrierten sich stattdessen auf neue, spannende Probleme, die neue Chancen versprachen. Was ihr in dieser Zeit half, waren die Menschen in ihrem Umfeld und die unterstützende Atmosphäre in ihrer Forschungsgruppe. „In einem guten Umfeld und mit unterstützenden Mentoren gibt es immer Möglichkeiten, zu lernen, Ergebnisse zu erzielen und wieder motiviert zu werden.“

Für ihren Neuanfang beschloss Chiara, die kurze Lebensdauer der Top-Quarks ausser Acht zu lassen und sie als stabil zu behandeln, wodurch eine Ebene der Komplexität wegfiel. Durch diese Vereinfachung öffnete sich die Tür zu neuen, experimentell relevanten Fragen: Was wäre, wenn ein Top-Anti-Top-Paar zusammen mit einem schweren Boson wie dem Higgs- oder dem W-Boson erzeugt würde? Wie würden die Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses beeinflussen? Jede Diskrepanz zwischen den Vorhersagen der Theorie und den LHC-Messungen könnte auf bisher unbekannte Wechselwirkungen zwischen diesen schweren „Champions“ der Teilchenwelt hindeuten – und uns helfen, das Massenmuster verschiedener Teilchen im Standardmodell besser zu verstehen.

Um solche potenziellen Diskrepanzen zu untersuchen, müssen sowohl Theorie als auch Experiment immer präziser werden. Mit der bevorstehenden Aufrüstung des LHC stehen Theoretiker vor der Herausforderung, in diesem Wettlauf, um Genauigkeit Schritt zu halten. „Der LHC hat sich von einer Entdeckungsmaschine zu einer Präzisionsmaschine gewandelt. Deshalb versuchen wir, die theoretische Genauigkeit der Vorhersagen so weit wie möglich zu verbessern“, erklärt Chiara. Um einen Querschnitt mit hoher Präzision vorherzusagen, müssen Theoretiker nicht nur die einfachsten Beiträge berücksichtigen, die den Grossteil ausmachen, sondern auch subtilere Korrekturen, die viel schwieriger zu bewerten sind. Es ist wie bei der 80-20-Regel: Die ersten 20% des Aufwands liefern 80% des Ergebnisses, aber jeder weitere Schritt in Richtung vollständiger Präzision erfordert unverhältnismässig mehr Arbeit. Anders als im Alltag, wo 80% oft ausreichen, erfordert die Hochenergiephysik, noch weiter zu gehen, um neue Erkenntnisse über die Natur zu gewinnen.

Die Produktion von Top-Quark-Paaren in Verbindung mit einem Higgs- oder W-Boson beinhaltet eine knifflige Art dieser subtileren Korrekturen, die als Zwei-Loop-Beitrag bekannt sind. Ihre exakte Berechnung übersteigt die Möglichkeiten der derzeitigen Techniken, und das hinderte die Theoretiker:innen viele Jahre lang daran, die Genauigkeit ihrer Vorhersagen zu verbessern. Chiara hatte sich zum Ziel gesetzt, in die Fussstapfen der Generationen von Physiker:innen zu treten, die vor der Einführung von Computern lebten: Sie wollte einen cleveren Weg finden, um den unbekannten Term ohne aufwändige Berechnungen zu approximieren. Sie entwickelte eine elegante Lösung, die sie scherzhaft als „das Unbekannte mit einer Zange packen” bezeichnete. Sie betrachtete zwei Extremsituationen: eine, in der das Boson sehr wenig Energie trägt (die weiche Grenze), und eine andere, in der die Top-Quarks als effektiv masselos behandelt werden können (die Hochenergiegrenze). In beiden Fällen vereinfachen sich die Berechnungen, sodass sie den vollständigen Wirkungsquerschnitt für diese Prozesse mit höherer Präzision berechnen konnte. Auch wenn der Prozess in realen Experimenten irgendwo dazwischen liegt, konnte sie den Zwei-Loop-Beitrag zwischen diesen beiden Extremen einschränken und mit sehr grosser Genauigkeit abschätzen. Diese neue Vorhersage wurde zur neuen theoretischen Referenz für Experimente.

Für diese clevere Annäherung erhielt Chiara Savoini den CHIPP-Preis 2025. Es war aber auch ein entscheidender Schritt zur Beantwortung ihrer ursprünglichen Forschungsfrage – wie sich die kurze Lebensdauer der Top-Quarks auf ihre Produktion am LHC auswirkt. Nachdem sie eine Methode für ein Problem entwickelt hatte, fand Chiara einen neuen Weg, um das komplexere Problem anzugehen. Die ersten Ergebnisse veröffentlichte sie vor wenigen Monaten. „Man kann Monate mit einem Problem verbringen, ohne Erfolg zu haben. Aber manchmal ist es besser, es beiseite zu lassen und sich auf etwas anderes zu konzentrieren. Wenn man dann zurückkommt, hat man mehr Motivation und neue Ideen, um das Projekt wieder aufzunehmen und gute Ergebnisse zu erzielen“ – eine Lektion, die sie während ihrer Promotion gelernt hat.

„Chiara war eine hervorragende Doktorandin“, sagt ihr Betreuer, Professor Massimiliano Grazzini. „Wir haben mit einem sehr ehrgeizigen Projekt begonnen, von dem ich wusste, dass es viel Arbeit erfordern würde. Sie hat sich sofort in andere Projekte eingebracht, ist als Forscherin gewachsen und hat es geschafft, Ergebnisse für das komplexeste Projekt ihrer Promotion zu erzielen. Sie ist sehr entschlossen und möchte alles gründlich verstehen, und am Ende zahlt sich das aus. Ich freue mich sehr, dass sie diesen Preis erhalten hat. Ich denke, sie hat alle Eigenschaften, die für eine erfolgreiche Karriere in der Wissenschaft erforderlich sind.“

Vor einem Jahr begann Chiara eine Postdoc-Stelle an der Technischen Universität München, bereit, sich der nächsten Herausforderung zu stellen. Ihre clevere Annäherung an die Zwei-Loop-Korrekturen hat die theoretische Präzision bereits weit über die bisherigen Grenzen hinausgetrieben – aber die exakte Berechnung dieser Terme könnte sie noch weiter verbessern. „Uns fehlt noch dieser Beitrag, um die endgültige Vorhersage der Wechselwirkungsquerschnitte für Experimente zu liefern“, erklärt sie und fährt fort:„Zunächst müssen wir die Physik hinter diesem komplexen Prozess vollständig verstehen und die erforderlichen Techniken für die Berechnungen entwickeln. Das ist eine der grössten Herausforderungen, denen ich mich in naher Zukunft stellen möchte.“