Higgs-Boson

Wenn Theorien und Träume wahr werden

Von Uta Bilow
06.07.2012
, 15:00
Der Namensgeber des Higgs-Boson: Peter Higgs am Teilchenbeschleuniger des Cern.
Die Forscher des Cern, des europäischen Zentrums für Teilchenphysik, haben ein neues Teilchen aufgespürt. Dass es sich um das Higgs-Boson handelt, dessen Existenz theoretische Physiker schon lange vermuten, gilt als wahrscheinlich, ist damit aber nicht belegt.
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Vieles spricht dafür, dass das neue Teilchen das lang gesuchte Higgs-Boson ist. Doch eindeutige Belege dafür stehen noch aus. Bis diese erbracht sind, will man nur von einer Entdeckung sprechen. Die sei aber ein Meilenstein zum Verständnis der Natur, so Cern-Chef Rolf-Dieter Heuer.

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Tagelang kochte die Gerüchteküche. Denn quasi im Vorgriff auf die große internationale Konferenz der Teilchenphysiker in Melbourne setzte Cern kurzfristig ein Seminar inklusive einer Pressekonferenz an, um vorab bereits die neuesten Ergebnisse zur Higgs-Suche zu präsentieren. Da waren sich viele schon sicher, dass eine Entdeckung unmittelbar bevorstünde. Diese Spekulationen trafen ins Schwarze, denn beide großen Experimente am Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) - Atlas und CMS - haben am Mittwoch unabhängig voneinander Ergebnisse vorgelegt, die für ein neues Teilchen mit einer Masse von etwa 126 Gigaelektronenvolt sprechen. Beide Forschergruppen erzielen bei ihren Analysen eine Signifikanz von 5 Sigma - was einer Wahrscheinlichkeit von 0.00005 Prozent entspricht, dass hier nur der Zufall im Spiel gewesen sein könnte. Damit sind die Kriterien für eine Entdeckung erfüllt. Eine Kombination der Ergebnisse von Atlas und CMS kommt sogar auf einen Wert von 6 Sigma.

Das Higgs-Feld entzieht sich einem Nachweis

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen gehört zu den wichtigsten Aufgaben des LHC, der 2008 in Betrieb genommen wurde. Denn das Higgs-Boson gilt als letztes Puzzlestück im etablierten Standardmodell der Teilchenphysik. Dieses Theoriegebäude beschreibt die Welt der Elementarteilchen, aus denen unser Universum besteht, und die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Es ist experimentell hervorragend belegt. Doch das Modell in seiner ursprünglichen Form hatte eine Schwachstelle: Es erlaubte nur masselose Teilchen. Somit fehlte eine Erklärung, wie die Elementarteilchen ihre Massen erhalten und warum diese so unterschiedlich sind. Ein entscheidender Fakt, denn ohne diese Massen würden keine Atome existieren, und das Universum hätte sich nach dem Urknall völlig anders entwickelt!

Mehrere Physiker, darunter der Brite Peter Higgs, schlugen vor annähernd fünfzig Jahren einen eleganten Mechanismus vor, der das Zustandekommen der Massen erklärt und mit dem Standardmodell im Einklang steht. Demnach ist das Universum von einem Feld durchzogen, das man sich wie eine zähe Flüssigkeit vorstellen muss. Bewegen sich die Elementarteilchen in diesem Feld, werden sie gleichsam abgebremst. Je stärker ein Teilchen verlangsamt wird, desto schwerer erscheint es uns. Allerdings entzieht sich das Higgs-Feld selbst einem Nachweis. Das ist ähnlich wie bei der Luft um uns herum, die wir bei Flaute nicht wahrnehmen, sondern erst bei einem Windstoß. So verhält es sich auch mit dem Higgs-Feld: Regt man das Feld an, indem man schwere Teilchen hindurchschickt, können Higgs-Teilchen entstehen, die selbst eine Masse haben und nachgewiesen werden können.

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Erste Hinweise gibt es seit 12 Jahren

Das Higgs-Feld wurde 1964 fast gleichzeitig durch drei theoretische Arbeiten von Peter Higgs, François Englert und Robert Brout sowie Gerald Guralnik, Carl Hagen und Tom Kibble vorgeschlagen. Peter Higgs war indes der einzige Physiker, der ein zusätzliches Elementarteilchen vorhersagte, eben das Higgs-Teilchen. In der Fachwelt gelten diese drei Arbeiten als gleich bedeutend. Die sechs Forscher erhielten für ihre Arbeiten über das Higgs-Feld bereits diverse Preise, darunter gemeinsam vor zwei Jahren den Sakuraipreis der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft. Higgs, Englert, Guralnik und Hagen wohnten jetzt auch dem Seminar am Cern bei. Schon vor zwölf Jahren glaubten die Forscher des Cern erste Hinweise auf das Higgs gefunden zu haben. Damals wurde in Genf noch ein anderer Beschleuniger betrieben, der Large Electron Positron Collider (Lep), in dem Elektronen und Positronen kollidierten. Dessen Tage waren schon gezählt, er sollte Platz machen für seinen Nachfolger, den LHC, da fand man in den Messdaten interessante Signale. So ließ man den Lep sechs Wochen länger in Betrieb, bevor man ihn endgültig abschaltete.

Wenn energiereiche Protonen im LHC zusammentreffen, entsteht ein Feuerwerk an neuen Teilchen.
Wenn energiereiche Protonen im LHC zusammentreffen, entsteht ein Feuerwerk an neuen Teilchen. Bild: dpa

Auch am Fermilab bei Chicago, dessen Beschleuniger Tevatron im vergangenen Herbst abgeschaltet wurde, hat man bei der Auswertung der gesammelten Daten inzwischen Hinweise auf das Higgs-Boson gefunden. Am vergangenen Montag präsentierten die Experimente CDF und DZero ihre Ergebnisse zur Higgs-Suche. Untersucht wurde der Zerfall des Higgs-Teilchens in zwei Bottom-Quarks. 500 Billionen Kollisionen aus zehn Jahren Betriebszeit wurden dafür ausgewertet. Das Resultat: Wenn das Higgs existiert, beträgt seine Masse zwischen 115 und 135 Gigaelektronenvolt. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei dem Ergebnis nur um eine statistische Fluktuation des Untergrunds handelt, beträgt 1 zu 550, was einer Signifikanz von 2,9 entspricht. Kein Nachweis also, aber abermals ein Hinweis auf das Higgs.

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Der LHC soll die Jagd nach dem Higgs-Teilchen nun zum Ende bringen. Der größte und leistungsfähigste Beschleuniger, der jemals gebaut wurde, befindet sich in einem 27 Kilometer langen Ringtunnel tief unter der Erde bei Genf. In den Röhren kreisen in zwei gegenläufigen Strahlen extrem energiereiche Wasserstoffkerne, gebündelt in Paketen zu jeweils 100 Milliarden Stück. Seit November 2009 lassen die Forscher diese Protonen an mehreren Punkten aufeinanderprallen und zeichnen die Kollisionen mit den Detektoren Atlas und CMS auf. Bei den heftigen Zusammenstößen werden ungeheure Energiemengen frei, die sich in neue Teilchen umwandeln können. Das Higgs-Teilchen könnte darunter sein.

Versteckt in einem Wust von Daten

Drei Fakten allerdings erschweren den Higgs-Nachweis. Erstens ist das Higgs ein extrem seltenes Ereignis. Viel häufiger entstehen beim Zusammenprall von zwei Protonen andere, bekannte Teilchen. Deshalb wurde die Kollisionsenergie des LHC im Frühjahr von sieben auf acht Teraelektronenvolt heraufgesetzt und die Anzahl der Zusammenstöße weiter erhöht. So konnten bis Mitte Juni bereits mehr Kollisionen aufgezeichnet werden als im gesamten Vorjahr: insgesamt 500 Billionen Zusammenstöße. Joe Incandela, der Sprecher des CMS-Experiments, verglich diese Zahl am vergangenen Mittwoch mit der Menge von Sandkörnern, die in ein Schwimmbecken passen. Von Interesse sei dabei gerade einmal die Menge an Sand auf einer Fingerspitze.

Das Higgs versteckt sich also buchstäblich in einem Wust von Daten, und erst wenn das Signal aus den Messdaten deutlich herausragt - wie ein Tafelberg im Monument Valley -, sind die Forscher zufrieden. Ist der Hügel zu klein, könnte der Zufall im Spiel gewesen sein. Im Dezember des vergangenen Jahres zeigten die Cern-Forscher bereits Ergebnisse mit drei Sigma, was einer Wahrscheinlichkeit von 0.3 Prozent entspricht für einen Zerfall: Das reichte zwar für einen Hinweis auf ein Higgs-Teilchen mit einer Masse von zirka 126 Gigaelektronenvolt, aber nicht für einen Nachweis.

Der Magnetkern des Teilchendetektors CMS ist Teil des LHC-Projekts.
Der Magnetkern des Teilchendetektors CMS ist Teil des LHC-Projekts. Bild: dpa

Das Higgs ist zweitens recht kurzlebig und wandelt sich sofort wieder in andere Elementarteilchen um. Die kann man mit den Detektoren nachweisen, dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten für das Higgs, sich in andere Teilchen umzuwandeln. Alle diese Zerfallskanäle müssen untersucht werden. Der Atlas-Detektor hat sich hier vor allem auf den Zerfall des Higgs in zwei Photonen oder in vier Leptonen konzentriert. Auch der CMS-Detektor hat in diesen beiden Zerfallskanälen jetzt die stärksten Signale für ein neues Teilchen ausgemacht. Da die Forscher die Ergebnisse aus den verschiedenen Zerfallskanälen kombinieren, erhöht sich die statistische Verlässlichkeit ihrer Ergebnisse.

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Und drittens sagt das Standardmodell zwar die Eigenschaften des Higgs-Bosonen präzise vorher, nicht aber seine Masse, was die Suche schwierig gestaltet. Glücklicherweise sagt die Theorie jedoch genau voraus, wie die Masse des Higgs-Teilchens und die Wahrscheinlichkeit der verschiedenen Zerfallswege zusammenhängen. So konnten die Wissenschaftler durch genaue Auswertung der Messdaten vom LHC den Existenzbereich des Higgs-Teilchens immer weiter eingrenzen - zuletzt auf 126 Gigaelektronenvolt.

Für Physiker bleibt genug zu tun

Ein neues Teilchen ist also gefunden worden, aber ist es auch das Higgs-Teilchen, wie es das Standardmodell vorhersagt? Die Physiker geben sich noch bedeckt. Zunächst müssten die Eigenschaften des Teilchens genauer vermessen werden, sagte Fabiola Gianotti, die Sprecherin der Atlas-Kollaboration. Dazu gehören beispielsweise seine Zerfallseigenschaften, Produktionsmechanismen, CP-Quantenzahlen und sein Spin. Der Theorie nach müsste der Spin den Wert 0 haben. Ausgeschlossen ist bereits, dass das neue Teilchen einen Spin von 1 hat, da es in zwei Photonen zerfallen kann. Weitere Erkenntnisse dazu lassen sich aber erst gewinnen, wenn deutlich mehr Daten vorliegen und man beispielsweise die Winkelverteilung zwischen den Zerfallsprodukten untersuchen kann, die Hinweise auf den Spin geben. Hierfür sind Datenmengen nötig, die mindestens zehnmal so groß sein müssen, wie bislang gewonnen. Der LHC muss also noch mehrere Jahre Daten liefern. Eigentlich sollte der Beschleuniger zum Jahresende abgeschaltet werden und nach einer Umbauphase von 20 Monaten mit einer Kollisionsenergie von 14 Teraelektronenvolt weiterarbeiten. Um aber den Physikern vor dieser langen Pause mehr Daten an die Hand zu geben, wird der Stopp nun um drei Monate verschoben, verkündete Rolf-Dieter Heuer am Mittwoch.

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Sollten sich die Hinweise erhärten, dass es sich um ein Higgs gemäß dem Standardmodell handelt, gibt es für die Physiker dann immer noch genug zu tun. Denn dann gilt es herauszufinden, wie das Higgs-Feld mit den Elementarteilchen wechselwirkt - das Bild von der ausgebremsten Fortbewegung im zähen Medium ist bislang nur eine Vorstellung. Und weiterhin bleibt die Frage offen, warum die Massen der Elementarteilchen so unterschiedlich sind - vom gewichtslosen Photon bis zum Rekordhalter Top-Quark. Peter Higgs zeigte sich zumindest beim Seminar am Mittwoch hocherfreut, dass er diese Entdeckung noch erleben dürfe.

Quelle: F.A.Z.
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