Neues vom Gottes-Teilchen

Das Higgs gewinnt an Kontur

Von Manfred Lindinger
26.06.2014
, 19:18
Ein typisches Higgs-Ereignis bei der frontalen Kollision von Protonen.
Am Cern ist ein weiterer Zerfallskanal des 2012 entdeckten Bosons nachgewiesen worden – ein wichtiger Schritt für die Forscher. Das Higgs verhält sich bisher tatsächlich so, wie man es vom ihm erwartet.
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Das vermeintliche Higgs-Boson, das man vor zwei Jahren am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf erzeugt und nachgewiesen hat, verhält sich offenkundig genau so wie es das Standardmodell der Elementarteilchenphysik voraussagt. Dafür sprechen experimentelle Befunde, auf die man nun bei der detaillierten Auswertung von früheren Messdaten gestoßen ist. Danach kann das Higgs- Teilchen, das nach der gängigen Vorstellung Quell aller Teilchenmassen ist, offenbar auch direkt in zwei Fermionen zerfallen. Bislang hat man nur den direkten Zerfall in Bosonen beobachtet.

Als Fermionen bezeichnet man eine Gruppe von Teilchen, die einen halbzahligen Spin besitzen. Dazu zählen alle Materieteilchen wie Elektronen, Myonen, Tauonen, die dazugehörigen Neutrinos und alle sechs Quarks. Zu den Bosonen gehören jene Teilchen, die die zwischen den Materieteilchen wirkenden Kräfte vermitteln. Sie haben einen ganzzahligen Spin oder gar keinen Eigendrehimpuls wie das Photon, das Kraftteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung oder die W- und Z-Teilchen, die die schwache Wechselwirkung übertragen. Als man am 4. Juli den erstmaligen Nachweis des Higgs-Teilchens verkündete, hatte man sich ausschließlich auf die Zerfälle in zwei energiereiche Photonen, zwei W- und zwei Z-Teilchen konzentriert, die vergleichsweise häufig auftraten.

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Ein starker Hinweis, aber noch kein Beweis

Da der Zerfall des Higgs-Teilchens in zwei Fermionen viel seltener auftritt, ist er entsprechend auch viel schwieriger nachzuweisen. Die Wissenschaftler des Cern analysierten Daten, die sie von 2011 bis 2012 am Teilchenbeschleuniger LHC, dem „Large Hadron Collider“, mit dem CMS-Detektor gesammelt hatten. Sie kombinierten dabei Zerfälle des Higgs-Teilchens in Paare von Bottom-Quarks und Paare von Tau-Leptonen.

Wie die Physiker der CMS-Kollaboration in der Zeitschrift „Nature Physics“ berichten, tritt im Massenbereich des Higgs-Teilchens von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) eine Häufung dieser Zerfälle auf, und zwar mit einer Signifikanz von 3,8 Sigma. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit, dass die Häufung allein auf Grund zufälliger Hintergrundprozesse zustande kommt, liegt bei etwa eins zu 14.000. In der Teilchenphysik geht man ab einer Signifikanz von fünf Sigma von einer bestätigten Entdeckung aus.

Elementares der Physik: Die Teilchen des Standardmodells mitsamt des Higgs-Bosons
Elementares der Physik: Die Teilchen des Standardmodells mitsamt des Higgs-Bosons Bild: DESY, Hamburg

„Wir sind mit unseren Messungen einen wichtigen Schritt weiter gekommen“, erklärt Vincenzo Chiochia vom Physik-Institut der Universität Zürich, dessen Gruppe an der Auswertung der Daten mitgearbeitet hat. „Wir wissen nun, dass das Higgs-Teilchen sowohl in Bosonen, wie auch in Fermionen zerfallen kann. Damit kann man gewisse Theorien ausschließen, die davon ausgehen, dass das Higgs-Teilchen nur in bestimmte Arten von Teilchen zerfällt.

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Experimentelle Kniffe

Für die Forscher des Cern untermauert der fermionische Zerfallskanal, dass es sich bei dem vor zwei Jahren entdeckten Elementarteilchen tatsächlich um das Higgs-Boson handelt, wie es das Theoriegerüst der Teilchenphysik voraussagt. Weil die Higgs-Teilchen, die bei der Kollision von energiereichen Protonen im LHC erzeugt wurden, extrem kurzlebig sind, können sie nicht direkt, sondern nur über ihre Zerfallsprodukte nachgewiesen werden. Die Bottom-Quarks und Tauonen leben lang genug, um im Pixel-Detektor des CMS-Experiments direkt nachgewiesen werden zu können und um ihre Eigenschaften zu vermessen .

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Das Higgs-Boson kann im Rahmen des Standardmodells schlüssig erklären, warum Elementarteilchen überhaupt eine Masse besitzen und warum diese von Teilchen zu Teilchen so unterschiedlich ausfällt. Vereinfacht erklärt kommt die Masse dadurch zustande, dass alle Teilchen den Widerstand des allgegenwärtigen Higgs-Feldes spüren – mal stärker, mal schwächer, mal überhaupt nicht, so wie das Photon, das keine Masse besitzt. Und wie bei allen Quantenfeldern ist auch das Higgs-Feld mit einem Teilchen verknüpft, eben jenem Higgs-Teilchen. Dieses trägt keinen Spin und zählt daher zu den sogenannten Bosonen.

Vorbereitungen für Neustart 2015

Die Wissenschaftler des Cern haben inzwischen, was die Higgs-Ereignisse betrifft, die Daten der ersten Betriebsphase des Large Hadron Colliders, die im Dezember 2012 endete, nahezu vollständig ausgewertet. Sie warten daher gespannt auf die Wiederinbetriebnahme des Beschleunigers Anfang 2015 für eine weitere dreijährige Experimentierphase. Die Vorbereitungen dafür laufen bereits. Im vergangenen und in diesem Jahr hat man die Betriebspause dazu genutzt, den leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger der Welt zu warten und kräftig aufzurüsten.

Im kommenden Jahr werden im LHC Wasserstoffkerne mit einer Energie von 14.000 Gigaelektronenvolt frontal zusammenprallen. Man hofft, dadurch die Erzeugungsrate der Higgs-Teilchen in die Höhe zu treiben und seltene Effekte und neue Phänomene zu entdecken.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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