Das glaube ich nicht
Große Erwartungen
Das Higgs-Teilchen kann nicht direkt beobachtet werden. Es ist sehr massereich und extrem kurzlebig, das heißt es zerfällt sofort. Aber seine Zerfallsprodukte verraten es. Vorausgesetzt, man hat genug dieser Zerfälle gemessen, um eine statistisch signifikante Aussage zu machen. Dazu ist es aber nötig, zunächst einmal genügend Higgs-Teilchen herzustellen. Und die Zerfälle zu messen ? wobei erschwerend hinzu kommt, dass es nicht nur eine Zerfallsart gibt, sondern sehr viele. Wie häufig das Higgs-Teilchen auf welche Weise in welche Produkte zerfällt, wird vom Standardmodell der Elementarteilchen aber sehr genau vorausgesagt. Letztlich betreiben die LHC-Detektoren also Trümmersuche und -studium. Dagegen ist die Suche nach der sprichwörtlichen Nadel im Heuhaufen freilich ein Kinderspiel. Doch inzwischen dürften am LHC bereits weit über 100.000 Higgs-Teilchen erzeugt worden sein. Genug Zerfallskandidaten also für die extrem aufwendige und raffinierte Datenauswertung.
Schon letztes Jahr fanden die Physiker Hinweise auf ein Signal bei Energien um etwa 125 Gigaelektronenvolt, das auf die Existenz des Higgs-Teilchens hindeutete. (Die Energieeinheit Elektronenvolt wird bei Teilchenphysikern auch für die Angabe der Masse verwendet, die nach Albert Einstein ja mit der Energie äquivalent ist; 125 Gigaelektronenvolt entsprechen ungefähr der Masse von 133 Protonen oder eines Iod-Atoms.) Allerdings war die statistische Signifikanz noch zu gering, um von ?Indiz? oder gar von ?Entdeckung? zu sprechen. Selbst eine später kombinierte Auswertung aller Daten lag unter drei Sigma Standardabweichung, dem Kriterium für ?Hinweis?. Doch seither hat sich die Datenmenge mehr als verdoppelt ? entsprechend hoch waren die Erwartungen.
Erläuterung: Der Nachweis eines neuen Teilchens erfolgt in der Teilchenphysik üblicherweise in zwei Stufen, denn die Messungen beruhen auf Statistik. Die Forscher geben daher zu jedem ihrer Ergebnisse die Wahrscheinlichkeit für ein richtiges Resultat als so genannte Signifikanz an. Dessen Einheit ist das Sigma, benannt nach dem griechischen Buchstaben für S. Die erste Stufe (?evidence?, Anzeichen) ist erreicht, wenn sich das Signal des Teilchens mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,75 Prozent zeigt. Dies entspricht einer Signifikanz von 3 Sigma. Von der zweiten Stufe, einer ?Entdeckung?, sprechen die Wissenschaftler bei einer Signifikanz von 5 Sigma. Das ist einer Fehlerwahrscheinlichkeit von lediglich 0,000057 Prozent.
Anlässlich der heute begonnenen größten Teilchenphysik-Konferenz dieses Jahres, der 36th International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2012) im australischen Melbourne, wurden heute morgen die neuesten Daten der beiden großen Detektoren ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) und CMS (Compact Muon Solenoid) am größten Teilchenbeschleuniger der Welt vorgestellt, dem Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN bei Genf. Im CERN-Hörsaal fand auch das mit Spannung erwartete Seminar statt, das nach Melbourne übertragen wurde und über Internet-Livestream auch in die ganze Welt. Damit ist ICHEP 2012 die erste globale Konferenz, die ganze Kontinente überbrückt, sagte CERN-Generaldirektor Rolf Heuer zur Begrüßung pünktlich um 9 Uhr MESZ. ?Es ist ein globales Ereignis und zeigt, dass wir weltweit zusammenarbeiten.?
Der eine Streich: CMS
Dann begann CMS-Sprecher Joe Incandela mit seinem Bericht. Der basierte auf intensiver Arbeit Hunderter von Physikern ? und vielen schlaflosen Nächten. Incandela fasste die Auswertung der Daten zusammen, die letztes Jahr und seit März 2012 bis vor zwei Wochen gemessen wurden. CMS registriert, wie auch ATLAS und die anderen Detektoren am LHC, was geschieht, wenn Protonen mit Fast-Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen und in einem Feuerwerk zerplatzen. Dabei entsteht ein ganzer Reigen an Teilchen. Darunter sollen sich, so die theoretische Erwartung, immer wieder auch Higgs-Partikel befinden.
Der LHC hat in diesem Jahr bereits mehr Protonen-Kollisionen als im ganzen Jahr 2011 erzeugt (eine integrierte Luminosität von 5,3 inversen Femtobarn (fb -1) gegenüber 5,1 fb -1) , und das bei einer signifikant größeren Schwerpunktsenergie (8 gegenüber 7 Teraelektronenvolt). Diese enorme Leistung, zusammen mit einer effizienten weltweiten Zusammenarbeit bei der Datenauswertung, ist der Grund dafür, dass die vorläufigen Resultate bereits jetzt bekannt gegeben werden konnten. Zuweilen überlagerten sich 30 bis 50 Kollisionsereignisse auf einmal ? eine große Herausforderung für die Analyse, aber auch eine prächtige Leistung der Maschine. Inzwischen hat sie das Standardmodell der Elementarteilchen bereits auf ein Prozent genau vermessen. Und die Daten stimmen glänzend mit den theoretischen Erwartungen überein.
CMS hat die fünf wichtigsten erwarteten Zerfallskanäle des Higgs-Bosons untersucht. Drei
liefern Paare von Bosonen (Photonen, Z- oder W-Teilchen) und zwei Paare von Fermionen
(bottom-Quarks oder Tau-Leptonen). Die ersten drei sind am empfindlichsten. Die Photonen (Gammaquanten) und Z-Teilchen liefern besonders gute Daten für die Higgs-Masse, die W-Teilchen, die in ein Elektron beziehungsweise Myon zerfallen (und in Neutrinos) bringen ein genaueres Signal, das aber schwieriger nachzuweisen ist. In den bottom- und Tau-Kanälen hat CMS noch nicht genug Daten für ein Signal registriert. In den Gamma-, Z- und W-Kanälen entdeckte CMS ein Signal mit einer statistischen Signifikanz von 4,1, von 3,2 und 1,5 Sigma bei einer Energie von 125 Gigaelektronenvolt. Kombiniert für alle fünf Kanäle ergibt das eine Signal-Signifikanz von 4,9 Sigma für die Existenz eines Teilchens mit der Masse von 125,3 plus/minus 0,6 Gigaelektronenvolt.
Beschränkt man sich auf die Gamma- und Z-Kanäle, ist die Signifikanz sogar 5,0 Sigma ? das Kriterium für eine Entdeckung in der Teilchenphysik. Es bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, keinen Messfehler gemacht zu haben oder ein rein zufälliges Signal entdeckt zu haben, größer als 99,99943 Prozent ist. Das entspricht einer Wahrscheinlichkeit von 1,74 Millionen zu 1. Als Incandela diese Zahl zeigte, brach Applaus im CERN-Hörsaal aus.
Die Datenanalyse wurde ?blind? ausgeführt, das heißt nicht von vornherein nur im Hinblick auf bestimmte Regionen im Datenraum, um nicht einer Selbsttäuschung zu unterliegen. Und es waren zwei unabhängig voneinander arbeitende Teams vom CMS mit den Analysen beschäftigt, was eine wechselseitige Kontrolle erlaubt. ?Die Ergebnisse sind noch vorläufig?, betonte Incandela. ?Aber die Implikationen sind sehr signifikant.?
Der zweite Streich: ATLAS
Als nächstes ergriff die Sprecherin des ATLAS-Teams das Mikrophon, Fabiola Gianotti. Auch sie sprach über die exzellente Leistung des LHC und der weltweiten Zusammenarbeit der Forscher, über die hervorragende Qualität der Daten und die außerordentliche Geschwindigkeit der Analysen. Und sie stellte wie Incandela eine kombinierte Datenanalyse der Messungen von 2011 und 2012 vor, denen ungefähr eine Billiarde Protonen-Kollisionen zugrunde liegen. ATLAS registrierte sogar noch mehr als CMS (etwa 5,9 fb -1).
Das ATLAS-Team konzentrierte sich bislang lediglich auf zwei Zerfallskanäle der 2012-Daten: Zum einen den Zerfall des mutmaßlichen Higgs-Teilchens in zwei Photonen (Photonen-Kanal), zum anderen in vier Leptonen ? Elektronen oder Myonen (Z-Kanal). In beiden Kanälen lässt sich die Higgs-Masse sehr genau aus den Zerfallsprodukten rekonstruieren. Im Photonen-Kanal ereignen sich mehr Zerfälle, aber der ?Untergrund? anderer Vorgänge ist auch relativ groß (allerdings in der Theorie gut verstanden und kann daher herausgerechnet werden). Im Z-Kanal gibt es viel weniger Zerfälle, aber der störende Untergrund fehlt dafür fast vollständig. In beiden Zerfallskanälen fanden die Forscher ein Signal bei etwa der gleichen Masse: 126,5 Gigaelektronenvolt. Im Photonen-Kanal beträgt die Signifikanz 3,6 Sigma (oder 4,5, wenn man den sogenannten ?look elsewhere?-Effekt nicht berücksichtigt, das heißt speziell den Kandidatenbereich anvisiert), im Z-Kanal sind es 3,4 Sigma. Die Kombination dieser und anderer Kanäle ergab eine statistische Signifikanz von 5,0 Sigma. Auch hier unterbrach Applaus den Vortrag. ?Wir beobachten in unseren Daten klare Signale eines neuen Teilchens, mit einer Signifikanz von 5 Sigma, im Massenbereich um 126 Gigaelektronenvolt?, fasste Fabiola Gianotti ihren Vortrag zusammen.
Standing Ovations und Tränen der Rührung
Die Zuhörer im CERN-Hörsaal wie auch in Melbourne (dort schon aufs abendliche Konferenzbankett wartend) waren nach Dutzenden von Powerpoint-Folien sowohl etwas erschöpft als auch begeistert von der exzellenten Qualität der Daten. Ein historischer Moment der Teilchenphysik.
Dann ergriff CERN-Chef Rolf Heuer wieder das Wort. ?Als Laie würde ich sagen: Wir haben es!? Tosender Applaus, schließlich sogar Standing Ovations.
Klar ist, dass die Rede von der Higgs-?Entdeckung? noch keine wissenschaftliche Aussage sein kann!
Vom Standpunkt der Physik aus ist das Higgs-Teilchen noch nicht entdeckt! Aber das hatte auch niemand behauptet. Und Heuer relativierte: ?Wir haben eine Entdeckung! Es ist ein Teilchen, das vereinbar ist mit dem Higgs-Boson. Aber wir stehen erst am Anfang, um das sagen zu können. Doch wir können sehr optimistisch sein.? Und er betonte: ?Das ist heute ein historischer Meilenstein. Es war eine globale Anstrengung, und es ist ein globaler Erfolg.?
Im Publikum saß, beim Eintreten vor Seminarbeginn schon mit respektvollem Applaus begrüßt, auch der schottische Physiker Peter Higgs, der die Existenz des Higgs-Teilchens 1964 vorhergesagt hatte. Als er die 5-Sigma-Daten sah, traten Tränen der Rührung in seine Augen. Später bedankte er sich bei den ATLAS- und CMS-Teams für die großartige Arbeit und gratulierte ihnen zu ihrem Erfolg. Er betonte aber auch, es sei ihm nicht angemessen, die Frage nach der Existenz des Teilchens zu beantworten. Und er sagte: ?Ich hätte nicht gedacht, dass das noch zu meinen Lebzeiten geschieht.?
Ebenfalls im Publikum waren François Englert, Gerald Guralnik und Carl Richard Hagen, die zusammen mit dem bereits verstorbenen Robert Brout und dem nicht anwesenden Tom Kibble ebenfalls bereits 1964 (und teilsweise unabhängig von Higgs) die Existenz des Higgs-Felds vermutet haben. Auch sie brachten in kurzen Statements ihre Freude zum Ausdruck.
Ein fundamentales Feld im Universum
In einer knapp einstündigen Pressekonferenz stellten sich Heuer, Gianotti, Incandela und CERN-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci den Fragen zahlreicher Journalisten. ?Wir haben einen Erfolg zu vermelden?, betonte Heuer noch einmal. ?Wir haben ein neues Teilchen entdeckt, wahrscheinlich das Higgs-Boson. Ich denke, wir haben den letzten fehlenden Baustein des Standardmodells gefunden. Aber die Reise ist noch nicht zu Ende.? Und er betonte noch einmal, dass vom strengen wissenschaftlichen Standpunkt aus gesehen das Higgs-Teilchen noch nicht als entdeckt gelten kann. Auch die inzwischen veröffentlichte CERN-Pressemitteilung spricht vorsichtig lediglich von der Beobachtung ?eines Teilchens, das vereinbar ist mit dem langgesuchten Higgs-Boson?. Auch die Pressemitteilungen von ATLAS und CMS äußern sich entsprechend vorsichtig.
Das schmälert aber nicht die Leistung des Tages. ?Als Laie würde ich sagen, dass wir es entdeckt haben?, sagte Heuer noch einmal. ?Als Wissenschaftler muss ich fragen: Was ist es? Wir haben ein Boson gefunden. Doch was für eines?? Und er betonte, dass mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens zum ersten Mal in der Geschichte der Wissenschaft ein fundamentales Skalar-Feld nachgewiesen wäre (ein solches Feld wird nur mit Werten im Raum beschrieben, ähnlich wie bei der Temperaturverteilung in einem Zimmer, nicht aber mit richtungsanzeigenden Vektoren ? alle bekannten Felder, etwas das elektromagnetische, haben auch solche Vektoren-Größen).
Kein Gottesteilchen
Sich das Higgs-Feld anschaulich vorzustellen, ist nicht möglich. Und wer von ?Gottesteilchen? sprich, verwendet eine völlig falsche Metapher. Das Wort wird dem Physik-Nobelpreisträger Leon Lederman zugeschrieben, da es den Titel eines populärwissenschaftlichen Buchs ziert, aber das war eine Erfindung seines Verlags ? er sprach nur vom ?gottverdammten Teilchen?, weil es so schwer zu finden ist, und hatte keine religiösen Intentionen. Auch Higgs wehrt sich gegen den Begriff. Zum einen ist er Atheist, zum anderen fürchtet er, „Gottesteilchen“ würde religiöse Menschen beleidigen.
Das Higgs-Boson ist also eine ganz irdische Sache. Oder eher eine universelle, denn das Higgs-Feld ist überall. Doch wie soll man das verstehen?
Vielleicht hilft eine Analogie: Man kann das Higgs-Feld mit einer glatten, unberührten Schneefläche vergleichen. Würde man mit Skiern über sie flitzen, ohne einen Abdruck zu hinterlassen, wäre das wie wenn ein masseloses Teilchen, etwa ein Photon, lichtschnell durchs Higgs-Feld saust, mit dem es nicht interagiert. Langsame Teilchen wie Quarks und Elektronen dagegen stehen mit dem Feld in Wechselwirkung und gewinnen dadurch erst ihre Masse ? vergleichbar mit einem Wanderer, der mit seinen Stiefeln tief in den Schnee einsinkt. In dieser Analogie sind die einzelnen Schneeflocken die Higgs-Teilchen. Insofern stellt sich auch die berechtigte und tatsächlich sehr wichtige Frage, ob es nur ein Art von Higgs-Teilchen gibt oder mehrere verschiedene, und ob diese elementar sind oder sich aus fundamentaleren Bestandteilen zusammensetzen wie eine Schneeflocke aus Eiskristallen.
Noch viel Arbeit!
Die Datenauswertungen gehen bei ATLAS und CMS nun auf Hochtouren weiter. Geplant ist schon Ende des Monats eine erste Publikation. Seite an Seite in derselben Ausgabe einer Fachzeitschrift. Obwohl die beiden Teams miteinander wetteifern, kooperieren sie auch und kontrollieren und stützen sich gegenseitig. Würde nur ein Experiment das Higgs-Teilchen finden, das andere nicht, hätten die Physiker ein großes Problem.
Heuer teilte auch mit, dass gestern die Entscheidung gefällt wurde, den LHC noch zwei bis drei Monate länger bei 8 Teraelektronenvolt laufen zu lassen, bevor er wie geplant für knapp zwei Jahre abgeschaltet wird, um ihn zu warten, zu überholen und für die 14 Teraelektronenvolt Schwerpunktsenergie fit zu machen, für die er entwickelt wurde. ?Wir wollen vorher noch so viele Daten wie möglich gewinnen, aber dann braucht der LHC eine Pause.?
Wenn alles nach Plan weiter läuft, wird es schon im Herbst dieses Jahres klar sein, ob das Standardmodell-Higgs-Teilchen existiert oder nicht. Das hat CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer bereits letztes Jahr im Interview mit bild der wissenschaft versprochen. Und auf einer Konferenz im März war Heuer noch zuversichtlicher: Der LHC ist bereits auf der Zielgeraden bei der Higgs-Suche.
Starke deutsche Beteiligung
?Dass die Beobachtung dieses massereichen, bisher unbekannten Teilchens am LHC bereits jetzt mit der für ?Entdeckungen? geforderten Signifikanz berichtet werden kann, ist ein lang ersehnter, großartiger und verdienter Erfolg der beteiligten Institute und Wissenschaftler weltweit!?, freut sich Siegfried Bethke, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München.
Er ist einer der mehr als 700 deutschen Wissenschaftler, die an ATLAS und CMS beteiligt sind (darunter etwa 400 Nachwuchswissenschaftler). Wesentliche Teile beider Detektoren wurden in Deutschland entwickelt und gebaut. Auch zum Betrieb und der Datennahme und -analyse tragen Wissenschaftler aus Deutschland bei. Am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT), beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, am Max-Planck-Institut für Physik und an 16 Universitäten stehen wichtige Knoten des LHC Computing Grids. Dieses Speicher- und Rechennetzwerk ermöglicht die Analyse der riesigen LHC-Datenmengen erst. Unter deutscher Federführung wurden und werden Detektortechnologien entwickelt, die sich weit über die Teilchenphysik hinaus einsetzten lassen.
Higgs, Higgs, Hurra!
Die neuen Daten sind ein großer Grund zur Freude. Aber noch keine definitive Entdeckung. Selbst ein glasklares Signal, wie es sich jetzt abzuzeichnen beginnt, bei 125 bis 126 Gigaelektronenvolt, ist noch kein Beweis für das Higgs-Teilchen. Dazu sind auch Daten über andere Zerfallsvorgänge nötig, die ATLAS und CMS noch nicht in ausreichendem Maße haben. Außerdem müssen die Physiker das Verhalten des Higgs-Kandidaten studieren sowie seine Eigenschaften. So lange beispielsweise nicht fest steht, dass sein Spin (?innerer Drehimpuls?) den Wert 0 hat, ist auch nicht erwiesen, dass es das lang ersehnte Teilchen ist, das anderen Elementarteilchen ihre träge Masse vermittelt.
Doch das Warten wird bald ein Ende haben. ?Ob es sich wirklich um ein Higgs-Teilchen handelt, werden wir wohl im Herbst sagen können?, sagte Thomas Müller im Gespräch bild der wissenschaft. Müller ist Physik-Professor am Institut für Experimentelle Kernphysik am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) und Mitglied des CMS-Teams. ?Denn dazu brauchen wir auch Daten zu seinen Kopplungen, zu seinem Spin und aus den fermionischen Zerfallskanälen. Solche Messungen haben wir momentan noch nicht in ausreichendem Maße.?
?Wir haben hinter den Kulissen mehrfach hin und her diskutiert, wie wir es mitteilen wollen?, erläutert Müller. ?Ob man von ?Beobachtung?, ?Anzeichen? oder ?Entdeckung? spricht, ist auch eine gewisse Frage der Semantik“, kommentiert er. „Fest steht, dass wir mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ein Signal entdeckt haben, das weder ein Zufall noch ein Messfehler ist.?
Somit hat der LHC nun echtes physikalisches Neuland betreten. Nachdem er schon in den ersten Monaten quasi das ganze bekannte Standardmodell der Elementarteilchen neu „entdeckt“ hatte, also die unzähligen Daten seiner Vorgänger bestätigen konnte, beginnt nun eine neue Ära.
Noch viele Überraschungen möglich!
Es ist also immer noch möglich, dass der LHC zwar ein neues Boson entdeckt hat, das aber nicht das Higgs-Boson des Standardmodells ist ? oder vielleicht gar kein Higgs-Boson. Und wenn es sich erhärtet, dass das neue Teilchen einen Spin (eine Art Eigendrehimpuls) von 0 hat, was es von den bekannten Bosonen (etwa Photonen, W- und Z-Teilchen) stark unterscheidet, denn die haben einen Spin von 1, dann ist immer noch nicht erwiesen, dass es sich um das Standard-Higgs handelt. Es könnte nämlich noch andere Higgs-Teilchen geben. So sagt die minimale supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells ? eine noch spekulative Hypothese ? die Existenz von fünf verschiedenen Higgs-Teilchen voraus. Die nächsten Monate werden also spannend, mit Überraschungen kann durchaus gerechnet werden.
Wie geht es weiter?
Die nächsten Monate werden von akribischen Datenauswertungen, neuen Modellrechnungen und vor allem weiteren Messungen geprägt sein. Business as usual am LHC und dem weltweiten Team der Physiker.
Zunächst muss das Signal bei 125 Gigaelektronenvolt bestätigt werden, das heißt die statistische Signifikanz muss noch besser werden. Das ist lediglich eine Frage der Zeit, wenn beim LHC und den Detektoren weiter alles so gut läuft. Tatsächlich haben die Wissenschaftler bereits heute mehr Daten, als sie in Melbourne vorstellen konnten. ?In den letzten beiden Wochen haben ATLAS und CMS viele weitere Zerfälle registriert. Wenn die auch ausgewertet werden, sind wir vielleicht schon über fünf Sigma?, sagt Thomas Müller im Hinblick auf die 4,9 Sigma der CMS-Datenanalyse.
Dann kommt die Charakterisierung des Teilchens: Welche Eigenschaften hat es, wie verhält es sich? Erst wenn das hinreichend bekannt ist, wird klar sein, ob wirklich das Higgs-Boson dahinter steckt. Thomas Müller ist zuversichtlich: ?Ich habe schon vor Jahren ein Monatsgehalt gewettet, dass das Standardmodell-Higgs in diesem Massenbereich existiert. Es passt einfach alles zu gut zusammen, die Natur scheint wenig Phantasie für Überraschungen zu haben.?
Der nächste Beschleuniger
?Hochinteressant wäre es auch, das Higgs-Potenzial selbst auszumessen?, sagt Müller. ?Das geht über die Selbstkopplung des Teilchens. Das kann man in Ereignissen studieren, bei denen ein virtuelles Higgs-Boson erzeugt wurde, das ein reelles Higgs-Boson abgestrahlt hat. Aber das vermag der LHC nicht herauszufinden, dazu brauchen wir einen neuen Linearbeschleuniger.?
Pläne zu solchen Beschleunigern gibt es bereits. Der International Linear Collider (ILC) ist auf dem Reißbrett und in Vorabentwicklungen von Einzelteilen bereits so weit gediehen, dass der Bau sofort beginnen könnte, wenn die Finanzierung gesichert wäre. Noch anspruchsvoller, aber auch nicht ganz so weit entwickelt, ist das Konzept des Compact Linear Collider (CLIC). Welcher Beschleuniger dem LHC nachfolgt beziehungsweise ihn ergänzt, wann und wo, das ist bislang noch nicht entschieden. Aber sobald die Higgs-Daten genauer sind, werden die Planungen daraufhin abgestimmt. Denn eine genaue Erforschung der Higgs-Eigenschaften mit einem dafür maßgeschneiderten Instrument ist das nächste große Ziel der Hochenergie-Elementarteilchenphysik.
