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Astronomie+Physik

Higgs-Boson mag schwere Teilchen

Meilenstein: Physiker haben zum ersten Mal eine gemeinsame Produktion von Higgs-Bosonen und Top-Quarks nachgewiesen. (Foto: CERN)

Spannende Entdeckung: Der gängigen Theorie nach müssten sehr schwere Teilchen besonders stark mit dem Higgs-Feld und den Higgs-Bosonen wechselwirken – das verleiht ihnen ihre Masse. Jetzt ist Physikern am Forschungszentrum CERN der Nachweis dieser Kopplung gelungen. An gleich zwei Detektoren des Large Hadron Collider (LHC) beobachteten sie Teilchenmuster, die eine gemeinsame Produktion von Higgs-Bosonen und Top-Quarks, den schwersten Elementarteilchen, belegen. Das bestätigt das gängige Modell und liefert wertvolle Einblicke in den Higgs-Mechanismus – den Prozess, der allen Teilchen ihre Masse verleiht.

Ohne Masse wäre das Universum ein völlig anderer Ort: Es gäbe keine Atome und keine normale Materie. Denn erst die Masse sorgt dafür, dass die Grundbausteine der Materie zusammenhalten und miteinander wechselwirken. Wie aber erhalten die Teilchen ihre Masse? Die Antwort liefert der sogenannte Higgs-Mechanismus. Nach diesem durchzieht ein Feld das Universum, das mit aller Materie wechselwirkt und ihm dadurch Masse verleiht. Je stärker dies geschieht, desto mehr Masse erhält ein Teilchen. Dass diese Theorie stimmen könnte, zeigte sich im Juni 2012, als Physiker am CERN die Entdeckung des Higgs-Bosons bekanntgaben – des Teilchens, das zum Higgs-Feld gehört. Damals jedoch war nur wenig über die Eigenschaften und das Verhalten dieses Teilchens bekannt. War dieses Boson tatsächlich das vorhergesagte Higgs, müsste es besonders stark mit sehr schweren Elementarteilchen gekoppelt sein. Bei der Erzeugung von Higgs-Bosonen im LHC müsste bei einigen Protonenkollisionen ein Higgs-Boson gemeinsam mit einem Paar aus einem Top-Quark und einem Anti-Top-Quark entstehen – so die Vorhersage.

Higgs und Top-Quarks gemeinsam

Doch dieser sogenannte ttH-Produktionsprozess ist äußerst selten und daher schwer nachzuweisen: „Nur ein Prozent der Higgs-Bosonen entstehen zusammen mit Top-Quarks“, erklärt Sandra Kortner vom Max-Planck-Institut für Physik. Weil die Top-Quarks nicht stabil sind, lässt sich dieser Prozess aber nur indirekt durch die Teilchen nachweisen, die bei ihrem Zerfall entstehen. Der ttH-Prozess hinterlässt dabei eine ausgesprochen komplexe Signatur im Detektor. Für die Beobachtung mussten daher möglichst viele Higgs-Boson-Zerfälle – in Photonen, W- und Z-Bosonen, Tau-Leptonen und Beauty-Quarks – berücksichtigt und kombiniert werden. Erste Indizien für die ttH-Produktion zeigten sich bereits im letzten Dezember im ATLAS-Experiment am LHC. Seither haben Physiker der ATLAS-Kollaboration und der CMS-Kollaboration weitere Daten ausgewertet – und sind fündig geworden.

In den Daten der beiden LHC-Detektoren zeigten sich signifikante Auffälligkeiten in den Datenkurven, wie die Forscher berichten. Die am CMS-Detektor registrierten Teilchensignaturen erreichten eine Signifikanz von gut fünf Sigma. Das gilt in der Teilchenphysik als offizielle Schwelle für einen Nachweis. Auch am ATLAS-Detektor wurden die für den ttH-Prozess vorhergesagten Teilchenmuster entdeckt – dort lag die Signifikanz sogar bei 6,2 Sigma. Damit war klar: Der ttH-Produktionsprozess existiert und damit auch die Kopplung des Higgs-Bosons an das schwere Top-Quark. „Wir sind wirklich stolz, die gemeinsame Produktion von Top-Quarks mit dem Higgs-Boson verkünden zu dürfen“, sagt Fabio Cerutti von der ATLAS-Kollaboration. „Das ist ein sehr wichtiges Ergebnis und ein echter Meilenstein der Teilchenphysik.“

Bestätigung auch fürs Standardmodell

Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt hin zu einem Verständnis des Higgs-Mechanismus – des Mechanismus, der Elementarteilchen Masse verleiht. „Die Messungen am CMS und ATLAS liefern uns starke Indizien dafür, dass das Higgs-Boson tatsächlich eine Schlüsselrolle für die große Masse des Top Quarks spielt“, erklärt Karl Jacobs, Sprecher der ATLAS-Kollaboration. Die besonders starke Kopplung des Higgs-Bosons mit schweren Teilchen ist eine der zentralen Vorhersagen des Higgs-Mechanismus. „Und dies ist nun das erste Mal, dass dieser Prozess experimentell verifiziert worden ist – und das mit überwältigender Signifikanz“, so Jacob.

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Wie die Forscher erklären, bestätigen ihre Ergebnisse auch das Standardmodell der Teilchenphysik. Denn die gemessene Stärke der Higgs-Boson-Kopplung an Top-Quarks stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. „Die Abweichungen von diesen Vorhersagen, die beispielsweise durch die Existenz neuer, unbekannter Teilchen auftreten würden, könnten allerdings erst nach präziseren Messungen mit zusätzlichen Daten aufgedeckt werden“, erklärt Kortner. Die Beobachtung der ttH-Produktion ebnet somit einen wichtigen neuen Weg zu potenziellen Entdeckungen. Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse am 4. Juni auf dem Teilchenphysik-Kongress LHCP in Bologna vorgestellt, einer der wichtigsten Tagungen auf diesem Gebiet.

Quelle: CERN

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