Higgs Higgs Hurra! - wissenschaft.de
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Higgs Higgs Hurra!

Die Weltmaschine bei Genf, der Large Hadron Collider (LHC), hat sehr wahrscheinlich das seit Langem gesuchte Higgs-Boson nachgewiesen. Damit wäre das Standardmodell der Elementarteilchen komplett. Und wie geht es weiter?

Was haben „Harry Potter“, das iPad und die moderne Teilchenphysik gemeinsam? Antwort: Vor einer Neuerscheinung bilden sich lange Schlangen. Allerdings ist Teilchenphysik weder Fantasy noch technischer Schnickschnack, obwohl die Physiker, die sie betreiben, sehr viel Fantasie brauchen – und erst recht eine einzigartige Spitzentechnologie. Mit der größten und komplexesten Maschine der Welt, dem Large Hadron Collider und seinen Detektoren unter der französisch-schweizerischen Grenze bei Genf, gelang ihnen jetzt eine wegweisende Entdeckung. Und die hatte bereits im Vorfeld für lange Warteschlangen und großes Interesse bei den Medien gesorgt.

Bereits am Abend vor dem 4. Juli 2012, an dem für 9 Uhr MESZ ein spezielles Seminar am Forschungszentrum CERN angekündigt war, harrten CERN-Mitarbeiter vor den Türen des großen Hörsaals aus. Viele hatten dort auf dem Fußboden übernachtet, um einen der begehrten Plätze zu ergattern, als gegen halb acht die Türen geöffnet wurden. Inzwischen warteten allerdings so viele, dass nur ein Teil eingelassen werden konnte. Doch die beiden angekündigten Vorträge wurden gefilmt und nicht nur in andere Hörsäle übertragen, sondern über das Internet live in die ganze Welt.

Schon vorher hatten Gerüchte kursiert und sich online rasend schnell verbreitet. Nach der exzellenten Leistung des LHC während der letzten Monate schien der Durchbruch bei der Suche nach dem Higgs-Boson nur noch eine Frage der Zeit zu sein. Und Rolf-Dieter Heuer, der Generaldirektor des CERN, hatte bereits 2011 mehrfach betont (auch im bdw-Interview 1/2012), dass bis zum Ende dieses Jahres die Existenz des ominösen Partikels entweder erhärtet oder aber widerlegt sein würde. Das Higgs-Feld, zu dem das Teilchen gehört, bewirkt dem Standardmodell der Elementarteilchen zufolge, dass Materie eine Masse hat.

Der groSSe Tag

Das mit Spannung erwartete Seminar am CERN wurde nicht zufällig auf den 4. Juli gelegt. Denn es fand unmittelbar nach der Eröffnung der größten Zusammenkunft von Teilchenphysikern in diesem Jahr statt, der 36th International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2012) im australischen Melbourne. Von dort, auf der anderen Seite des Erdballs, wurde das CERN-Seminar sehr aufmerksam verfolgt. Es war das Gesprächsthema Nummer 1 in den folgenden Tagen.

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Damit sei ICHEP 2012 die erste Physik-Konferenz, die ganze Kontinente überbrückt, sagte Heuer zur Begrüßung um 9 Uhr MESZ. „ Es zeigt, dass wir weltweit zusammenarbeiten.“ Dann wurde die mit Spannung erwartete Auswertung der Messungen von April bis Juni vorgestellt, die auf den Daten der riesigen LHC-Detektoren ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) und CMS (Compact Muon Solenoid) basierten. Und auf der intensiven Arbeit Hunderter von Physikern, die viele schlaflose Nächte investiert hatten.

Die Nadel im Heuhaufen

Die Detektoren hatten registriert, was geschieht, wenn Protonen fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen und in einem Feuerwerk zerplatzen. Es entsteht ein ganzer Reigen an Teilchen. Darunter müssten sich immer wieder Higgs-Partikel befinden – wenn das Standardmodell der Elementarteilchen stimmt. Da die Detektoren unabhängig voneinander sind und auch nicht identisch funktionieren und ausgewertet werden, kontrollieren sie sich gegenseitig.

Der LHC hat in seinen ersten Betriebsmonaten in diesem Jahr, von April bis Juni, bereits mehr Protonen-Kollisionen erzeugt als 2011 insgesamt – und das bei einer signifikant größeren Schwerpunktsenergie der Kollisionen: 8 gegenüber 7 Teraelektronenvolt. Diese enorme Leistung, zusammen mit einer effizienten weltweiten Zusammenarbeit bei der Datenauswertung, ist der Grund für die aktuellen Erfolge.

Im LHC bewegen sich Protonen mit 99,999995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit in zwei parallelen, wenige Zentimeter dicken Hochvakuum-Röhren gegenläufig im Kreis herum. Er besitzt einen Umfang von 27 Kilometern. Zurzeit flitzen in jeder Röhre 1400 „ Bündel“ aus jeweils einer Milliarde Protonen. Wo sich die Röhren kreuzen, befinden sich die LHC-Detektoren. Wenn die Protonen-Pakete aufeinander stoßen, kommt es zu über 100 Millionen Kollisionen pro Sekunde.

„Das ist, als schösse man Stricknadeln von Europa nach Amerika und umgekehrt, und die müssten sich dann über dem Atlantik treffen“, hat es Rolf Heuer einmal beschrieben. 2011 waren es bei jedem sich durchdringenden „Bündel-Paar“ durchschnittlich 10 Treffer, in diesem Jahr sind es bereits 20. Entsprechend mehr Messungen können erfolgen. Zuweilen überlagerten sich sogar bis zu 40 Kollisionsereignisse auf einmal – eine grandiose Leistung der Maschine, aber auch eine extreme Herausforderung für die Analyse.

Inzwischen hat der LHC das Standardmodell der Elementarteilchen bereits auf besser als ein Prozent genau überprüft. Die Daten stimmen glänzend mit den theoretischen Erwartungen überein. Und nachdem die Partikeljäger 1995 und 2000 das top-Quark und das Tau-Neutrino entdeckt hatten – die noch fehlenden, vom Standardmodell vorausgesagten Teilchen –, suchten sie nur noch ein einziges Stück in ihrem prächtigen Puzzle: das Higgs-Boson.

Entstehen und Vergehen

Das Standardmodell macht präzise statistische Voraussagen für die Prozesse nach den Protonen-Kollisionen bei den LHC-Energien. Aus den physikalischen Erhaltungssätzen und den bekannten „Regeln“ für Teilchenreaktionen und -umwandlungen folgt gewissermaßen eine komplizierte Buchhaltung, die den Wissenschaftlern solide Prognosen und Erklärungen liefert. Demnach sollten sich Higgs-Bosonen vor allem auf dreierlei Weise bilden:

· Gluonen-Fusion: Dabei wechselwirken zwei Gluonen, die aus den zertrümmerten Protonen frei werden beziehungsweise dabei entstehen.

· Vektorbosonen-Fusion: Hier verbinden sich zwei von Quarks abgestrahlte W- oder Z-Teilchen zu einem Higgs.

· Higgs-Strahlung: Das Higgs-Boson wird von einem W- oder Z-Teilchen emittiert. Dieser Prozess ist vergleichsweise selten – aber immer noch häufiger als beispielsweise eine Higgs-Geburt, die mit der Entstehung eines top-Quark-Antiquark-Paars verbunden ist.

Ein Higgs-Teilchen ist eine äußerst flüchtige Erscheinung. Kaum entstanden, vergeht es schon wieder. Auch dies geschieht auf unterschiedliche Weise. Physiker sprechen von Zerfallskanälen. Dabei erzeugt ein Higgs-Boson von etwa 125 Gigaelektronenvolt mit abnehmender Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit

· ein bottom-Quark und -Antiquark (58 Prozent)

· zwei W-Bosonen, wobei eines nur „virtuell“ ist (22 Prozent),

· zwei Gluonen (8,5 Prozent),

· ein Tauon-Antitauon-Paar, also schwere Geschwister von Elektron und Positron (6 Prozent),

· zwei Z-Bosonen, wobei eines nur „virtuell“ ist (2,5 Prozent),

· ein charm-Quark und -Antiquark (2,5 Prozent),

· zwei Gammaquanten, also hochenergetische Photonen (0,2 Prozent) oder

· ein Gammaquant und ein Z-Boson (0,15 Prozent).

Die Zerfallswahrscheinlichkeit hängt von der Higgs-Masse ab. Betrüge sie zum Beispiel mehr als 200 Gigaelektronenvolt, würde sich das Boson hauptsächlich in zwei W- oder Z-Teilchen umwandeln.

Der LHC ist für fünf dieser Zerfälle sensitiv: für die Gammaquanten- und Z- Bosonen-Kanäle sowie für die W-Boson-, Tauon- und bottom-Quark-Kanäle. Der Z-Kanal ist besonders „sauber“ , also wenig störungsempfindlich. Und mit den Gamma- und Z-Kanälen lässt sich die Higgs-Masse am besten ermitteln, weil Photonen sowie die Myonen und Elektronen aus den Z-Zerfällen sehr gut in den Detektoren gemessen werden können.

Riesiger Aufwand

Schon diese Fülle an Zerfällen macht deutlich: Der Nachweis des Higgs-Teilchens ist außerordentlich schwierig und erfordert einen riesigen Aufwand. Das ist nicht vergleichbar mit einem unbekannten Blümchen am Wegesrand, das man pflückt und mithilfe eines botanischen Bestimmungsbuchs identifiziert. Zwar haben auch Physiker ihre Bestimmungsschlüssel: die Voraussagen des Standardmodells und hochkomplexe Computersimulationen, ohne die die Detektor-Signale unverständlich wären. Doch damit hört die Analogie bereits auf.

Das Higgs-Teilchen lässt sich nicht einfangen oder wenigstens „ fotografieren“, denn es zerfällt praktisch sofort. Seine Halbwertszeit beträgt wohl weniger als eine Trilliardstel Sekunde. Daher kann es nur anhand seiner Zerfallsprodukte identifiziert – oder genauer: rekonstruiert – werden. Dies ist aber nicht eindeutig: Das Higgs-Boson entsteht und vergeht auf vielerlei Weisen. Das hängt von der Energie der Teilchen bei seiner Erzeugung ab, aber auch vom Zufall (Quanteneffekte ohne Ursache).

Die Forscher müssen die einzelnen Zerfallskanäle separat auswerten, dann die Daten gewichten und kombinieren. Außerdem gibt es zahlreiche andere Prozesse bei den Partikel-Kollisionen, die zum Teil ganz ähnliche Spuren im Detektor hinterlassen, sowie viele Zufallsereignisse. Das alles bildet einen sogenannten Untergrund. Diesen müssen die Physiker sehr präzise mit ihren Modellen charakterisieren und herausrechnen, um ein Higgs-Signal im Dschungel der Teilchenspuren zu erhaschen. Selbst dann können noch vertrackte statistische und systematische Fehler auftreten, die es abzuschätzen gilt.

Standing Ovations

Die Higgs-Fahndung ist also sehr anspruchsvoll. „Das ist keine Suche nach der sprichwörtlichen Stecknadel in einem Heuhaufen – sondern in sehr vielen Heuhaufen, die alle aus Stecknadeln bestehen“, veranschaulicht es Rolf Heuer. Trotz dieser Schwierigkeiten ist es seinen Kollegen nun gelungen, sich erfolgreich durch die vielen Haufen zu wühlen, also durch den Untergrund der störenden Ereignisse. Und genau darum ging es im CERN-Seminar am 4. Juli.

Zuerst trat CMS-Sprecher Joe Incandela von der University of California in Santa Barbara ans Mikrofon. Er zeigte eine vorläufige Auswertung der Daten von fünf erwarteten Higgs-Zerfallskanälen. Nur die Gamma-, W- und Z-Messungen liefern bislang ein ausreichendes Signal. Eine gewichtete Kombination aller Daten ergab eine statistische Signifikanz von 4,9 Sigma für die Existenz eines Teilchens mit einer Masse von etwa 125 Gigaelektronenvolt. Konzentriert man sich auf die Gamma- und Z- Kanäle, erhält man sogar 5,0 Sigma – das Kriterium für eine Entdeckung in der Teilchenphysik. Als Incandela diese Zahl zeigte, toste Applaus durch den CERN-Hörsaal.

Auch der Vortrag von Fabiola Gianotti direkt im Anschluss weckte Begeisterung. Die Sprecherin des ATLAS-Teams vom CERN stellte ebenfalls eine Datenanalyse der Messungen von ungefähr einer Billiarde Protonen- Kollisionen 2011 und 2012 vor. „Wir beobachten im Massenbereich um 126 Gigaelektronenvolt klare Signale eines neuen Teilchens mit einer Signifikanz von 5 Sigma“, fasste sie ihren Vortrag zusammen.

Dann übernahm Rolf Heuer wieder das Mikrofon. „Als Laie würde ich sagen: Wir haben es!“ Aufbrausender Beifall, schließlich sogar Standing Ovations – ein bedeutender Moment in der Geschichte der Teilchenphysik.

Heuers Formulierung war werbewirksam. Weltweit titelten zahlreiche Medien, das Higgs-Teilchen sei entdeckt worden. Vom strengen Standpunkt der Physik aus ist das jedoch nicht der Fall. Und das hatte auch keiner der Physiker behauptet. Heuer relativierte sofort: „Wir haben eine Entdeckung gemacht! Es ist ein Teilchen, das vereinbar ist mit dem Higgs-Boson. Wir stehen zwar erst am Anfang, doch wir dürfen sehr optimistisch sein.“ Und er betonte: „Das ist heute ein historischer Meilenstein. Es war eine globale Anstrengung, und es ist ein globaler Erfolg.“

Das gottverdammte Teilchen

Sich das Higgs-Feld gleichermaßen korrekt und anschaulich vorzustellen, ist nicht möglich. Daher schwirren viele Metaphern herum. In populären Medien wird das Higgs-Boson oft pathetisch „ Gottesteilchen“ genannt. Der Begriff geht auf Leon Lederman zurück, einen der Entdecker des Myon-Neutrinos (und des bottom-Quarks), wofür er 1988 den Physik-Nobelpreis erhielt. „The God Particle“ heißt der Titel seines populärwissenschaftlichen Buchs, das er 1993 mit dem Journalisten Dick Teresi veröffentlichte. Allerdings hatte Lederman das Higgs-Boson „ goddamn particle“ genannt, weil sein Nachweis so schwierig ist. Religiöse Ansichten wollte er damit nicht zum Ausdruck bringen. Sein Verlag fand das Wort „Gottesteilchen“ freilich viel verkaufsträchtiger und änderte Ledermans Buchtitel-Vorschlag entsprechend.

Die Bezeichnung „Gottesteilchen“ ist sehr irreführend. Falls Gott die Welt geschaffen hat, wären ja alle Partikel „ Gottesteilchen“. Peter Higgs von der University of Edingburgh, der die Existenz des Teilchens 1964 voraussagte, wehrt sich gegen das Wort genauso wie die meisten seiner Kollegen. Zum einen ist er Atheist, zum anderen fürchtet er, der Begriff „Gottesteilchen“ könnte religiöse Menschen beleidigen.

Andere Metaphern versuchen das Feld mit Wasser oder Honig zu veranschaulichen: Je stärker ein Teilchen in diesem Feld abgebremst wird, desto mehr Masse gewinnt es. Der frühere Leiter der Theorie-Abteilung am CERN, John Ellis, hat das Higgs-Feld mit einer Schneelandschaft verglichen: Lichtschnelle Partikel flitzen wie Skifahrer ungehindert über die Oberfläche, während langsamere, massereiche Teilchen in den Schnee einsinken wie Wanderer. Higgs-Bosonen wären in diesem Bild gewissermaßen einzelne aufblitzende Schneekristalle.

Rolf Heuer hat diese Metapher einmal aufgegriffen, um die besondere Herausforderung des Higgs-Nachweises zu veranschaulichen: „Das ist, als wolle man die Form einer Schneeflocke in einem Schneesturm vor dem Hintergrund eines riesigen Schneefelds bestimmen.“

So anschaulich diese Analogien auch sein mögen, sie hinken wie jeder Vergleich. Das Higgs-Feld bremst Teilchen nicht ab, und es ist für alle physikalischen Bezugssysteme gleich im Sinn der Speziellen Relativitätstheorie – was für Honig-, Wasser-, oder Schneemassen keineswegs gilt.

„Die Reise ist noch nicht zu Ende“

In einer knapp einstündigen Pressekonferenz im Anschluss an die CERN-Seminar-Vorträge stellten sich Heuer, Incandela, Gianotti und die CERN-Direktoren Sergio Bertolucci und Stephen Myers den Fragen der Journalisten. „Es wurde ein neues Teilchen entdeckt, wahrscheinlich das Higgs-Boson“, betonte Heuer noch einmal. „Ich denke, wir haben den letzten fehlenden Baustein des Standardmodells gefunden. Aber die Reise ist noch nicht zu Ende.“

Auch die offizielle CERN-Pressemitteilung sprach lediglich von der Beobachtung „eines Teilchens, das vereinbar ist mit dem langgesuchten Higgs-Boson“. Die Pressemitteilungen von ATLAS und CMS sind genauso vorsichtig formuliert.

Am 31. Juli reichten die ATLAS- und CMS-Teams dann ihre weiter verfeinerten und ergänzten Auswertungen bei der Fachzeitschrift Physics Letters B ein, wo sie bereits zwei Wochen nach der Begutachtung angenommen und am 17. September publiziert wurden. Die Autoren betonen, dass bei allen noch bestehenden Unsicherheiten und offenen Fragen sowie den Unterschieden der einzelnen Messresultate die Daten „vereinbar sind mit der Produktion und dem Zerfall des Standardmodell-Higgs-Teilchens“. Das zeigte sich in beiden Detektoren besonders in den Kanälen, in denen sich das Higgs entweder in zwei Photonen umwandelte oder in zwei Z-Teilchen, die dann weiter in Elektronen und Myonen zerfielen.

„Bei ATLAS wurde neben den Photon- und Z-Kanälen inzwischen auch noch der W-Kanal ausgewertet. Dadurch ist die Signifikanz auf 5,9 Sigma gestiegen“, sagt Sandra Kortner vom Max-Planck-Institut für Physik in München, die zusammen mit Eilam Gross vom Weizmann-Institut im israelischen Rehovot das ATLAS-Higgs-Suchteam koordiniert. Sie ist auch eine der acht Hauptautoren des 29-seitigen Berichts, von dem allein 12 Seiten die 2931 Wissenschaftler und ihre Institute auflisten – Teilchenphysik ist eben ein gewaltiges Gemeinschaftsunternehmen. Die Masse des neuen Teilchens wird in der Publikation mit 126,0 Gigaelektronenvolt plus/minus 0,4 Gigaelektronenvolt statistische und systematische Unsicherheit angegeben.

Bei CMS ergab die Auswertung bereits aller fünf Zerfallskanäle den Nachweis des neuen Bosons mit 5,0 Sigma. Seine Masse beträgt demnach 125,3 Gigaelektronenvolt, die statistische und systematische Unsicherheit jeweils etwa plus/minus 0,5 Gigaelektronenvolt.

Unterstützung aus den USA

Ende Juli wurde die erste Gesamtanalyse der Tevatron-Daten publiziert. Dieser Teilchenbeschleuniger des Fermilab in Batavia bei Chicago war vor dem LHC der leistungsfähigste Beschleunigerring der Welt. In ihm wurden Protonen und Antiprotonen mit bis zu 1,96 Teraelektronenvolt aufeinander geschossen.

Die Hoffnung vor allem der amerikanischen Physiker, das Higgs-Teilchen hier noch vor dem LHC zu finden, erfüllte sich nicht. Aber die jüngste Datenauswertung, die die Messungen beider Tevatron-Detektoren – CDF (Collider Detector at Fermilab) und DØ (sprich: „D Zero“) – kombiniert, gibt immerhin einen guten Hinweis. Mit 3,1 Sigma Wahrscheinlichkeit (etwa 99,8 Prozent) wurde das Higgs-Boson in einem Bereich von 120 bis 135 Gigaelektronenvolt erspäht. Der vom LHC favorisierte Wert von 125 Gigaelektronenvolt hat 2,8 Sigma. Die Wissenschaftler schätzen, dass sie etwa 150 Higgs-Signale unter fast 10 000 Untergrund-Ereignissen gemessen haben. Weil unter den Bedingungen des Tevatron-Experiments die Higgs-Teilchen eher in bottom-Quarks und -Antiquarks zerfallen als beim LHC, stützen die Tevatron-Resultate die LHC-Ergebnisse, und sind teilweise auch komplementär zu diesen. Für sich allein genommen reichen sie jedoch nicht für eine Entdeckung aus.

Glanzlicht und etwas ganz Neues

Praktische Anwendungen hat der Higgs-Nachweis nicht. „Auch wenn das Teilchen das Higgs-Boson ist, wird es nicht dazu beitragen, Krankheiten zu heilen oder die Technologie zu verbessern. Die Entdeckung füllt eine Lücke in unserem Verständnis der Naturgesetze der Materie und wirft ein Licht auf die Vorgänge im frühen Universum“, kommentierte Steven Weinberg von der University of Texas in Austin. 1967 hatte seine Arbeit zur Vereinheitlichung der elektromagnetischen und schwachen Kraft den Higgs-Mechanismus integriert und erst richtig salonfähig gemacht. Dafür erhielt er 1979 den Nobelpreis. „Es ist wunderbar, dass sich so viele Menschen für diese Art von Wissenschaft interessieren und als ehrenvolles Glanzlicht unserer Zivilisation betrachten“, sagte er.

Tatsächlich eröffnet die Entdeckung des Higgs-Teilchens Einsicht in einen grundlegenden Entwicklungsschritt des Universums, ohne den wir nicht existieren könnten. Denn vor der „ elektroschwachen Symmetriebrechung“, bei der der Higgs-Mechanismus in Gang kam, waren aller Teilchen im Universum masselos und lichtschnell.

Außerdem: Wenn das am CERN erzeugte neue Boson wirklich das Higgs-Teilchen ist, dann hätten Physiker zum ersten Mal ein fundamentales Skalarfeld nachgewiesen, also ein Feld, das nicht mit richtungsweisenden Vektoren beschrieben wird, sondern nur mit Werten im Raum – ähnlich wie die Temperaturverteilung in einem Zimmer. Alle sonst bekannten Felder, etwa das elektromagnetische, haben solche Vektoren-Größen.

„Das Higgs ist weder Materie noch Kraft, es ist etwas anderes“ , betont Heuer. Denn als skalares Feld hat es keinen Spin – also keine Eigenrotation. Somit wäre der Nachweis des Higgs-Bosons mehr als bloß der eines weiteren Partikels im Teilchenzoo. Als fundamentales Skalar könnte es ein neues Refugium der Physik erschließen und hätte sogar eine geradezu kosmische Tragweite. „ Warum sollte das Higgs-Teilchen das einzige Teilchen seiner Art sein?“, fragt Heuer. „Wie das Higgs-Feld könnten auch andere Skalarfelder das ganze Universum durchziehen.“

Tatsächlich gehen viele Kosmologen von der Existenz weiterer Skalarfelder aus:

· der Quintessenz, die eine Erklärung für die ominöse Dunkle Energie ist, die als Ursache für die anscheinend beschleunigte Ausdehnung des Weltraums favorisiert wird (bild der wissenschaft 7/2001, „Die mysteriöse Dunkle Energie“),

· des Inflatons, das für die jähe, exponentielle Expansion des sehr frühen Universums kurz nach oder sogar vor dem Urknall gesorgt haben soll (bild der wissenschaft 12/2001, „Modell Klassik“)

· diverser Felder, etwa des Dilatons, die sich unvermeidlich aus der Stringtheorie ergeben – des besten Kandidaten für eine vereinheitliche Theorie aller Naturkräfte und Materieformen.

„Der LHC kann nach Skalaren suchen und sie untersuchen“, sagt Heuer. Er hofft, dass dies „der erste Schritt zum Verständnis der Dunklen Energie“ ist.

Wie geht es weiter?

Die nächsten Schritte der Higgs-Forscher sind klar. Sie müssen nun die Eigenschaften des neuen Bosons so genau wie möglich messen. Nur dadurch lässt sich nachweisen, ob es wirklich das Higgs-Teilchen ist. Stimmt die Art und Häufigkeit der Zerfälle des Teilchens mit den Voraussagen des Standardmodells überein? Tritt es umso stärker mit anderen Partikeln in Wechselwirkung, desto größer deren Masse ist? Hat das Boson den Spin Null?

Die bisherigen Daten erlauben ein vorsichtiges „Ja“ als Antwort auf alle drei Fragen und stützen somit die Hypothese der Higgs-Entdeckung. Wenn sie sich nicht erhärten, sondern signifikante Abweichungen zum Vorschein kommen, könnte das schon in einigen Monaten deutlich werden. Ansonsten wird es wohl noch Jahre dauern, bis die Messungen genau genug sind. „Eine Spin-Messung beispielsweise wird auf Grundlage der kompletten Daten-Basis bis Ende 2012 im günstigsten Fall etwa 3 Sigma erreichen“, sagt Sandra Kortner. „Auch die Zerfallshäufigkeiten und andere Eigenschaften müssen wir noch viel genauer messen. Dafür werden wir noch ein paar Jahre brauchen.“ Sie schätzt, dass bislang in ATLAS und CMS rund 1000 der neuen Bosonen beobachtet wurden – viel zu wenig, um genaue Aussagen zu machen. Doch der erste Schritt, die Entdeckung, ist gemacht.

Thomas Müller, Physik-Professor am Institut für Experimentelle Kernphysik am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) und Mitglied des CMS-Teams, ist zuversichtlich: „Ich habe schon vor Jahren ein Monatsgehalt gewettet, dass das Standardmodell-Higgs in diesem Massenbereich existiert. Es passt einfach alles so gut zusammen. Die Natur scheint wenig Fantasie zu haben.“

Zwei Monate Verlängerung

„Hochinteressant wäre es auch, das Higgs-Potenzial selbst auszumessen“, meint Müller. „Das betrifft die Selbstkopplung des Teilchens. Man kann sie in Ereignissen studieren, bei denen ein virtuelles Higgs-Boson erzeugt wurde, das ein reelles Higgs abgestrahlt hat. Aber das kann der LHC nicht herausfinden, dazu brauchen wir einen neuen Beschleuniger.“

Die nächsten Monate werden also von akribischen Datenauswertungen, neuen Modellrechnungen und vor allem weiteren Messungen geprägt sein. Am 3. Juli wurde am CERN die Entscheidung gefällt, den LHC noch gut zwei Monate länger als bislang geplant bei 8 Teraelektronenvolt laufen zu lassen.

Vorgesehen ist nun, bis zum 17. Dezember Protonen aufeinander zu schießen. Anschließend werden noch bis Februar 2013 Blei-Kerne zur Kollision gebracht, um das dabei entstehende Quark-Gluon-Plasma weiter zu erforschen – den Materie-Zustand des Universums weniger als eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall (bild der wissenschaft 2/2009, „Als der Weltraum flüssig war“ ).

Dann wird der LHC planmäßig für knapp zwei Jahre abgeschaltet, um ihn zu warten, zu überholen und für die Energie von 14 Teraelektronenvolt fit zu machen, für die er konzipiert ist. „Wir wollen noch so viele Daten wie möglich gewinnen, aber dann braucht der LHC eine Pause“, sagt Rolf Heuer. In dieser Zeit haben die Techniker die Hauptarbeit – doch die Datenauswertung und -interpretation wird weitergehen. Fortsetzung folgt. ■

RÜDIGER VAAS, bdw-Physik-Redakteur, hat die „Innereien“ der LHC-Detektoren bestaunt, bevor die spannende Teilchensuche begann.

von Rüdiger Vaas

Das Standardmodell der Elementarteilchen

Die bekannte Materie besteht aus Quarks und Leptonen. Quarks bilden zum Beispiel Protonen und Neutronen, die Bausteine der Atomkerne. Von den Leptonen ist das Elektron am wichtigsten. Es hat noch zwei massereichere Geschwister, Myon und Tauon, sowie drei Neffen, die Neutrinos. Jedes Quark und Lepton besitzt außerdem ein Gegenstück aus Antimaterie. Es gibt also sechs Antiquarks, drei Antineutrinos sowie das Antielektron, -myon und -tauon. Die Kräfte zwischen Teilchen oder Antiteilchen werden von Eichbosonen übertragen: die starke Wechselwirkung von Gluonen, die schwache von W- und Z-Teilchen und die elektromagnetische von Photonen. Der letzte Baustein im Standardmodell ist das Higgs-Boson, das Quant des Higgs-Felds. Elementarteilchen, die mit diesem Feld wechselwirken, erhalten dabei ihre Masse.

Konsistente Kopplung

Wenn das neu entdeckte Teilchen ein Higgs-Boson mit einer Masse von etwa 125 Gigaelektronenvolt ist, dann wird seine Wechselwirkung mit anderen Partikeln proportional zu deren Masse stärker. Das ist eine klare Voraussage des Standardmodells der Elementarteilchen (rote Linie). Die ersten Messungen dieser Kopplungsstärken stimmen damit überein. Allerdings ist die statistische Unsicherheit noch sehr groß. (Die Fehlerbalken markieren 1-Sigma-Standardabweichungen, also eine 32-Prozent-Chance für eine zufällige Übereinstimmung.)

Gut zu wissen: Standardabweichung und Sigma

Sigma ist das Symbol für die Standardabweichung in Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung. Dieses Maß für die Streuung der Werte einer Zufallsvariablen wurde 1860 von dem Briten Francis Galton eingeführt. Es hat sich in der Physik bewährt, die Schwelle einer Entdeckung sehr hoch anzusetzen, um zufällige Datenausreißer möglichst auszuschließen. Es besteht die Konvention, bei Effekten ab 3 Sigma (0,15 Prozent) von einem „ Hinweis“ zu sprechen und erst ab 5 Sigma (0,00003 Prozent oder 1 zu 3,3 Millionen) von einer „Entdeckung“. Das ist nicht umkehrbar: Ein 5-Sigma-Nachweis heißt nicht, dass mit 99,99997 Prozent Wahrscheinlichkeit ein neues – oder gar ein bestimmtes – Teilchen vorliegt! Die Standardabweichung sagt nur etwas über statistische Fluktuationen der Messungen aus, nicht über den gesuchten Effekt selbst.

Kompakt

· Am Forschungszentrum CERN bei Genf wurde ein neues Teilchen entdeckt, das eine Masse von rund 125 Gigaelektronenvolt hat – so viel wie ein Iod-Atom.

· Es ist wahrscheinlich das Higgs-Boson, dessen Existenz 1964 vorausgesagt wurde.

· Die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld gibt Elementarteilchen ihre Ruhemasse.

Der Higgs-Mechanismus

In den modernen Quantenfeldtheorien spielen Symmetrien und spontane Symmetriebrechungen eine entscheidende Rolle. Symmetrische Zustände sind einfach, aber oft instabil. Dies trifft auch für das Higgs-Feld zu. Mathematisch lässt sich sein Potenzial ähnlich beschreiben wie die Form eines Sombrero-Huts.

Kurz nach dem Urknall hatte das Feld, das den ganzen Weltraum durchzieht, einen symmetrischen Zustand. Das lässt sich mit einer Kugel veranschaulichen, die auf dem „Gipfel“ (lokales Maximum) des Higgs-Potenzials ruht, sodass alle Richtungen gleichberechtigt sind. Als sich das All abkühlte, spaltete sich die elektroschwache Kraft auf in die beiden seither getrennten Kräfte des Elektromagnetismus und der schwachen Wechselwirkung. Zuvor waren alle Elementarteilchen masselos. Doch von nun an konnten viele Teilchen-Arten mit dem Higgs-Feld wechselwirken und erhielten dabei ihre Masse. Dieser Phasenübergang lässt sich durch das Hinabrollen der Kugel in die energieärmere Rinne an irgendeiner Stelle des Potenzials beschreiben (Symmetriebrechung). Wird das Feld dann angeregt, schwingt die Kugel dort hin und her. Diese Oszillationen entsprechen dem massereichen Higgs-Boson.

Der Higgs-Mechanismus erzeugt also die Masse der Elementarteilchen. Doch rund 99 Prozent der Masse eines Atomkerns ist nicht die Summe der Quark-Massen, sondern entsteht durch die Bindungsenergie zwischen den Quarks.

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Phthal|säu|re  〈f. 19; unz.; Chem.〉 eine aromat. Dikarbonsäure, die aus Naphthalin durch Oxidation mit Luftsauerstoff hergestellt u. zur Farbstoffgewinnung sowie als Weichmacher für PVC verwendet wird [→ Naphthalin ... mehr

Wirk|leit|wert  〈m. 1; El.〉 = Konduktanz

schei|den  〈V. 207〉 I 〈V. t.; hat〉 trennen, zerlegen, teilen, lösen ● eine Ehe ~; Erzevom tauben Gestein trennen; ... mehr

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