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Astronomie|Physik

Zehn Jahre Higgs-Boson

Higgs-Boson
Diese Teilchenspuren verraten die Präsenz eines Higgs-Bosons im CMS-Detektor des LHC. © CERN/ CMS Collaboration

Am 4. Juli 2012 – vor zehn Jahren – verkündeten Physiker am Forschungszentrum CERN bei Genf eine bahnbrechende Entdeckung: Durch Kollisionen im Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) hatten sie das lange gesuchte Higgs-Boson nachgewiesen – das Teilchen, das allem seine Masse verleiht. Die Existenz dieses Elementarteilchens und seines Felds bestätigte eine Theorie, die rund 50 Jahre zuvor von mehreren Physikern aufgestellt worden war – und die einige fundamentale Fragen der Teilchenphysik beantwortete. In den letzten zehn Jahren haben Physiker einiges über das Higgs und seine Interaktionen dazugelernt, dennoch sind einige grundlegende Fragen zu diesem Teilchen und seiner Wirkung noch immer offen.

Ohne Masse wäre das Universum ein völlig anderer Ort und unsere Welt gäbe es vermutlich gar nicht. Erst die Masse und die mit ihr verbundenen Wechselwirkungen von Elementarteilchen wie Quarks und Elektronen ermöglichen die Bildung von Materie. Doch woher bekommen diese Elementarteilchen ihre Masse? Das Standardmodell der Teilchenphysik – die Basis unseres physikalischen Weltbilds – lieferte darauf lange Zeit keine Antwort. Ebenfalls offen war die Frage, warum die Trägerteilchen der schwachen Kernkraft, die W- und Z-Bosonen, anders als alle anderen Träger der Grundkräfte eine Masse besitzen. Auf eine mögliche Lösung dieser Fragen kamen erst Anfang der 1960er Jahre mehrere theoretische Physiker – unter ihnen Robert Brout und Francois Englert in Belgien und Peter Higgs in Großbritannien. Unabhängig voneinander kamen sie zu der Erkenntnis, dass ein das gesamte Universum durchziehendes, unsichtbares Feld das Problem lösen könnte. Dieses heute als Higgs-Feld bezeichnete Skalarfeld kann, so die Theorie, mit materiebildenden Teilchen sowie den W- und Z-Bosonen interagieren und ihnen dadurch ihre Masse verleihen.

In einer bekannten Analogie vergleicht der britische Physiker David Miller diesen Brout-Englert-Higgs-Mechanismus mit einer Cocktail-Party. Betritt eine bedeutende Persönlichkeit den Raum, sammelt sich schnell eine Traube anderer Gäste um ihn. Der Prominente kann sich vor lauter Menschen kaum mehr vorwärtsbewegen – ähnlich einem Teilchen mit hoher Masse, das nur mit viel Energie beschleunigt werden kann. Wenn es dieses Higgs-Feld gibt, dann müsste es sich der Theorie zufolge zudem durch ein Teilchen manifestieren, dem Higgs-Boson. „Was könnte das Standardmodell besser mit den Messdaten versöhnen als dieses? Wenn es kein Higgs-Boson gibt, dann ergibt die ganze Theorie keinen Sinn“, konstatierte Peter Higgs im Jahr 2004. Die Suche nach diesem Teilchen gestaltete sich allerdings langwierig und schwierig – unter anderem, weil Physiker nicht wussten, bei welchen Energien sie nach dem Higgs-Boson suchen sollten.

Ein Meilenstein der Physik…

Am 4. Juli 2012 war es dann endlich soweit: Am Forschungszentrum CERN verkündeten Wissenschaftler das lange ersehnte Ergebnis: An den beiden großen Detektoren des Teilchenbeschleunigers LHC, ATLAS und CMS, hatte man unabhängig voneinander das eindeutige Signal des Higgs-Bosons nachgewiesen. Dieses hatte den Daten zufolge eine Masse von 125 Gigaelektronenvolt. Das passte perfekt zu dem Massenbereich, in dem man aufgrund von früheren Fahndungen das Higgs-Boson vermutete. Nachweisbar war dies jeweils an einem „Buckel“ in der Kurve der Zerfallsprodukte, erzeugt von den beim Higgs-Zerfall freigesetzten Photonenpaaren beziehungsweise Z-Bosonen. Beide Ergebnisse erreichten eine Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen und erfüllten damit die Voraussetzung für die offizielle Entdeckung eines Teilchens. „Die Entdeckung des Higgs-Bosons war ein monumentaler Meilenstein der Teilchenphysik“, sagt Fabiola Gianotti, Generaldirektorin des CERN. „Sie markierte das Ende einer jahrzehntelangen Suche und den Beginn einer neuen Ära der Erforschung dieses speziellen Teilchens.“ 2013 erhielten Francois Englert und Peter Higgs dafür den Nobelpreis für Physik als die beiden noch lebenden Vertreter der theoretischen Physiker, die den Higgs-Mechanismus und das Higgs-Boson vorhergesagt hatten.

Inzwischen sind zehn Jahre vergangen, in denen Wissenschaftler vor allem am LHC das Verhalten und die Eigenschaften des Higgs-Bosons weiter erforscht haben. Eine der entscheidenden Fragen war dabei, ob dieses neu entdeckte Teilchen auch in der theoretisch vorhergesagten Weise mit anderen Teilchen wechselwirkt. Beim Nachweis des Higgs hatte man anhand der Zerfälle bereits festgestellt, dass es eine solche Interaktion mit anderen Kraftteilchen wie Photonen und W- und Z-Bosonen gibt. 2016 gelang es dann, erstmals auch die sogenannte Yukawa-Interaktion, die Kopplung des Higgs an materiebildende Teilchen wie Quarks und Leptonen, nachzuweisen. Und noch eine Vorhersage erfüllte sich: Der Theorie zufolge müsste die Kopplung des Higgs-Bosons an sehr schwere Elementarteilchen wie das Top-Quark am stärksten sein – erst so bekommen diese ihre große Masse. 2018 wiesen die Physiker am CERN diese starke Kopplung an das Top-Quark nach. „Dieser Nachweis ist ein Meilenstein in der Erforschung des Higgs-Bosons“, konstatierte der Sprecher der ATLAS-Kollaboration, Karl Jakobs. „Wir haben damit nun alle Kopplungen des Higgs-Bosons mit den schweren Quarks und Leptonen der dritten Generation beobachtet und auch alle wichtigen Erzeugungsarten dieses Teilchens.“

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…und viele offene Fragen

Doch damit sind noch lange nicht alle Fragen zum Higgs-Boson geklärt. „In vieler Hinsicht steckt die experimentelle Erforschung des Higgs-Sektors noch in den Kinderschuhen“, erklären Gavin Salam von der University of Oxford und seine Kollegen in einem „Nature“-Kommentar. So ist beispielsweise noch kaum untersucht, ob und wie das Higgs-Boson an leichtere Elementarteilchen und an Teilchen der sogenannten zweiten Generation der Fermionen koppelt, darunter das Myon, der schwerere „Bruder“ des Elektrons. Und auch zum Higgs-Boson selbst sind einige Fragen offen. So ist unklar, ob dieses Teilchen mit sich selbst interagieren kann. Wenn diese sogenannte Tripel-Kopplung existiert, könnten ihre Häufigkeit und die Energien, bei denen sie auftritt, Aufschluss darüber geben, ob das Higgs-Feld den Vorhersagen des Standardmodells folgt oder ob es Raum für „neue Physik“ in Form unerkannter Teilchen oder Kräfte gibt. Offen ist auch, ob das Higgs-Boson wirklich ein unteilbares, echtes Elementarteilchen ist oder aus anderen, noch unerkannten Teilchen zusammengesetzt ist.

Die vielen noch offenen Fragen zum Higgs-Boson sind zudem eng mit einigen der größten Rätsel der Physik verknüpft – der Dunklen Materie, der Dominanz von Materie über Antimaterie oder der Frage, ob es kurz nach dem Urknall eine Phase extrem schneller Ausdehnung, die sogenannte kosmische Inflation gab. „Auch wenn das Standardmodell bisher alle experimentellen Tests bestanden hat, lässt es solche grundlegenden Fragen offen“, erklären Salam und seine Kollegen. „Das Higgs-Boson ist in unterschiedlichem Maße mit potenziellen Lösungen dieser Rätsel verknüpft.“ Zumindest einige Antworten auf diese Fragen erhoffen sich die Physiker von der am 5. Juli 2022 beginnenden dritten Laufzeit des LHC am CERN. Denn ihre noch energiereicheren Kollisionen und die noch weiter optimierte Sensitivität der Detektoren liefern auch neue Möglichkeiten für die Untersuchung des Higgs und seiner Zerfälle. „Wir werden die Stärke der Interaktionen des Higgs-Bosons mit Materie- und Kraftteilchen mit zuvor unerreichter Präzision messen und auch die Suche nach einem Zerfall des Higgs-Bosons in Teilchen der Dunklen Materie und nach weiteren Varianten des Higgs-Bosons fortsetzen“, sagt Andreas Hoecker, Sprecher der ATLAS-Kollaboration.

Quelle: CERN, Gavin Salam (University of Oxford, UK) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-022-04899-4

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Kern|spin|to|mo|gra|phie  〈f. 19; unz.; Med.〉 = Kernspintomografie

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