Simulation eines Zerfalls des Higgs-Teilchens im CMS-Detektor; Quelle: CERN

Der lange Weg zum Higgs-Teilchen

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen zwar sehr erfolgreich. Einer Antwort darauf, woher die Teilchen ihre Masse beziehen, bleibt es aber schuldig. 1964 schlugen Wissenschaftler einen Mechanismus vor, nach dem ein bislang hypothetisches Elementarteilchen diese Aufgabe erfüllt. Wird diese fast fünfzig Jahre alte Idee bald Realität?

Das gesamte Universum ist mit einem Gelee gefüllt, in das die Elementarteilchen eingebettet sind und so ihre Masse erhalten. Dies ist die Essenz des Higgs-Mechanismus. Nach dem Higgs-Teilchen, dem sichtbaren Ausdruck dieser rund fünfzig Jahre alten Idee, wird intensiv gesucht. Denn während alle anderen Bausteine des Standardmodells, dem theoretischen Unterbau der Teilchenphysik, bereits gefunden und genau untersucht sind, bleibt das Higgs-Teilchen bisher verborgen. 

Seit Jahrzehnten werden neue Teilchenbeschleuniger gebaut, auf deren Agenda auch die Suche nach dem Higgs steht. Der leistungsstärkste unter ihnen ist der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik CERN in Genf, der vor etwa zwei Jahren seinen Betrieb aufnahm. Die nun bekannt gewordenen Daten nähren die Hoffnung, dass das Higgs-Teilchen bei einer Masse von ungefähr 125 GeV/c² entdeckt ist – das Teilchen wäre damit so schwer wie ein Cäsiumatom.

Das Rauschen des LHC

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen ähnelt der Suche nach einem Sender im Autoradio. Wenn man es einschaltet, hört man zunächst nur Rauschen. Erst mit dem Durchfahren der Frequenzen ergibt sich allmählich ein Ton, der umso klarer klingt, je genauer eine ausgestrahlte Frequenz eingestellt wird. Hier – wie auch bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen – gibt es stärkere und schwächere Signale.

Tunnel des LHC
Tunnel des LHC

So fällt das Radiosignal beispielsweise schwächer aus, wenn man sich weit entfernt von einem Sendemast aufhält. Natürlich hängt der Empfang eines Senders auch davon ab, in welchem Frequenzband die Radiostation sendet. Strahlt der Deutschlandfunk zum Beispiel nur auf UKW aus, nützt ein Langwellenradio nichts. Bildlich gesprochen haben die bisherigen Beschleuniger einfach noch nicht die Frequenzen erreicht, in denen der „Radiosender Higgs“ sendet. Erst der LHC kann das gesamte verbleibende Frequenzband abdecken. 

Was für den Radioempfang die Frequenz, ist für Teilchenphysiker die Masse: Bei einer bestimmten Masse sollten mehr Ereignisse zu sehen sein, als vom Rauschen allein erwartet. Bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen ist das Rauschen allerdings um Größenordnungen stärker als im Radio. Denn im LHC finden pro Sekunde vierzig Millionen Kollisionen statt, bei denen jeweils zwei Protonensalven aufeinanderprallen. Insgesamt haben die großen LHC-Experimente ATLAS und CMS bisher Daten in einem Zeitraum von etwa zehn Millionen Sekunden aufgenommen. Aus dieser riesigen Datenmenge extrahierten die Wissenschaftler jeweils etwa 4,5 Billionen interessante Kollisionen. Diese Billionen Ereignisse stellen das Rauschen dar, aus dem das erwartete Signal von nur 200.000 Higgs-Teilchen herausgefiltert werden muss. Eine Nadel im Heuhaufen! 

Immerhin erleichtern theoretische Vorhersagen die Suche nach dem Higgs-Teilchen: Abgesehen von der Masse, sind seine Eigenschaften ganz genau bekannt. Tatsächlich ist das Higgs nicht stabil, sondern zerfällt innerhalb eines winzigen Sekundenbruchteils. Was gemessen werden kann, sind die Überbleibsel, also seine Zerfallsprodukte. So wie sich ein Fluss, bevor er ins Meer mündet, in verschiedene Läufe aufspaltet, die unterschiedliche Mengen an Wasser führen, zerfällt das Higgs in unterschiedlichem Maße in verschiedene andere Teilchen. Das Standardmodell legt für das Higgs-Teilchen sowohl Zerfallswege als auch deren Stärken genau fest.

Wie sieht ein Higgs-Teilchen im Experiment aus?

Higgs-Teilchen zerfallen in die grundlegenden Materiebausteine, wie beispielsweise in Quarks oder die massereichen Träger der schwachen Wechselwirkung, die sogenannten W- und Z-Bosonen. Wöge das Higgs beispielsweise 125 GeV/c², so würden in 50 Prozent der Zerfälle zwei schwere Bottom-Quarks erzeugt, in 25 Prozent ein Paar W-Bosonen und in drei Prozent ein Paar Z-Bosonen. Diese Elementarteilchen zerfallen dann innerhalb kürzester Zeit in stabile Teilchen wie Elektronen, Myonen, Neutrinos oder Hadronen. Neben diesen Prozessen gibt es auch den Zerfall in zwei stabile Photonen, in die aber nur 0,2 Prozent aller Higgs-Teilchen zerfallen. Dies sind die wichtigsten Zerfälle, nach denen am LHC momentan gesucht wird. 

Das Vorgehen der Physiker lässt sich wieder mit der Sendersuche im Autoradio vergleichen: Je genauer die Frequenz des Empfängers mit der des Radiosenders übereinstimmt, desto besser ist dieser zu empfangen. Entsprechend gilt: Je genauer die Masse des Higgs gemessen wird, desto deutlicher der Kontrast gegenüber dem Rauschen. Dies erfordert eine genaue Vermessung der Zerfallsprodukte.  

Proton-Proton-Kollision im CMS-Detektor
Proton-Proton-Kollision im CMS-Detektor

Im Gegensatz zu einem Autoradio ist ein Digitalradio fast rauschfrei. Hierin wird das Rauschen mit speziellen Verfahren weitgehend unterdrückt. Auch bei der Suche nach dem Higgs setzen die Wissenschaftler verschiedene Verfahren zur Rauschunterdrückung ein und erzielen für die gesuchten Zerfallskanäle recht unterschiedliche Erfolge.

Auch wenn das Higgs-Teilchen vorrangig in Bottom-Quarks zerfällt, ist dies ein schwieriger Kanal. Denn am LHC werden riesige Mengen an Bottom-Quarks produziert – das Rauschen ist also gewaltig. Hinzu kommt, dass die Masse dieser Elementarteilchen nicht präzise bestimmt werden kann, und der „Higgs-Sender“ sich deswegen nicht stark aus dem Rauschen hervorhebt.

Ganz anders der „goldene“ Zerfall, in dem das Higgs in zwei Z-Teilchen zerfällt, die wiederum in jeweils zwei Elektronen oder deren schwere Pendants, die Myonen, zerfallen. Diese Teilchen treten in den „normalen“ LHC-Kollisionen vergleichsweise selten auf, weshalb sich die Masse des Higgs über diesen Zerfall präzise bestimmen lässt. Der Preis des sehr klaren Signals ist allerdings, dass von den ursprünglich 200.000 gerade einmal 20 Higgs-Teilchen übrig bleiben. 

Um beispielsweise den Zerfall des Higgs über zwei Z-Teilchen in vier Elektronen nachzuweisen, suchen die Physiker am CERN in ihren Detektoren nach den charakteristischen Spuren der beteiligten Elektronen. Auch wenn Elektronen diejenigen Teilchen sind, die sich am LHC fast am leichtesten identifizieren lassen, ist ein erheblicher Aufwand nötig: Sie müssen aus rund tausend anderen Teilchen herausgefiltert werden, die bei jeder Kollision der Protonenbündel produziert werden. Die Wissenschaftler verwenden deshalb hoch präzise Nachweisgeräte sowie ausgefeilte Algorithmen, die die Informationen aller Detektorteile kombinieren. Darüber hinaus überprüfen sie kontinuierlich die Güte der aufgenommenen Daten.  

Experimente am LHC

Wie eine Zwiebel bestehen die Experimente am LHC aus Schalen verschiedener Detektoren. Jede dieser Zwiebelschalen ist jeweils für den Nachweis einer bestimmten Teilchenart optimiert. Die wesentlichen Hinweise für die Suche nach den charakteristischen Elektronen kommen vom Spurdetektor – dem innersten Teil des Experiments – sowie vom Kalorimeter, das sich weiter außen befindet. Beide Detektoren bestimmen die Energie der betreffenden Teilchen nicht nur sehr genau, sondern liefern auch zusätzliche, sich ergänzende Informationen. 

Teilchenspuren im ATLAS-Detektor
Teilchenspuren im ATLAS-Detektor

Der Spurdetektor misst nur Teilchen, die eine elektrische Ladung tragen. Allerdings sieht ein Elektron dabei (fast) so aus wie jedes andere geladene Teilchen. Im Gegensatz dazu unterscheidet das Kalorimeter nicht zwischen geladenen und ungeladenen Teilchen. So gleicht darin ein neutrales Photon nahezu einem Elektron. Beide Teilchen hinterlassen Signale, deren Ort die Forscher auf wenige Millimeter genau bestimmen können. Glücklicherweise unterscheiden sich fast alle anderen Teilchen im Kalorimeter deutlich davon. Erst durch das Zusammenspiel der Informationen aus dem Spurdetektor und dem Kalorimeter lassen sich die Elektronen schließlich aus der Datenflut herausfiltern. 

Absolut essentiell dabei ist die Präzision. So messen die Wissenschaftler die Bahn eines Elektrons in den Spurkammern an typischerweise 15 Punkten mit einer Genauigkeit von rund 0,01 Millimetern – was einem Zehntel des Haardurchmessers entspricht. Aus diesen Punkten schließen sie auf seine Energie und Richtung und vergleichen die Ergebnisse dann mit dem Kalorimetersignal. 

 Später werten komplexe Algorithmen die Flugbahnen der Teilchen sowie ihr Verhalten im Kalorimeter – also beispielsweise in welchem Bereich sie dort wie viel Energie abgegeben haben – aus. Auf diese Weise lassen sich verbleibende Fehlinterpretationen unterdrücken. Allerdings variieren die beobachteten Muster etwas mit der Zeit und den Bedingungen der Datennahme. Zudem sehen sie in verschiedenen Bereichen des Detektors anders aus. Während der Datennahme muss deswegen unter anderem genauestens untersucht werden, ob einzelne Teile des Detektors ausgefallen sind, die elektronischen Signale sich verändert haben oder die Position der einzelnen Detektoren sich verschoben hat. Typischerweise vergehen mehrere Wochen zwischen Datennahme und endgültiger Kalibrierung der Detektoren. 

Ist das beobachtete Teilchen das Higgs?

Die Physiker am CERN haben sehr starke Hinweise auf die Existenz eines neuen Teilchens in verschiedenen Zerfallskanälen gefunden. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich dabei nur um zufällige Ausschläge des Rauschens handelt, ist verschwindend gering. Ist die Existenz des Higgs-Teilchens also bewiesen? 

Daten des ATLAS-Experiments
Daten des ATLAS-Experiments

Es gibt einige Punkte, die dies nahe legen. Erst einmal stimmt die Masse mit der erwarteten überein. Enorm präzise Messungen und theoretische Rechnungen in der Vergangenheit lassen nur eine Higgs-Masse zwischen 114 und 185 GeV/c² zu. Das jetzt gemessene Signal von 125 GeV/c² passt dazu sehr gut. Auch dass dieses Teilchen bei den Zerfällen in zwei Z-Bosonen und in zwei Photonen auftritt, entspricht den Erwartungen für ein Higgs-Teilchen – ja, legt einige der Eigenschaften des gesehenen neuen Teilchens sogar fest.

Und dennoch bedarf es weiterer genauer Untersuchungen, um sicher zu sein, dass es ein Higgs-Teilchen ist. Wie besprochen ist das Higgs eingeführt worden, um elementaren Teilchen Masse zu geben. Der nächste Schritt ist jetzt, zu überprüfen, ob die Eigenschaften dieses Teilchens mit diesen Vorhersagen übereinstimmen. Dafür müssen alle wichtigen Zerfälle des Teilchens mit möglichst hoher Genauigkeit gemessen werden. Unter anderem muss untersucht werden, wie häufig es in die verschiedenen Kanäle zerfällt. Theoretisch ist dies genau festgelegt. 

Besonders interessant wäre es, zu messen, wie häufig das neue Teilchen in Quarks oder in Tau-Leptonen zerfällt. Es wird erwartet, dass die Wahrscheinlichkeit proportional dem Quadrat der Masse dieser Teilchen ist. Erst ein solch umfassendes experimentelles Programm kann Antworten auf die Frage geben, ob das Higgs-Teilchen gefunden wurde. Abweichungen von diesen Erwartungen deuten möglicherweise darauf hin, dass es sich bei dem gefundenen Teilchen um etwas ganz anderes als das Higgs handelt, oder aber dass dieses eine Teilchen durch weitere ähnliche Signale ergänzt werden muss.

Daten des CMS-Experiments
Daten des CMS-Experiments

Wenn sich in weiteren Untersuchungen wirklich erweist, dass das Higgs-Teilchen gefunden ist, schließt dies eine fünfzigjährige Erfolgsgeschichte der Teilchenphysik ab. Zugleich wirft die Existenz eines solchen Teilchens aber neue Probleme auf. Um das Standardmodell berechenbar zu machen, müssen technische Tricks angewendet werden. Theoretiker haben sich daran gewöhnt, durch kleine, per Hand eingeführte Korrekturen – sogenannte Renormierungen – ihre Rechnungen konsistent zu machen. 

Bisher lagen diese Korrekturen bei wenigen Prozent. Die Existenz des Higgs-Teilchens hingegen erfordert Korrekturen von gigantischem Ausmaß. Auch wenn dies technisch zu rechtfertigen ist, gelten solche Nachbesserungen als „unnatürlich“. Vermieden werden könnten sie durch neue Teilchen, Kräfte oder räumlichen Dimensionen. Solche neuen Elemente führen eventuell zu einem noch umfassenderen Verständnis der Struktur der kleinsten Materieteilchen. Mit dem LHC steht ein hervorragendes Instrument zur Verfügung, um möglicherweise auch hier die Richtung zu weisen.

 

Masseneinheiten in der Teilchenphysik

Das Elektronenvolt (Einheitenzeichen eV) ist eine Einheit der Energie, die in Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt wird. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Teilchen mit einer Elementarladung (1 e) erhält, wenn es eine Spannung von einem Volt (1 V) durchläuft. 1 eV entspricht 1,602 176 462(63) · 10-19 Joule (J).

In der Teilchenphysik werden sowohl die Ruhemasse von Elementarteilchen als auch die Energie, auf die sie in Beschleunigern gebracht werden, in (Vielfachen von) Elektronenvolt angegeben. Die Umrechnung geschieht mit Hilfe der Gleichung $$E=mc^2$$ wobei \(E\) für die Energie, \(m\) für die Masse und \(c\) für die Vakuumlichtgeschwindigkeit steht.

Danach entspricht 1 eV/c² ungefähr 1,8 · 10-36 Kilogramm und 1 GeV (Gigaelektronenvolt) ungefähr der Ruheenergie eines Protons (genauer: 0,938 GeV). Die Planck-Masse von 1019 GeV/c2 entspricht also ungefähr der Masse von 1019 Protonen – in unserer makroskopischen Welt sind das allerdings nur winzige 18 Mikrogramm.

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