Eine Röhre, in der von einem zentralen Punkt aus zahlreiche Linien nach außen laufen.

Bisher keine Abweichungen vom Standardmodell

Vom 3. bis 9. Juli tauschen Wissenschaftler auf der International Conference on High Energy Physics, kurz ICHEP, die neuesten Ergebnisse der Teilchenphysik aus, unter ihnen auch Norbert Wermes. Wir fragten den Professor von der Universität Bonn, welche neuen Einsichten es über das Higgs-Teilchen gibt und was sich Physiker von der nächsten Betriebsphase des LHC versprechen.

Welt der Physik: Auf der ICHEP 2012 gaben Physiker den Fund eines neuen Teilchen am LHC bekannt. Seither versucht man, dessen Eigenschaften immer genauer zu bestimmen. Was weiß man exakt zwei Jahre später über das neue Boson?

Norbert Wermes

Norbert Wermes: Bei der Entdeckung 2012 wussten die Wissenschaftler nicht mit Sicherheit, dass das entdeckte Teilchen exakt das Higgs-Boson ist, wie es die Theorie vorhersagt. Die ersten Ergebnisse ließen lediglich auf ein Higgs-artiges Teilchen schließen. Es hätte auch ein neues Teilchen, wie zum Beispiel in supersymmetrischen Theorien verlangt, sein können und kann es auch immer noch sein. Genau um diese Frage ging es in den letzten beiden Jahren, nämlich herauszufinden, ob das Higgs-Boson exakt das Higgs-Boson des Standardmodells ist.

Konkret ist dazu herauszufinden, welche charakteristischen Eigenschaften es hat, was seine Masse genau ist, welche Lebensdauer es hat, was sein Spin ist und ob es so erzeugt wird und zerfällt, wie die Theorie es beschreibt. Eine signifikante Abweichung vom Standardmodell in einer der Eigenschaften würde sofort neue Physik jenseits unseres derzeitigen Gedankengebäudes bedeuten. Nur als Beispiel: Die Masse des Higgs ist inzwischen auf besser als ein halbes Promille gemessen und die Experimente konnten durch einen cleveren Trick seine Lebensdauer auf höchstens etwa fünfmal länger als theoretisch erwartet eingrenzen. Das ist eine hundertmal genauere Messung als man bis vor Kurzem noch für möglich gehalten hätte.

Auch die Zerfallshäufigkeit des Higgs in andere Elementarteilchen ist bisher ganz so wie erwartet, das heißt, sie ist direkt proportional zu deren Masse – übrigens ganz anders als üblich, so zerfällt zum Beispiel das schwache Boson Z0 gleich häufig in geladene Leptonen von verschiedener Masse. Diese Ergebnisse wurden auf der ICHEP 2014 in Valencia vorgestellt.

Der Nachweis des Higgs gelang am LHC zunächst durch den Zerfall des Teilchens in andere Bosonen, also in Teilchen, die Kräfte vermitteln. Kürzlich konnte auch der direkte Zerfall des Higgs in Fermionen – aus dieser Gruppe von Elementarteilchen setzt sich Materie zusammen – gemessen werden. Was lässt sich daraus schließen?

Alles, was wir sehen – Menschen, Tiere, Pflanzen, Erde und Planeten – besteht aus Materieteilchen. Insgesamt gibt es zwölf Materieteilchen, die in sechs Quarks und sechs Leptonen unterteilt werden. Beide Gruppen bestehen aus Teilchen dreier Familien.
Elementarteilchen und Grundkräfte

In der Tat, der Massengebungsmechanismus ist für Fermionen verschieden von dem für die schweren Bosonen W und Z: weniger elegant und, theoretisch eher unschön, ad hoc und mit zusätzlichen Parametern eingeführt. Ich persönlich wäre daher nicht zu sehr überrascht gewesen, wenn man beim Zerfall des Higgs in Fermionen die ersten Abweichungen von der Theorie messen würde. Mit der Übereinkunft, nur Messungen als ausreichend signifikant zu bezeichnen, wenn sie statistisch die Fünf-Sigma-Grenze überschreiten, wurde der Zerfall in Fermionen bisher streng genommen noch nicht zweifelsfrei bewiesen. Allerdings haben die beiden Experimente ATLAS und CMS unabhängig voneinander Signale von etwa vier Sigma im Zerfall in zwei Tau-Leptonen gemessen und erste Anzeichen – statistisch weniger signifikant – sieht CMS auch im Zerfall in zwei Bottom-Quarks.

Wenn man von den bisherigen Analysen ausgeht: Handelt es sich bei dem Teilchen um das vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagte Higgs-Boson?

Ja, in der Tat, bisher sieht es so aus. Es wäre sehr gut möglich gewesen, dass sich das als Higgs-Boson bezeichnete Teilchen als nicht exakt so standard-Higgs-artig erwiese. So vielfältig waren die untersuchenden Messungen. Dies ist aber bis jetzt nicht passiert. Bisher gibt es keine einzige Messung, die eine Abweichung von der Standardmodellvorhersage andeutet. Allerdings muss man zugeben, dass die Präzision, mit der die Überprüfung möglich ist, noch bei Weitem nicht die Präzision erreicht hat, die nötig wäre, um von einer Art „Beweis“ zu sprechen. Dies wird erst nach und nach, vor allem in den nächsten Jahren mit dem aufgerüsteten LHC-Beschleuniger und den verbesserten Experimenten gelingen.

Im Einklang mit dem Standardmodell

Man hat das Gefühl, die Wissenschaftler würden nur allzu gerne Abweichungen vom Standardmodell nachweisen. Warum eigentlich?

Nun, das Standardmodell hat trotz seiner überwältigenden Erfolge viele Defizite: Es beinhaltet unter anderem die Gravitation nicht, hat keine Erklärung für Dunkle Materie und besitzt eine ganze Reihe von Stellschrauben, oder Parametern, die erst durch experimentelle Messungen festgelegt werden müssen. Interessanterweise ist auch die relativ leichte Masse des Higgs-Bosons selbst ein Problem. Es müsste eigentlich auf der Grundlage der bisherigen Theorie viele, viele Größenordnungen schwerer sein. Diese ungeklärten und „unnatürlichen“ Dinge lieben die Physiker nicht. Außerdem gibt es gleich mehrere theoretische Ansätze, die einen Teil dieser Fragen lösen könnten, der prominenteste Ansatz ist die Supersymmetrie.

Sowohl solche alternativen Ansätze als auch das Standardmodell werden Physiker ab dem Frühjahr 2015 so genau wie nie zuvor überprüfen können – dann endet die Umrüstungspause am LHC. Was passiert in diesen 18 Monaten, in denen der Beschleuniger stillsteht?

Der Ring wird technisch aufgerüstet, ein schwieriges Unterfangen. Sie erinnern sich sicher, dass 2008 ein Unfall im LHC-Ring passierte, weil kritische Verbindungen an den supraleitenden LHC-Magneten sich für die hohen Ströme als nicht ausreichend sicher erwiesen. Der LHC wird dann 2015 mit fast der doppelten Energie und einer noch höheren Strahlintensität wieder anlaufen. Die Experimente nutzen die Zeit, um einige der Subdetektoren zu reparieren und durch noch präzisere Instrumente zu erweitern, zum Beispiel durch eine zusätzliche Pixeldetektorlage im ATLAS-Experiment, die noch näher an den Kollisionspunkt herangeht.

Tau-Leptonen im ATLAS Detektor

Sind die Daten aus der vorherigen Betriebsphase eigentlich schon alle ausgewertet?

Weitgehend ja, die intensive Auswertung der Daten nach allen wesentlichen Fragestellungen war ja Gegenstand der Bemühungen der letzten beiden Jahre. Der Fokus wird danach zuerst auf den neuen Messdaten liegen, da sie durch die höhere Energie eine höhere Chance bieten, neuen Phänomenen auf die Spur zu kommen. Man wird aber auch die bisherigen Daten mit den neuen kombinieren, um zusammen auf eine höhere statistische Aussagekraft zu kommen.

Was erhofft man sich von den neuen Daten bezüglich der Erforschung des Higgs?

Nun, ich persönlich lebe in der Erwartung, dass das Higgs eine fundamentale Bedeutung für die Physik des frühen Universums hat, die über seine Rolle zur Massengebung vielleicht sogar hinausgeht. Schließlich ist es das erste Mal, dass mit dem Higgs ein fundamentales skalares Feld – so nennen wir das – entdeckt wurde. Gleich mehrere grundlegende Fragen der Physik, darunter zum Beispiel die Phase der Inflation im frühen Universum oder die sogenannte „Quintessenz“, werden mit skalaren Feldern in Verbindung gebracht. Zum Thema Inflation, also einer mit Überlichtgeschwindigkeit erfolgten Ausdehnung des Universums zu ganz frühen Zeiten, gibt es zum Beispiel bereits eine ganze Reihe von theoretischen Veröffentlichungen, die das Higgs dafür verantwortlich machen wollen oder damit in Verbindung bringen.

Zerfall des Higgs in zwei Photonen

Das sind natürlich derzeit noch kontrovers diskutierte Ideen. Dennoch, Experimente durchzuführen, die mit solch fundamentalen Fragen zu tun haben, finde ich sehr aufregend und spannend. Konkret heißt das, dass mit den neuen Daten das Higgs so genau wie möglich vermessen werden muss – in der Hoffnung, dass es am Ende doch Aufschluss gibt über etwas, was über das Standardmodell hinausgeht, sei es Supersymmetrie oder etwas anderes Fundamentales. Wo sonst kann man am Gedankengebäude der Physik so sehr rütteln?

Lassen sich bei den höheren Energien möglicherweise neue Teilchen jenseits des Standardmodells erzeugen, etwa Dunkle-Materie-Teilchen, supersymmetrische Teilchen oder sogar weitere Higgs-Bosonen?

Vielleicht. Die Supersymmetrie, oder SUSY, ist durch die Entdeckung des Higgs bei 125 Gigaelektronenvolt, was für supersymmetrische Theorien ein relativ hoher Massenwert ist, gehörig unter Druck gekommen. Aber mit höherer Energie könnte es durchaus passieren, dass man neue Hinweise auf SUSY erhält. Die höhere Energie erlaubt, die Sensitivität für SUSY-Teilchen zu höheren Massen zu schieben, allerdings nicht um ein riesiges Maß. Daher sind Hoffnungen für den direkten Nachweis von SUSY-Teilchen zwar da, aber auch die Aussichten auf neue Einsichten durch Abweichungen von der Theorie in noch präziseren Messungen sind vorhanden. Vielleicht ist dieser indirekte Weg sogar der Schlüssel zum Schloss.

Wird sich dann eindeutig zeigen, ob es sich bei dem neuen Teilchen um das Higgs-Boson des Standardmodells handelt?

Zerfall des Higgs in zwei Z-Bosonen

Na ja, was heißt schon eindeutig. Bereits jetzt kann man sagen, es ist ein „Higgs“. Andernfalls hätte wohl auch das Nobelkomitee mit der Vergabe des Preises noch gezögert. Ob es exakt DAS Higgs des Standardmodells ist, nach dem es derzeit ja wirklich aussieht, das wird sich mit den neuen Daten natürlich gegebenenfalls erhärten und wenn – wovon die meisten Teilchenphysiker ausgehen – das Standardmodell nicht der Weisheit letzter Schluss ist, sondern nur eine bei den derzeit erreichbaren Energien gültige „effektive“ Theorie, so wird auch das Higgs in einem größeren Kontext zu sehen sein.

Wird das Standardmodell also bald von einer umfassenderen Theorie abgelöst werden? Gab es auf der ICHEP vielleicht Prognosen – und neue Ideen für eine solche Theorie?

Ideen gibt es immer viele – von SUSY bis zu extra Raumdimensionen und andere. Für Prognosen sind Wissenschaftler eher seltener zu haben. Im Vergleich zur Vor-LHC-Phase, als viele Physiker glaubten, das Standardmodell habe sich demnächst überlebt, sind die Erwartungen in dieser Hinsicht für die nächste Phase eher geringer. Das Standardmodell hat sich bis jetzt ja eher etabliert als überlebt. Ich würde sagen, die neue Messperiode 2015–2018 wird mit Aufregung erwartet. Noch präzisere Messungen und detaillierte Suchen nach Neuem werden in jedem Fall die kommenden Jahre sehr spannend halten – mit dem oder jenseits des Standardmodells.