Beobachtung des neuen Teilchens bei CMS; Quelle: CERN

Kandidat für das Higgs-Teilchen am LHC entdeckt

(Genf/Schweiz) – Im Europäischen Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik CERN in Genf stellten heute Vormittag die internationalen Arbeitsgruppen der Experimente ATLAS und CMS gemeinsam ihre aktuellen Ergebnisse bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen vor. Die Daten zeigen die Existenz eines Teilchens mit einer Masse von 125 bis 126 GeV/c² mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit von unter eins zu einer Million. Allerdings können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler noch keine endgültigen Aussagen über die Art des Teilchens machen, obwohl einiges dafür spricht, dass es sich um das lange gesuchte Higgs-Teilchen handelt. Erst nach weiteren Untersuchungen steht fest, ob es sich tatsächlich um den letzten noch fehlenden Baustein des Standardmodells handelt oder ob etwas gänzlich Unerwartetes gefunden wurde. „Beides wären große Entdeckungen in der Teilchenphysik.“, sagt Achim Stahl, Sprecher des BMBF-Forschungsschwerpunkts CMS.

In den vergangenen Jahrzehnten hat die Elementarteilchenphysik das sogenannte Standardmodell entwickelt, das die Bausteine der Materie und die Kräfte, die die Bausteine verbindet, hervorragend beschreibt. Allerdings hat dieses Modell eine Schwachstelle: Die Austauschteilchen, die die Kräfte vermitteln, zum Beispiel Photonen für die elektromagnetische oder sogenannte W- und Z-Bosonen für die schwache Wechselwirkung, dürften keine Ruhemasse haben. Während das auf das Photon zutrifft, sind die Kraftteilchen der schwachen Wechselwirkung schwerer als Atome – also Schwergewichte in den Maßstäben der Elementarteilchenphysik. Um diesen Widerspruch aufzulösen, führten Peter Higgs und andere bereits 1964 ein neues Konzept in die Theorie des Standardmodells ein. Wenn dieses Konzept korrekt ist, müsste es ein bisher noch nicht entdecktes Teilchen, das heute „Higgs-Teilchen“ genannte Boson, geben. Die Suche nach dem Higgs-Teilchen war von Anfang an eines der Hauptziele der Experimente am LHC.

Im Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider), an dem seit Frühjahr 2011 fortlaufend Messungen durchgeführt werden, kreisen Pakete von Protonen – die positiv geladenen Bausteine der Atomkerne – in zwei entgegengesetzten, 27 Kilometer langen Röhren mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. An einigen Punkten überkreuzen sich die Bahnen der Teilchenpakete, dort kommt es zu mehreren Millionen Teilchenkollisionen pro Sekunde. Dabei entsteht eine Vielzahl von kleineren Bruchstücken, wie etwa Elektronen, Myonen oder exotischere Elementarteilchen – auch das Higgs-Teilchen sollte in einigen der Zusammenstöße entstehen. Rund um je einen dieser Punkte sind die Messgeräte ATLAS und CMS errichtet, jedes von ihnen so groß wie ein größeres Schulgebäude. In ihnen können die Bruchstücke der Kollisionen genau vermessen werden.

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Zwischen April und Juni 2012 konnten die Gruppen von ATLAS und CMS mehr Daten sammeln als im ganzen Jahr 2011. Die Auswertung dieser Daten zeigte nun das Signal eines Teilchens bei einer Masse von 125 bis 126 GeV/c². GeV steht für „Gigaelektronenvolt“, also Milliarden Elektronenvolt, GeV/c² ist eine Masseneinheit der Elementarteilchenphysik und entspricht knapp der Masse des Wasserstoffatoms. Dieses Teilchen ist damit etwas schwerer als ein Cäsiumatom. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei der beobachteten Signatur nur um ein zufälliges Rauschen handelt, das ein Signal vortäuscht, beträgt weniger als eins zu einer Million. Das jetzt gefundene Teilchen ist sehr kurzlebig und wird nicht direkt in den Detektoren gesehen. Man sieht stattdessen die Spuren seiner Zerfallsprodukte, die nach aktuellem Stand der Auswertung entweder zwei Photonen oder zwei Z-Bosonen sind.

Daten des ATLAS-Experiments
Daten des ATLAS-Experiments

Deutsche Teilchenphysiker haben an dieser Entdeckung einen maßgeblichen Anteil. Sie waren seit der Planung des Projekts vor über 20 Jahren an beteiligt. Sie haben die Technologien mit entwickelt, Teile der riesigen Detektoren gebaut und schließlich zur Auswertung der Daten, die jetzt zur Evidenz für das neue Teilchen geführt haben, wesentlich beigetragen. Der Bau und Betrieb der beiden Experimente wurde und wird im Rahmen der sogenannten Verbundforschung durch das BMBF gefördert – in der aktuell laufenden Förderperiode 2012 bis 2015 mit 41,2 Millionen Euro. Forschergruppen an 15 Universitäten, dem Max-Planck-Institut für Physik in München und den beiden Helmholtz-Forschungszentren DESY und KIT arbeiten gemeinsam an den beiden Experimenten ATLAS und CMS. In Deutschland wurden zahlreiche wichtige Komponenten der Geräte entwickelt und gebaut. Auch zur Entwicklung des Systems, das live aus den riesigen Datenmengen die wichtigen Messungen herausfiltert, das sogenannte Triggersystem, und zur digitalen Datenerfassung haben deutsche Gruppen maßgeblich beigetragen. Am KIT und an weiteren Standorten entstanden wichtige Knoten im weltweiten Computernetzwerk der Elementarteilchenphysik.

Seit Beginn der Datennahme im Frühjahr 2011 liegt der Schwerpunkt der Aktivitäten auf der Datenanalyse. Hierbei waren deutsche Gruppen federführend beteiligt, beispielsweise an der Rekonstruktion von Elektronen, Myonen, Tau-Leptonen und b-Quarks aus den Messdaten der Detektoren. Dies sind wichtige Voraussetzungen für den endgültigen Nachweis des Higgs-Teilchens. Deutsche Gruppen haben somit maßgeblich zur jetzt verkündeten Entdeckung des Higgs-Kandidaten beigetragen. Da sie verschiedene Wege untersuchen, in die das kurzlebige Teilchen zerfällt, sind sie auch sehr gut positioniert, um mit Hilfe weiterer Daten, die Eigenschaften des neuen Teilchens zu bestimmen und letztlich zu entscheiden, ob es sich um das lange gesuchte Higgs-Teilchen handelt. Peter Mättig, Sprecher des BMBF-Forschungsschwerpunkts ATLAS: „Enorm präzise Messungen und theoretischer Rechnungen in der Vergangenheit lassen nur eine Masse des Higgs-Teilchens zwischen 114 und 185 GeV/c² zu. Das jetzt gemessene Signal von rund 125 GeV/c² passt sehr gut.“

Am Abschluss des CERN-Seminars zur Bekanntgabe der Ergebnisse fasste Rolf-Dieter Heuer, CERN-Generaldirektor zusammen: „Als ein Laie würde ich sagen: Wir haben es!”. Der ebenfalls anwesende Namensgeber des Higgs-Teilchens, Peter Higgs, freute sich „dass die Entdeckung noch zu meinen Lebzeiten geschieht.”.

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