Higgs-Daten lassen nicht mehr als zwölf Materieteilchen zu

Karlsruhe – Insgesamt zwölf Materieteilchen sind heute bekannt, aus denen alle Materie im Universum zusammengesetzt ist. Aufgrund ihrer Eigenschaften teilt das Standardmodell der Teilchenphysik sie in drei Generationen ein. Bislang hielten Physiker eine weitere, vierte Generation, deren Teilchen noch nicht entdeckt wurden, zumindest für möglich. Statistische Analysen der Daten, die bei der Suche nach dem Higgs-Boson gesammelt wurden, schließen diese Generation nun jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit aus. Ihre Berechnungen dazu präsentieren Forscher in der Zeitschrift „Physical Review Letters“.

Innenansicht des viele Meter hoher Detektors, dessen Innenteil aus einer röhrenförmigen Kammer besteht.
CMS-Detektor am LHC

Obwohl es drei Generationen von Materieteilchen – sogenannte Fermionen – gibt, kommen nur Teilchen der ersten Generation in größerer Menge außerhalb von Teilchenbeschleunigern vor: das Up- und Down-Quark, die Bausteine von Protonen und Neutronen, sowie das Elektron und das Elektron-Neutrino. „Warum leistet sich aber die Natur überhaupt den Luxus einer zweiten und dritten Generation, wenn diese kaum gebraucht wird? Und gibt es vielleicht sogar noch mehr Generationen an Teilchen?“, fragen sich daher Otto Eberhardt vom Institut für Theoretische Teilchenphysik am Karlsruher Institut für Technologie und seine Kollegen.

Die Wissenschaftler berechneten die Wahrscheinlichkeit für eine vierte Generation, indem sie Daten verwendeten, mit denen Forscher in den vergangenen Monaten einen möglichen Kandidaten für das Higgs-Boson nachgewiesen hatten. Die Messungen stammten von Experimenten am Teilchenbeschleuniger LHC des Forschungszentrums CERN sowie vom Beschleuniger Tevatron in den USA, der 2011 außer Betrieb ging. Außerdem berücksichtigten die Forscher bekannte Massen anderer Teilchen wie dem Z-Boson und dem Top-Quark. Das Resultat: Mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,99999 Prozent sind die aktuellen Daten nicht mit einer vierten Generation der Materieteilchen vereinbar. Das entspricht einer Signifikanz von 5,3 Sigma und gilt damit als Entdeckung.

Die Existenz des Higgs-Bosons liefert eine Erklärung dafür, warum Elementarteilchen eine Masse besitzen. Laut der damit verbundenen Theorie wechselwirken Teilchen mehr oder weniger stark mit dem sogenannten Higgs-Feld – je stärker die Wechselwirkung, desto größer die Masse. Das Higgs-Boson entsteht, wenn das Feld von schweren, energiereichen Teilchen stark angeregt wird. Da Fermionen einer vierten Generation bisher nicht in Beschleunigern beobachtet wurden, müssten sie schwerer sein als die bekannten Teilchen. Die Forscher um Eberhardt nahmen als untere Grenze 400 Gigaelektronenvolt an. Zum Verglich: Das schwerste Elementarteilchen ist bisher das Top-Quark mit rund 170 Gigaelektronenvolt. Mit einer derart hohen Masse würden die neuen Materieteilchen sehr stark mit dem Higgs-Feld wechselwirken. Dann hätte allerdings auch das Higgs-Boson andere Eigenschaften und es wäre nicht möglich gewesen, das Teilchen mit den heutigen Experimenten nachzuweisen.

Physiker am CERN sammeln derzeit weitere Daten, um zu belegen, dass es sich bei dem neu entdeckten Teilchen tatsächlich um das Higgs-Boson handelt. Die bisherigen Messungen deuten auf ein Higgs-Boson nach Vorhersage des Standardmodells hin.