13.12.2011 · Am europäischen Forschungszentrum Cern ist man dem ominösen Higgs-Teilchen offenkundig so dicht auf den Fersen wie nie zuvor. Nun haben die Forscher der beiden großen Experimente Atlas und CMS ihre jüngsten Ergebnisse vorgestellt.
Von Manfred Lindinger
Der Hörsaal war bis auf den letzten Platz besetzt, die Erwartung des Auditoriums groß. Selten haben Teilchenphysiker einer nachmittäglichen Veranstaltung so entgegengefiebert wie dem Seminar am Dienstag dieser Woche, zu dem der Generaldirektor des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf, Rolf-Dieter Heuer, vor einer Woche eingeladen hatte. An diesem Tag sollten die Ergebnisse jüngster Messungen der beiden Experimente Atlas und CMS vorgestellt werden.
„Die Befunde stellten wesentliche Fortschritte bei der Suche nach dem Higgs-Boson dar“, war auf Mitteilung zu lesen. Nach einem überaus erfolgreichen Jahr mit dem „Large Hadron Collider“ (LHC), dem großen Teilchenbeschleuniger des Cern, hofften nicht wenige, dass heute endlich der Tag der Wahrheit für das Higgs-Teilchen gekommen sei - für jenes Teilchen, das seit fast vierzig Jahren auf der Fahndungsliste der Physiker steht. Doch es sollte anders kommen. Die bislang gewonnenen Daten reichten weder dazu aus, das Higgs-Teilchen nachzuweisen, noch seine Existenz auszuschließen.
Das Higgs, wie es die Physiker kurz nennen, gilt als Gral der Teilchenjäger, da es im Rahmen des Standardmodells schlüssig erklären kann, warum Elementarteilchen wie Elektronen und Quarks überhaupt eine Masse besitzen und warum diese von Teilchen zu Teilchen so unterschiedlich ausfällt. Vereinfacht erklärt kommt die Masse dadurch zustande, dass alle Teilchen den Widerstand des allgegenwärtigen Higgs-Feldes spüren - mal stärker, mal schwächer, mal überhaupt nicht, so wie das Photon, das keine Masse besitzt. Mit der Existenz des Higgs-Teilchens, das Quant des Higgs-Feldes, steht und fällt das Standardmodell, mit dem die Teilchenphysiker den Aufbau der Materie fast lückenlos erklären können. Allein das Higgs-
Teilchen fehlt noch als letzter Baustein. Findet man es, wäre das die Krönung des Standardmodells. Findet man es nicht, hätte das Standardmodell eine Lücke.
Bereits im Vorfeld des Seminars überschlugen sich die Kurzmeldungen auf Twitter. Ähnlich wie schon eine Woche zuvor brodelte abermals die Gerüchteküche im Netz. Die Entdeckung des Higgs oder doch wieder keine?
Keiner im Auditorium schien exakt zu wissen, was die kommenden eineinhalb Stunden an neuen Erkenntnissen bringen würden. Fast pünktlich um 14:00 Uhr trat Rolf Dieter Heuer ans Mikrophon und eröffnete das Seminar. Als erste Rednerin präsentierte Fabiola Gianotti, Sprecherin des Atlas-Experiments, stellvertretend für ihre Kollegen die Analyse der in diesem Jahr gewonnen Daten. Anschließend kam Guido Tonelli, Sprecher der Gruppe zu Wort, die am CMS-Experiment arbeitet. Beide Großexperimente suchen unabhängig voneinander seit diesem Jahr intensiv nach dem Higgs. Dazu werden die Fragmente analysiert, die im LHC bei der Kollision von energiereichen Protonen entstehen.
Die Situation stellte sich bis gestern noch wie folgt dar: Aus den Experimenten des Large-Elektron-Positron-Colliders, des Vorgängers des LHC, weiß man, dass die Masse des Higgs-Teilchens größer sein muss als 114 Gigaelektronenvolt (GeV). Aus früheren Präzisionsmessungen etwa am Tevatron-Beschleuniger des Fermilab bei Chicago lässt sich folgern, dass das Higgs-Teilchen leichter als 182 GeV sein muss. Ausgehend davon haben die Forscher des Cern in den vergangenen Monaten mit dem LHC Schritt für Schritt den möglichen Massenbereich eingeschränkt. Zuletzt ist nur noch das Fenster zwischen 114 GeV und 145 GeV offen geblieben. In den vergangenen Monaten hat man die Luminosität des umlaufenden Protonenstrahls auf 10 hoch 33 gesteigert. Dieser Wert beschreibt die Anzahl der Protonen, die gleichzeitig im Beschleuniger kreisen und pro Sekunde frontal zusammenprallen können. Auch ohne Spektakuläres zu erwarten durfte man deshalb auf die Ergebnisse von Atlas und CMS gespannt sein.
Das wichtigste Ergebnis der beiden Experimente: Falls das Higgs-Teilchen existiert, wie es das Standardmodell voraussagt, liegt es mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 Prozent im Massenbereich zwischen 115 bis 130 GeV. Oberhalb davon haben die Forscher zumindest keine Anzeichen für die Existenz des Higgs gefunden, als man alle in Frage kommenden Zerfallskanäle analysierte.
Tatsächlich haben die beiden Experimente bei einer Energie um 125 Gigaelektronenvolt (GeV) unabhängig voneinander eine leichte Überhöhung der Messwerte ausmachen können, die von einem Zerfall des Higgs-Teilchens in zwei energiereiche Photonen, sogenannte Gamma-Quanten, stammen könnte. „Der Überschuss könnte die Folge einer statistischen Fluktuation, aber auch der Hinweis auf eine interessante Entdeckung sein“, sagt Fabiola Gianotti am Schluss ihres Vortrags. „Wir können noch keine Schlüsse ziehen. Wir brauchen mehr Daten und weitere Untersuchungen“.
Zu einem ähnlichen Schluss kam auch der Sprecher der CMS-Kollaboration, Guido Tonelli. Die Kollegen der Atlas-Gruppe schließen eine Existenz des Standardmodell-Higgs schon oberhalb von einer Masse von 127 GeV aus. Sie konnten eine ähnliche Überhöhung beobachten, allerdings bei einer Energie von 124 GeV. Aber auch hier ist die statistische Signifikanz nicht groß genug, um eine definitive Aussage treffen zu können, ob es sich um einen physikalischen Effekt oder eine statistische Fluktuation handelt. Denn die Voraussetzungen, damit eine vermeintliche Beobachtung zu einer wirklichen Entdeckung wird, sind streng: Es gilt die sogenannte Fünf-Sigma-Regel.
© CERN
Endlich der Tag der Wahrheit für das Higgs-Teilchen? Die Erwartungen waren groß.
Das heißt, es muss mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,9999 Prozent nachgewiesen werden, dass es sich bei dem Ergebnis nicht nur um eine statistische Fluktuation der Daten handelt. Die jetzigen Ergebnisse haben eine Signifikanz zwischen zwei und drei Sigma und sind daher mit Vorsicht zu bewerten.
Auch wenn die Ergebnisse keinen Durchbruch bedeuten, so zeigen sie den Forschern des Cern, wo sie im kommenden Jahr gezielt nach dem Higgs-Teilchen suchen müssen. Im Jahr 2012 sollen die Protonen im 27 Kilometer langen LHC die doppelte bis dreifache Luminosität liefern. Dies wird die Kollisionsrate sowie die Statistik weiter in die Höhe treiben. Damit werden – so hoffen die Forscher - auch seltene Higgs-Zerfälle deutlich in Daten zu erkennen sein.
„Es ist fantastisch, dass wir die ersten Resultate zu Higgs haben“, sagte Cern-Chef Rolf-Dieter Heuer zum Abschluss des Seminars an das Auditorium. „Aber halten sie im Auge, dass es sich um vorläufige Ergebnisse handelt, denken sie auch daran, dass wir über kleine Zahlen sprechen und wir auch kommendes Jahr weiter messen werden. Das Fenster für das Higgs-Teilchen wird immer kleiner. Wir können noch immer nicht sagen, ob es existiert oder nicht. Bleiben sie deshalb auch kommendes Jahr auf eine großartige Entdeckung eingestimmt“
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