Erfolg bei Suche nach Higgs-Teilchen: „Eine wissenschaftliche Sensation“

CERN-Physiker wollen offenbar Beweis fuer "Gottesteilchen" enthuellen

Die Grafik einer Proton-Proton-Kollision im Experiment stellt die zu erwarteten Charakteristiken zweier hochenergetischer Photonen beim Zerfall des Higgs-Bosons, des sogenannten Gottesteilchens, dar.

Selten waren die Erwartungen am europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf, dem Mekka der Teilchenphysik, so groß wie an diesem Mittwoch morgen. Alle drängten in den großen Hörsaal und wollten dem Seminar beiwohnen, zu dem der Generaldirektor des Cern, Rolf-Dieter Heuer, eingeladen hatte. Im Hörsaal saßen viele Veteranen des Cern, darunter Peter Higgs, der eigens aus Edinburgh angereist war. Der mittlerweile emeritierte Physikprofessor hatte vor fünfzig Jahren ein Teilchen postuliert, nach dem die Teilchenphysiker beiderseits des Atlantiks nun schon seit geraumer Zeit fieberhaft suchen.

Viele Wissenschaftler hofften, dass heute endlich der Tag der Wahrheit für jenes Teilchen namens Higgs-Boson gekommen sei, das seit fünfzig Jahren auf der Fahndungsliste der Physiker steht. Schließlich sind die experimentellen Voraussetzungen für einen Nachweis des Higgs-Teilchens noch nie so optimal gewesen, wie in den vergangenen drei Monaten. So hat man im April die Energie und die Intensität der Protonenstrahlen im großen Teilchenbeschleuniger des Cern, im „Large Hadron Collider“ (LHC), gegenüber dem Vorjahr noch einmal kräftig erhöht. Bis Ende Juni konnten die Physiker der beiden LHC-Experimente, Atlas und CMS, mehr Daten sammeln, als während des ganzen vergangenen Jahres über produziert wurden. Und die Erwartungen wurden nicht enttäuscht.

„Wir haben ein neues bislang unbekanntes Teilchen entdeckt, das ein Boson ist und eine Masse von 125 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt, GeV) besitzt, wie wir es für das Higgs erwarten“ , sagte Joe Incandela, Sprecher des CMS-Experiments, stellvertretend für die vielen Kollegen, die die präsentierten Daten gemessen und analysiert haben. Und auch Fabiola Gianotti, Sprecherin der Gruppe, die am Atlas-Experiment arbeitet, konnte die Entdeckung eines Teilchens bei einer Energie von etwa 125 GeV verkünden.

Glückliche Gesichter: Fabiola Gianotti, Sprecherin des Atlas Experiments und Joe Incandela, vom CMS Experiment mit Blick auf die Forschungsergebnisse, die sie am Mittwoch der Weltöffentlichkeit vorstellten.

Beide Großexperimente CMS und Atlas suchen unabhängig voneinander seit zwei Jahren intensiv nach seltenen Teilchenzerfällen, die man dem Higgs-Teilchen zuordnen kann. Eine Sisyphusarbeit, da man die Myriaden von Fragmenten analysieren muss, die im LHC bei jeder Kollision von energiereichen Wasserstoffkernen entstehen. Die jetzt gefundenen Signale entsprechen dem erwarteten Zerfall des Higgs-Teilchens in zwei energiereiche Photonen, sogenannte Gamma-Quanten, und vier Elektronen beziehungsweise vier Muonen, den schweren Verwandten der Elektronen .

Das Higgs, wie es die Physiker kurz nennen, ist nicht nur irgendein Teilchen, sondern eines von fundamentaler Bedeutung für unser Bild von der materiellen Welt. Denn es beantwortet die Frage, wie die Elektronen und die Quarks sowie die anderen Bausteine der Materie ihre Masse erhalten haben und warum diese von Teilchen zu Teilchen so unterschiedlich ausfällt. Die Masse ist für Physiker von zentraler Bedeutung. Sie ist nicht nur das, was einem Stück Materie Gewicht verleiht. Materie wird durch seine Masse träge, so dass man Energie aufbringen muss, um sie zu beschleunigen oder abzubremsen.

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Peter Higgs hatte 1964 – etwa zeitgleich mit fünf weiteren Forschern in Belgien und den Vereinigten Staaten - einen Einfall, wie man das Rätsel der Teilchenmasse erklären könnte. Seine Grundidee war ein Kraftfeld, das sich kurz nach dem Urknall gebildet hat und das ganze Universum ausfüllt. Alle Elementarteilchen, die mit dem Feld wechselwirkten, würden Energie aufnehmen und dadurch abgebremst. Je langsamer die Teilchen sind, so die Vorstellung, desto schwerer erscheinen sie. Photonen, die Quanten des Lichts beispielsweise interagieren nicht mit dem Higgs-Feld und haben deshalb auch keine Ruhemasse. Sie breiten sich daher mit dem maximal möglichen Tempo aus, der Lichtgeschwindigkeit. Das Higgs-Feld lässt sich zwar nicht nachweisen, wohl aber das mit ihm assoziierte Quantenteilchen - vorausgesetzt man bündelt ausreichend viel Energie in einem kleinen Raumgebiet etwa, indem man Protonen mit voller Wucht zur Kollision bringt.

Ohne den Nachweis des Higgs-Teilchens hätte das sogenannte Standardmodell also eine echte Lücke. Ohne Higgs bliebe unverständlich, warum nicht alle Elementarteilchen masselos mit Lichtgeschwindigkeit durch die Gegend flitzen, sondern viele eine Masse haben. Und nur solche massiven Teilchen können sich zu etwas wie Kernteilchen, Atomkernen, Molekülen zusammenlagern. Kurz: ohne Higgs-Teilchen würde das sonst so erfolgreiche Standardmodell nicht zu dem Umstand passen, dass es die materielle Welt unserer sinnlichen Erfahrung gibt.

Mittels des von Peter Higgs beschriebenen Mechanismus dagegen läßt sich diese Lücke schließen - vorausgesetzt, besagtes Teilchen gibt es wirklich.

Aber daran gibt es jetzt kaum noch Zweifel. Die Signale, welche die Forscher von CMS und Atlas gemessen haben, sind überdeutlich und stammen von Zerfällen bisher unbeobachteter Teilchen mit einer Ruheenergie von etwa 125 Gigaelektronenvolt – ein Wert, wie es das Standardmodell für das Higgs voraussagt. „Wir sind absolut sicher, dass es keine statistische Fluktuation ist“, sagte Fabiola Gianotti. Die Signale erfüllen offenkundig die Voraussetzungen, damit eine vermeintliche Beobachtung zu einer wirklichen Entdeckung ist: Die sogenannte Fünf-Sigma-Regel. Das heißt, es muss mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 99,99995 Prozent nachgewiesen werden, dass es sich bei dem Ergebnis nicht nur um eine statistische Fluktuation der Daten handelt. Im vergangenen Jahr betrug die statistische Signifikanz noch weniger als drei Sigma, was allenfalls als ein leichter Hinweis zu werten ist.

„ Ich würde sagen wir, haben es“, sagte Rolf-Dieter Heuer, dessen Stimme unter dem Applaus der vielen Wissenschaftler fast untergehen zu drohte. Wir stehen aber erst am Anfang. „Es ist ein großer Moment in der Teilchenphysik, wir danken den fast zehntausend Wissenschaftlern in aller Welt, die durch ihre Arbeit in den vergangenen Jahren, diesen Erfolg erst möglich gemacht haben. Aber vergessen sie nicht, wir stehen erst am Anfang .Jetzt müssen wir weitere Daten sammeln und herausbekommen, welche Eigenschaften das neue Teilchen hat“, sagte Heuer. Peter Higgs, dessen hypothetisches Teilchen endlich das Licht der Welt erblickt hatte, war sichtlich ergriffen, von dem historischen Moment. „Ich hätte nie geglaubt, dass ich eine so große Entdeckung erleben darf“. Mit dem heutigen Tag ist Peter Higgs definitiv ein Kandidat für den nächsten Nobelpreis.

Die Bausteinchen der Materie

Ihre Kenntnisse über die Materie haben Physiker im Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst. Das sind die Grundbausteine:

Materieteilchen: Menschen, Tiere und Planeten - alles, was wir sehen, besteht aus Materieteilchen. Insgesamt gibt es zwölf solcher
Teilchen, die in je sechs Quarks und Leptonen unterteilt werden. Die Protonen und Neutronen im Atomkern sind beispielsweise aus Quarks aufgebaut. Das Elektron zählt zu den Leptonen.

Kraftteilchen: Zwischen den Materieteilchen herrschen Wechselwirkungen, die die Materie zusammenhalten: die elektromagnetische, die schwache und die starke Kraft. Die Wechselwirkungen entstehen, weil die Materieteilchen winzige Kraftteilchen, sogenannte Bosonen, austauschen. Die elektromagnetische Kraft hält unter anderem die Atomhülle mit dem Atomkern zusammen. Das Kraftteilchen dafür ist das Photon. Photonen mit einer passenden Energie sehen wir als Licht. Die schwache Kraft sorgt für Radioaktivität. Die starke Kraft ist der Kleber des Atomkerns und hält auch die Quarks im Inneren der Atomkernbausteine Proton und Neutron zusammen. Das Teilchen dieser Kraft heißt Gluon.

Higgs: Dem gegenwärtigen Standardmodell zufolge dürften die kleinsten Teilchen keine Masse haben. Ohne Masse wären sie jedoch so schnell wie das Licht, es gäbe keine Zusammenballungen, keine Planeten oder Menschen. Das Higgs-Teilchen kann dieses Problem lösen. Wenn es tatsächlich existiert, wäre auch der Beweis für die Existenz des Higgs-Feldes erbracht. Das Higgs-Feld durchzieht nach dieser Vorstellung das Universum wie ein Sirup, der Materieteilchen unterschiedlich stark bremst. Je stärker ein Teilchen abgebremst wird, desto mehr Masse hat es.

Quelle: FAZ.NET
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