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Teilchenphysik : Entdeckung nach Plan

  • -Aktualisiert am

Illustration des Zerfalls eines fiktiven Higgs-Bosons Bild: dpa

Der Large Hadron Collider des Cern konnte eine weitere Lücke des Standardmodells schließen: erstmals wurde der Higgs-Zerfall in Bottom-Quarks beobachtet. Die Forscher haben aber bereits das nächste Ziel im Blick.

          Sechs Jahre ist es her, dass Wissenschaftler des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf das Higgs-Teilchen entdeckten. Seitdem hat man diesem Boson, das den anderen Elementarteilchen Masse verleiht, viele Eigenschaften entlocken können. Dazu hat man die im Large Hadron Collider (LHC) kreisenden Wasserstoffkerne mit immer höheren Energien zur Kollision gebracht. Der Nachweis einer wichtigen Eigenschaft des „Higgs“ stand bislang noch aus: der Zerfall in schwere Bottom-Quarks. Doch jetzt haben die Physiker der beiden großen Experimente CMS und Atlas auch diese Lücke schließen können.

          Bereits im Jahr 2012 hatten die Forscher von Atlas und CMS Ergebnisse zu fünf verschiedenen Zerfallskanälen des Higgs-Bosons publiziert, darunter den Zerfall in zwei energiereiche Photonen und die Zerfälle in vier elektrisch geladene leichte Leptonen, zu denen das Elektron und Myon zählen. Diese Zerfallskanäle trugen maßgeblich zur Entdeckung und zur Identifikation des Higgs-Teilchens bei, wofür der Namensgeber des Bosons, Peter Higgs, und sein Kollege François Englert im Jahr 2013 den Nobelpreis erhielten.

          Der CMS Detektor am Large Hadron Collider des Cern war an der jüngsten Entdeckung des Higgs-Zerfalls in Bottom Quarks beteiligt.

          Im vergangenen Jahr hatte man den Higgs-Zerfall in schwere Tau-Leptonen beobachtet, und in der ersten Hälfte dieses Jahres folgte derjenige in schwere Top-Quarks. Doch ausgerechnet der mit 60 Prozent häufigste Zerfallskanal des Higgs, der Zerfall in ein Bottom- und ein Anti-Bottom-Quark, entzog sich bislang dem Nachweis. Denn es hatte sich als extrem schwierig erwiesen, den Zerfall in die nach dem Top-Quark zweitschwersten Quarks mit ausreichend hoher Signifikanz zweifelsfrei nachzuweisen.

          Schwierige Suche nach dem Signal

          Der Grund: Bei der Kollision von Protonen im LHC entstehen Myriaden von Bottom-Quarks, der Löwenanteil hat jedoch nichts mit dem Higgs-Zerfall zu tun. Daher war es nötig, diejenigen Ereignisse, die von einem Higgs stammen können, eindeutig zu identifizieren. Erschwerend kommt hinzu, dass bei der Kollision der Protonen generell nur recht selten ein Higgs-Boson produziert wird. Bei den weniger häufigen Higgs-Zerfällen, die früher nachgewiesen wurden, war es deutlich leichter gewesen, die Signale aus den Messungen herauszufiltern.

          Den Erfolg brachte schließlich die Analyse der Daten mit Hilfe von „Machine learning“. Die lernfähigen Algorithmen suchten in den von CMS und Atlas gemessenen Daten nach für den gefragten Higgs-Zerfall typischen Signaturen. Durch die Hinzunahme von früheren Daten, die aus den Jahren 2011 und 2012 stammen, konnten die Wissenschaftler die Statistik ihrer Analyse noch einmal erhöhen. Der gesuchte Higgs-Zerfall ließ sich schließlich eindeutig identifizieren – mit einer Signifikanz von fünf Sigma.

          Nützliche Analysetechnik

          Für die Forscher des Cern ist damit einer der wichtigsten Zerfallskanäle des Higgs in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells nachgewiesen worden. Die neue Analysetechnik will man fortan nutzen, um auch den seltenen Higgs-Zerfall in zwei Myonen genauer zu erforschen.

          Techniker im Tunnel des Teilchenbeschleunigers LHC bei Genf

          „Die Analysemethoden haben nun gezeigt, dass sie eine Präzision erreichen können, die es braucht, um die ganze teilchenphysikalische Landschaft mit dem LHC zu untersuchen, inklusive – hoffentlich – neuer Physik“, sagt Eckhard Elsen, Direktor für Forschung und Computing am europäischen Forschungszentrum.

          „Neue Physik“ lässt weiter auf sich warten

          Tatsächlich haben die Wissenschaftler des Cern mit ihrem jüngsten Ergebnis nur die etablierte Theorie des Standardmodells ein weiteres Mal bestätigen können. Hinweise auf eine neue Physik, wie man sie sucht, fehlen weiterhin. So haben die Physiker mit dem LHC weder Indizien für zusätzliche Dimensionen finden können noch für Teilchen der Dunklen Materie oder der sogenannten Supersymmetrie.

          Um hier doch irgendwann fündig zu werden, werden in den kommenden Jahren sowohl die Detektoren Atlas und CMS als auch der Large Hadron Collider erneuert und aufgerüstet. Man will damit bis zum Jahr 2026 die Teilchenkollisionsrate auf ein Rekordniveau von mehr als fünf Milliarden Proton-Proton-Kollisionen pro Sekunde erhöhen. Derzeit sind es etwa eine Milliarde Kollisionen pro Sekunde. Mit dieser höheren Rate und den empfindlicheren Detektoren kann die Statistik der Messungen noch deutlich verbessert werden. Weil die Betriebsphase des LHC voraussichtlich erst 2035 enden wird, besteht für die Physiker des Cern noch genug Zeit, auf etwas Unerwartetes zu stoßen.

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