Jagd nach dem Gottesteilchen: Spuren des Higgs-Bosons gefunden.

Eine Spur des Higgs-Teilchens: Bei den roten Linien handelt es sich um Myonen, die über eine Kaskade von Zerfällen aus dem Higgs-Boson entstehen können. Da andere Prozesse jedoch eine ähnliche Signatur hinterlassen, müssen Physiker unzählige solcher Ereignisse analysieren, um die Existenz des Higgs-Bosons mit ausreichender Wahrscheinlichkeit zu beweisen. Atlas Cooperation
Eine Spur des Higgs-Teilchens: Bei den roten Linien handelt es sich um Myonen, die über eine Kaskade von Zerfällen aus dem Higgs-Boson entstehen können. Da andere Prozesse jedoch eine ähnliche Signatur hinterlassen, müssen Physiker unzählige solcher Ereignisse analysieren, um die Existenz des Higgs-Bosons mit ausreichender Wahrscheinlichkeit zu beweisen. Atlas Cooperation

Physiker aus aller Welt haben vor bald zwei Jahren mit Messungen im Large Hadron Collider (LHC) am Genfer Cern begonnen. Seit einigen Tagen nun kursieren Meldungen, dass ein wichtiges Forschungsziel bald erreicht sein könnte: Offenbar gibt es Hinweise auf das Higgs-Teilchen. Stefan Stonjek ist Wissenschaftler in der Atlas-Kooperation, einem der Experimente, mit dem Physiker dem Elementarteilchen nachspüren. Er spricht darüber, was am LHC tatsächlich gefunden wurde und welche Konsequenzen das haben könnte.

Herr Stonjek, was genau gibt es Neues von den Experimenten im Large Hadron Collider?

Wir haben im LHC inzwischen etwa 100 Billionen Mal Protonen mit einer Energie, die bislang kein anderer Teilchen-Beschleuniger erreicht hat, aufeinander prallen lassen. Unter den Elementarteilchen, die bei den Kollisionen entstehen, haben wir erste vielversprechende Ergebnisse bei der Suche nach dem Higgs-Boson. Die Messungen sind zwar noch nicht aussagekräftig genug, damit wir von einer Entdeckung sprechen können. Wir nehmen sie aber sehr ernst, weil sie sowohl vom Atlas- als auch vom CMS-Experiment kommen. Die beiden Detektoren messen mit unterschiedlichen Methoden und kontrollieren sich gegenseitig. Wenn beide Detektoren nun im selben Bereich mehr Ereignisse beobachten als wir erwarten, können wir das nicht wegdiskutieren.

Was heißt das genau?

Vor unseren Messungen haben wir zunächst so getan, als gebe es nur die Elementarteilchen, deren Existenz bereits bewiesen ist. Auf der Basis dieser bekannten Physik haben wir Erwartungen formuliert, welche Ergebnisse die Experimente liefern sollten. Wenn wir dann einer Stelle mehr Teilchen als erwartet messen, könnte es sich um die Spur einer neuen Physik, in diesem Fall des Higgs-Bosons handeln.

Wie konkret sind die Hinweise?

Beim Atlas-Experiment liegt der Messwert 2,3 Standardabweichungen über dem erwarteten Wert, beim CMS-Experiment sind es 1,9 Standardabweichungen – aber wohlgemerkt an derselben Stelle. Auf jeden Fall können wir den Bereich, in dem wir suchen müssen, jetzt sehr stark einengen.

Wie wahrscheinlich ist es dann, dass es sich tatsächlich um das Higgs-Teilchen handelt?

Eine Standardabweichung von 2,3 entspricht einer Wahrscheinlichkeit von 98 Prozent, dass es sich bei den Messungen nicht um eine statistische Schwankung handelt. Das ist wie beim Würfeln: Da ist es auch möglich, sechsmal hintereinander eine Sechs zu würfeln, obwohl sie im Mittel nur bei einem von sechs Würfen fallen sollte.

Wann können Sie von einer Entdeckung sprechen?

Ab einer Standardabweichung von fünf. Dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass wir das Higgs-Boson entdeckt haben 99,99993 Prozent. Dann glauben uns das auch alle Teilchen-Physiker.

Was hätte es für Konsequenzen, wenn sich die Existenz des Higgs-Teilchens bestätigt?

Dann können wir erklären, warum die Teilchen Masse haben. Wir wissen, dass sie Masse haben. Ich benutze dafür gerne das Bild, dass wir das jeden Morgen merken, wenn wir schwer aus dem Bett kommen. Im Standard-Modell der Teilchenphysik gibt es ohne den Higgs-Mechanismus oder ähnliche Erklärungen aber keine Masse.

Was taugt ein Modell, das der Wirklichkeit so offenkundig widerspricht?

Es ist in der Physik üblich ein Modell aufzustellen, um bestimmte Aspekte der Wirklichkeit zu erklären, auch wenn man weiß, dass es unvollkommen ist.

Diesen Makel soll das Higgs-Boson beseitigen?

Das Higgs-Boson würde den Higgs-Mechanismus beweisen. Diesen Mechanismus hat der britische Physiker Peter Higgs formuliert; er erklärt, wie die Teilchen Masse erhalten.

Bis wann wissen Sie genau, ob es sich bei den aktuellen Messungen um die Spuren des Higgs-Bosons handelt?

Bis Februar bleibt der Large Hadron Collider erst einmal abgeschaltet…

Gerade jetzt, wo es so spannend wird? Das ist ja schlimmer als die Winterpause der Fußball-Bundesliga.

Einmal im Jahr müssen wir die Maschine stilllegen, um sie zu warten. Dafür ist schon seit langem die Zeit bis Februar geplant, nicht zuletzt, weil in Frankreich viel mit Strom geheizt wird und der Strom dann teuer ist. In den USA werden Teilchen-Beschleuniger im Sommer abgeschaltet, wenn die Klimaanlagen die Stromkosten in die Höhe treiben. Wir hoffen aber, dass wir dann im nächsten Jahr bis zu vier Mal mehr Daten sammeln können als in diesem Jahr. Dann können wir die Existenz des Higgs-Bosons vielleicht schon im Sommer bestätigen oder ausschließen, spätestens aber bis zum Winter.

Und wenn das Higgs-Boson nicht existiert…

Dann ist das keine Niederlage. Im Gegenteil, für uns Physiker wäre das sehr spannend. Dann müssten sich die Theoretiker nämlich einen neuen Mechanismus überlegen, wie die Materie zu ihrer Masse kommt.

Aber nehmen wir mal an, Sie finden das Higgs-Boson. Wie geht es dann weiter?

Dann gibt es immer noch Elementarteilchen, die wir mit dem LHC finden möchten, supersymmetrische Teilchen zum Beispiel.

Welche Rolle spielen die?

Da muss ich ein bisschen ausholen: In dem Teilchenzoo, den wir kennen, unterscheiden sich die die Elementarteilchen, aus denen die Materie besteht, und die Teilchen, die Kräfte vermitteln, in einer fundamentalen Eigenschaft, dem Spin, der vereinfacht oft als Eigendrehimpuls der Teilchen beschrieben wird. Die Fermionen, aus denen sich Materie zusammensetzt, haben einen halbzahligen Spin, die Bosonen, die Kräfte vermitteln, haben einen ganzzahligen Spin. Das ergibt eine Asymmetrie. Weil wir Physiker die Symmetrie mögen, suchen wir nun also nach Elementarteilchen, die Materie aufbauen und einen ganzzahligen Spin besitzen, und solchen mit halbzahligem Spin, die Kräfte vermitteln. Das sind die supersymmetrischen Teilchen – wir nennen sie manchmal Susys. Diese Teilchen sind übrigens auch gute Kandidaten für die Dunkle Materie, die wir nicht sehen, die es im Weltall aber geben muss.

Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit Sie die Susys finden?

Zum einen wollen wir Protonen mit doppelt so hoher Energie wie derzeit aufeinander schießen. Diese Energie wollen wir Ende 2014 erreichen. Zum anderen müssen wir noch viel mehr Kollisionen analysieren, weil die Susys noch deutlich seltener auftreten als das Higgs-Boson.

Das klingt so, als hätten Sie noch viel zu tun…

Darüber sind wir auch sehr froh. Wir wollen im LHC ja noch mehr als zehn Jahre lang spannende Experimente machen. Wäre doch blöd, wenn wir nach etwa zwei Jahren Messbetrieb schon alles entdeckt hätten.

Herzlichen Dank für das Gespräch!

Das Gespräch führte Peter Hergersberg  (Quelle: idw)