Zehn Dinge, die wir in zehn Jahren über das Higgs-Boson gelernt haben Understand article

Trefft das Higgs-Boson: Was haben Physiker über dieses Teilchen herausgefunden, seit es vor zehn Jahren entdeckt wurde?

Die Geschichte des Higgs-Bosons

In den frühen 1960ern wurde das Standardmodell der Elementarteilchenphysik (siehe Infobox 1) entwickelt um die fundamentalen Interaktionen zwischen Elementarteilchen zu beschreiben. Dieses konnte aber nicht deren beobachtete Masse erklären. 1964 wurde ein Mechanismus vorgeschlagen um zu beschreiben, wie Elementarteilchen durch Wechselwirkung mit einem unsichtbaren Feld, heute Brout-Englert-Higgs (BEH)-Feld genannt, Masse erwerben könnten. Je stärker die Wechselwirkung eines Teilchens mit dem Feld (Kopplung), desto größer die Masse des Teilchens. Diese Theorie sagte auch ein neues Teilchen vorher, welches als Higgs-Boson bekannt wurde. Nach unserem heutigen Verständnis ist das BEH-Feld immer gegenwärtig und füllt das ganze Universum aus. Um das Higgs-Boson zu erzeugen, muss das BEH-Feld angeregt werden.

Zu diesem Zweck beschleunigt und kollidiert der Große Hadronen-Speicherring (LHC) am CERN hochenergetische Protonen und generiert damit genügend Kollisionsenergie, um die Entstehung neuer Teilchen zu ermöglichen. Zwei hochmoderne Detektoren, der ATLAS^[1]  und der CMS^[2], wurden konstruiert um die Endprodukte solcher Kollisionen zu detektieren und an entgegengesetzten Punkten entlang des 27 km langen LCH-Tunnels installiert. Indem sie eine extrem große Anzahl von Kollisionen analysiert haben, konnten Physiker 2012 auf die Existenz des Higgs-Bosons  rückschließen.

Das war die längste Suche nach einem vorhergesagten Teilchen in der Geschichte der Teilchenphysik und erforderte das größte physikalische Experiment, das jemals durchgeführt wurde. Viele Tausend Wissenschaftler und Ingenieure aus der ganzen Welt waren beteiligt. Nach der Entdeckung wurde für die Arbeit an der theoretischen Vorhersage der Physik-Nobelpreis 2013 verliehen. Also, was haben wir seit seiner Entdeckung über dieses Teilchen gelernt?

1) Ein Skalarteilchen existiert in der Natur

In den frühen Morgenstunden des 4. Juli 2012 sah das Foyer vor dem Haupthörsaal des CERN eher aus wie die Vorhalle eines Rockkonzerts als wie das Hauptgebäude des größten Teilchenphysik-Labors der Welt (Abbildung 2). Dutzende benommene Studenten rollten ihre Schlafsäcke zusammen und streckten sich nach einer langen Nacht auf dem harten Fußboden. Die Aufregung in der Schlange war pulsierend, obwohl die Chancen, es ins Auditorium zu schaffen, gering waren. Wir hatten es gefunden, das erste skalare Elementarteilchen! (Siehe Infobox 2)

2) Es ist schwer und kurzlebig

Die ersten Messungen des neuen Skalarteilchens hingen von zwei experimentellen Kanälen ab (siehe Infobox 3): Zerfällen zu vier geladenen Leptonen (vier Elektronen, vier Muonen oder zwei Elektronen und zwei Muonen) und Zerfällen zu zwei Photonen. Abbildung 4 zeigt Daten, die zur Bestimmung der Masse des neuen Teilchens durch seinen Zerfall zu zwei Photonen verwendet wurden, wie sie mit dem CMS-Experiment aufgezeichnet wurden. Der obere Teil der Abbildung zeigt die Anzahl beobachteter Ereignisse pro Massenklasse (schwarze Punkte) und der untere Teil zeigt dieselbe Menge nach Subtraktion des Hintergrunds. Durch Anpassen der Datenpunkte mit einer erwarteten Linie (rote Linie), bestimmten Physiker die Masse des neuen Teilchens auf 125 GeV/c², was interessanterweise viel schwerer ist, als viele Physiker erwartet hatten. Im Gegensatz zu seiner großen Masse ist die Lebensdauer des Teilchens gering, es ist nach 10^–22 s verschwunden.

3) Es hat keine elektrische Ladung und keinen Spin

Während des Teilchenzerfalls wird nicht nur die Gesamtmenge an Energie und Impuls erhalten, sondern auch die Summe aller elektrischen Ladungen. Daher hat die Entdeckung des H(125)-Teilchens (siehe Infobox 4) durch seinen Zerfall in zwei Photonen sofort bewiesen, dass das neue Teilchen keine Ladung besitzt. Warum? Lasst uns den Zwei-Photonen-Zerfall des Higgs-Bosons genauer betrachten:

Da die elektrische Ladung jedes Photons Null ist, muss die elektrische Ladung des Higgs-Bosons ebenfalls Null sein.

Zusätzlich kann der Spin des neuen Teilchens durch eine Untersuchung der relativen Winkel der Zerfallsprodukte bestimmt werden. Zum Beispiel können wir uns den Winkel zwischen den beiden Photonen beim Zwei-Photonen-Zerfall anschauen. Daraus haben Wissenschaftler geschlossen, dass H(125) ein Skalarteilchen ist, also einen Spin von 0 hat.

4) Es wechselwirkt mit anderen Bosonen

Wie das Higgs-Boson mit anderen Teilchen wechselwirkt kann daran untersucht werden wie es zerfällt und wie es entsteht. Aufgrund seiner Entdeckung durch Zerfälle zu zwei Photonen und zu zwei Z-Bosonen wurde gefolgert, dass das H(125)-Teilchen mit Bosonen wechselwirkt. Das wurde durch Messungen von Zerfällen zu zwei W-Bosonen bekräftigt.

5) Es interagiert mit Fermionen

Das Standardmodell sagt vorher, dass die Stärke der Kopplung zwischen Higgs-Boson und anderen Teilchen proportional zu deren Masse ist. Das bedeutet, dass wenn man die Higgs-Kopplungsstärke als eine Funktion der Masse jedes Teilchens aufzeichnen würde, alle Punkte auf eine gerade Linie fallen sollten.

Fermionen sind in drei Familien mit zunehmender Masse eingeteilt (Abbildung 1). Daher kann dieser lineare Zusammenhang durch Untersuchung der Higgs-Kopplung der drei Fermionen-Familien überprüft werden. Für die schwersten Fermionen wurden alle Kopplungen gemessen und die Ergebnisse passen zu den Vorhersagen (Abbildung 5). Die Punkte fallen auf eine gerade Linie.

Die Herausforderung ist es jetzt, dies auf die zweite Generation Fermionen auszuweiten, welche schwächer mit dem Higgs-Boson koppeln. Physiker haben kürzlich Zerfälle von H(125) zu Muonen beobachtet und konzentrieren sich nun auf Zerfälle zu Charm-Quarks.

6) Es könnte ein Portal zur dunklen Materie sein

Aus astronomischen Beobachtungen wissen wir, dass nur ein kleiner Teil aller Materie in unserem Universum sichtbare Materie aus Elementarteilchen des Standardmodells ist (Sterne, Planeten, Staub, etc.). Die meisten Wissenschaftler glauben, dass ungefähr 85 % aller Materie im Universum aus unsichtbarer ‚dunkler Materie‘ besteht.

Falls dunkle Materie aus Elementarteilchen besteht, sagt das Standardmodel keines davon vorher. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen dem Higgs-Boson und der Masse, lasst uns annehmen, dass das Higgs-Boson und dunkle Materie in der Natur miteinander wechselwirken. Könnte man diese Wechselwirkungen möglicherweise messen? Vielleicht. Eine mögliche Signatur sind ‚unsichtbare‘ Higgs-Boson-Zerfälle, also Transformationen des Higgs-Boson zu Teilchen, die nicht mit unseren Detektoren wechselwirken. Im Standardmodell sind die einzigen Teilchen, die so schwach wechselwirken, dass sie der Detektion entgehen, die Neutrinos. Der einzige unsichtbare Higgs-Boson-Zerfall, der vom Standardmodell vorhergesagt wird ist der Zerfall zu vier Neutrinos, mit einem Verzweigungsverhältnis von 0.1 %. Falls das H(125)-Teilchen mit dunkler Materie wechselwirkt, sollte der Anteil an unsichtbaren Zerfällen signifikant größer sein.

Derzeit können wir nur feststellen, dass alle Zerfälle zu unsichtbaren Teilchen weniger als 15 % aller H(125) Zerfälle ausmachen, es ist also noch ein weiter Weg bis wir die Vorhersage des Standardmodells überprüfen können.

7) Es könnte die Struktur des Universums berühren

Wie erwähnt ist die Masse des H(125)-Teilchen höher, also einige Theoretiker erwartet hatten. Diese Beobachtung hat viele sehr interessante Bedeutungen für unser Universum: Ein Higgs-Boson mit einer hohen Masse deutet darauf hin, dass unser Universum vielleicht nicht absolut stabil ist, sondern in einem Zustand zwischen stabil und metastabil. In einem stabilen Universum sind die Gesetze der Physik und seine grundlegenden Konstanten über die Zeit hinweg konstant. In einem metastabilen Universum ist das jedoch nicht der Fall.

Um diese Möglichkeiten zu überprüfen, untersuchen Wissenschaftler wie das H(125)-Teilchen mit sich selbst wechselwirkt (Selbstwechselwirkung). Eine der Signaturen, die genutzt werden können um die Selbstwechselwirkung zu betrachten, ist die Entstehung von Higgs-Bosonen-Paaren durch Proton-Proton-Kollisionen. Weil die Wahrscheinlichkeit der Entstehung eines Higgs-Bosonen-Paars im Standardmodell extrem klein ist, sind große Datenmengen und komplizierte Analysen nötig.

Obwohl die bisher gesammelten Daten bei weiten nicht ausreichend sind, schätzen wir, dass wir bis ungefähr 2040 genug Daten haben werden, um die Standardmodell-Vorhersage zu überprüfen. Im Moment entwickeln wir neue Ansätze zum besseren Verstehen und Analysieren der Daten.

8) Es scheint ein Einzelkind zu sein

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt nur ein elementares Skalarteilchen vorher. Es gibt aber keinen fundamentalen Grund, warum es nur eines geben sollte und hypothetische Erweiterungen des Standardmodells sagen mehr als ein Higgs-Boson vorher. Daher suchen Wissenschaftler nach anderen Higgs-Bosonen – leichter und schwerer, neutral oder elektrisch geladen. Bisher war diese Suche erfolglos und das H(125)-Teilchen ist bisher das einzige bekannte Skalarteilchen.  

9) Es treibt uns über die Grenzen des Standardmodells hinaus

Das Higgs-Boson ist der neueste Spieler im Team der Teilchen, die wir benutzen um die Natur des Universums zu verstehen. Es bleiben viele offene Fragen, zum Beispiel über die Materie-Antimaterie-Asymmetrie, dunkle Materie, die Anzahl der Fermionenfamilien und die Vereinigung aller Kräfte. Um diese Fragen zu adressieren können detaillierte Erforschungen der Eigenschaften von Teilchen wie den Z- und W-Bosonen, den Beauty- und Top-Quarks, und nun auch dem H(125)-Teilchen, Energieregime jenseits derer, die in Teilchenbeschleunigern direkt zugänglich sind, untersuchen und könnten uns die Richtung für das nächste Standardmodell weisen.

10) Es ist erst der Anfang

Während wir bereits einige Eigenschaften und Wechselwirkungen des H(125)-Teilchens etabliert haben, bleibt noch viel herauszufinden. Gibt es wirklich nur ein Higgs-Boson in der Natur? Wie weichen seine Eigenschaften von den Vorhersagen des Standardmodells ab? Könnte es mit dunkler Materie wechselwirken? Werden wir in der Lage sein, mit ihm die Stabilität des Universums zu erforschen? Vor zehn Jahren waren diese Fragen jenseits unserer Reichweite. In den kommenden Jahren wird das Higgs-Boson ein mächtiges Werkzeug für unser Streben danach, nicht nur die Welt der Elementarteilchen zu verstehen, sondern auch ihre Rolle im Universum als Ganzes. 

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