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Weshalb haben Teilchen eine Masse, wenn die Symmetrien, die die Interaktionen zwischen den Teilchen steuern, erfordern, dass sie eigentlich masselos sein müssten? Der diesjährige Nobelpreis für Physik wurde für die Beantwortung dieser seit 1964 intensiv debattierten Fundamentalfrage verliehen. Damals entwickelten die Physiker François Englert und Peter W. Higgs die Theorie, dass das Universum zu Beginn mit einem bisher unbekannten Kraftfeld – dem sogenannten Higgs-Feld – angefüllt gewesen sei. Die Theorie besagt, dass das Higgs-Feld jedem Teilchen, welches mit ihm in Kontakt kam, eine Masse verlieh, wobei Teilchen, die intensiver mit dem Feld interagierten, eine grössere Masse erhielten. Durch diese unterschiedlichen Massen wurden die Feldstärken der physikalischen Kräfte verändert, was wiederum dazu führte, dass Atome entstehen und sich aus diesen chemische Verbindungen entwickeln konnten. Falls die Theorie korrekt war, musste ein bislang unbekanntes Teilchen, das sogenannte Higgs Boson, existieren. Es sollte fast fünfzig Jahre dauern, bis die Theorie bewiesen werden konnte. «Das Large-Hadron-Collider-Experiment am CERN baut darauf auf, dass ein Higgs Boson durch Teilchenkollision künstlich erzeugt wird und über seine Zerfallsprodukte nachgewiesen kann», erläutert die Physikerin Florencia Canelli von der Universität Zürich den Ansatz, um die Theorie an den Detektoren CMS und ATLAS am Large Hadron Collider zu verifizieren. Die Schweiz beteiligte sich mit Beiträgen im Wert von 130 Millionen CHF an der Entwicklung, der Konstruktion und dem Betrieb der Detektoren, was 9 Prozent der für die Detektoren aufgewendeten Gesamtsumme entspricht.
Universität Zürich entwickelte und baute innerste Komponente des CMS-Detektors
Im Juli 2012 wurde die Entdeckung des Higgs Bosons am Large Hadron Collider durch seine beiden Detektoren ATLAS und CMS bekannt gegeben. Die Universität Zürich ist mit den experimentellen Physikern Claude Amsler, Florencia Canelli, Vincenzo Chiochia und Ben Kilminster Teil jenes Teams, dem der Nachweis des Higgs Bosons gelungen ist. «Diese Entdeckung beruht auf enger Zusammenarbeit von Experiment und Theorie», erklärt Massimiliano Grazzini die wichtigen von ihm und weiteren theoretischen Physiker aus den Gruppen von Thomas Gehrmann und Stefano Pozzorini erbrachten Beiträge zu Berechnungen und Simulationen.
Physiker der Universität Zürich sind seit 1995 am CMS-Detektor tätig: Zusammen mit Kollegen der ETH Zürich, dem Paul-Scherrer Institut und der Schweizer Industrie entwickelten und bauten sie die innerste Komponente des Detektors, den sogenannten CMS-Pixel-Detektor. Gemäss Chiochia befindet sich die Komponente nur vier Zentimeter vom Kollisionspunkt der Teilchen entfernt und kann dank ihrer extrem hohen Auflösung von 66 Millionen Pixeln Teilchendurchgänge und Scheitelpunkte von Zerfällen mit extremer Präzision identifizieren.
Gibt es weitere noch unbekannte Kräfte und Teilchen?
Zur grossen Freude aller Teilchenphysiker wurden nun François Englert und Peter W. Higgs mit dem Nobelpreis für Physik für ihre grundlegende Theorie geehrt, die das Wissen um die Masse der Teilchen und der zugrunde liegenden Kräfte fundamental veränderte. Doch bereits jetzt zeichnen sich für Teilchenphysiker und theoretische Physiker neue Fragen ab. Dazu Kilminster: «Erste Hinweise deuten darauf hin, dass es neben dem Higgs Boson noch weitere bislang unbekannte Teilchen geben könnte.» Gibt es also möglicherweise noch weitere unbekannte Kräfte und Teilchen, die, wenn einmal begriffen, unser Verständnis von der Entstehung des Universums auf eine neue Ebene anheben könnten? Möglicherweise wird erst die nächste Generation von Physikern in der Lage sein, diese Fragen theoretisch und experimentell zu beantworten. Die Physiker der Universität Zürich sind aber schon heute bereit, sich auf die Suche nach den Antworten auf die neuen Fragen zu machen: Der Large Hadron Collider und seine Detektoren werden jetzt fit gemacht für die nächsten Entdeckungen. Neue Daten werden voraussichtlich ab Anfang 2014 erhoben. Die CMS-Gruppe der Universität Zürich arbeitet bereits jetzt an künftigen Verbesserungen für den CMS-Detektor: Zurzeit wird die nächste Generation der innersten CMS-Komponente entwickelt und gebaut. Diese wird dank der noch grösseren räumlichen Genauigkeit Teilchen noch besser identifizieren und insbesondere auch besser mit der ab 2018 erwarteten höheren Datenrate am Large Hadron Collider umgehen können.
Die Universität Zürich und der Large Hadron Collider
Die Universität Zürich ist am LHC am CERN mit vier experimentellen Forschungsgruppen aktiv: Die Gruppen von Professor Florencia Canelli, Vincenzo Chiochia and Ben Kilminster forschen am CMS Detektor, Prof. Ulrich Straumanns Gruppe am LHCb Detektor. Bei der Analyse und Interpretation der Daten werden sie von den Gruppen der Professoren Thomas Gehrmann und Stefano Pozzorini unterstützt.
Der CMS-Detektor
Der CMS-Detektor misst mit sehr hoher Genauigkeit die Energie und den Impuls von Photonen, Elektronen, Myonen und anderen geladenen Partikeln. Innerhalb des 12'500 Tonnen schweren Detektors sind verschiedene Messinstrumente in Lagen angeordnet. Am Bau und Betrieb des CMS-Detektors sind weltweit 179 Institutionen beteiligt. Von Schweizer Seite sind dies die Universität Zürich, welche die CMS-Pixel-Detektor-Hardware entwickelte und konstruierte, die ETH Zürich und das Paul-Scherrer-Institut.