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Vor zehn Jahren, am 4. Juli 2012, gaben die Experimente ATLAS und CMS am CERN noch sehr vorsichtig die Entdeckung eines „mit dem Higgs-Teilchen konsistentes“ Teilchens bekannt. Bald war klar: es hat tatsächlich die Eigenschaften des langesuchten Higgs-Teilchens. Vierzig Jahre vorher hatten es theoretische Physiker vorhergesagt, an anderen Teilchenbeschleunigern gab es erste Hinweise darauf, aber entdeckt wurde es am LHC. Wie haben Forscherinnen und Forscher die Zeit damals erlebt und was wissen wir inzwischen über das mysteriöse Higgs?
Wenn in der Welt der Teilchenphysik eine grosse Ankündigung bevorsteht, dann summt und brummt es in den Korridoren der Labore und Universitäten – die Aufregung der Forschenden ist deutliche zu spüren. In den Tagen vor der Bekanntgabe der Entdeckung eines neuen Teilchens am CERN wurde dieses Summen zu einem Knistern. "Es war eine extrem spannende Zeit voller Gerüchte und Spekulationen", erinnert sich Lea Caminada, heute Professorin am PSI und an der Universität Zürich. "Ich hatte gerade mein Doktorat abgeschlossen und forschte in den USA. Natürlich wussten wir, was unser Experiment gesehen hatte, aber wir hatten keine Ahnung, ob unsere Ergebnisse mit denen unseres freundlichen Konkurrenten übereinstimmen würden."
Ben Kilminster, heute ebenfalls Professor an der Universität Zürich, war zu dieser Zeit am Fermilab in den USA tätig und hatte einen besonderen Wissensvorsprung. Er war Mitglied der CDF-Kollaboration am Tevatron-Collider des Fermilab und hatte sich ausserdem vor kurzem dem CMS-Experiment am LHC angeschlossen. In den Jahren 2010 und 2011 leitete er die CDF-Higgs-Forschungsgruppe, die die Beobachtung eines Higgs-ähnlichen Teilchens bei 125 GeV am Tevatron meldete - allerdings mit zu wenig Daten, um tatsächlich als echte Entdeckung von etwas Neuem durchzugehen.
"CDF hat (vergeblich) versucht, dem LHC die Higgs-Entdeckung zu entreissen. Ich hatte aber das Glück, beide Seiten zu kennen - die Beobachtungen am Tevatron und am LHC", erzählt er. "Es war wirklich sehr aufregend." Die Entdeckung wurde am CERN in Europa verkündet, mit einer Videoschaltung zu einer Konferenz in Australien. Für Forschende in den USA war es also mitten in der Nacht zum 4. Juli, dem amerikanischen Nationalfeiertag. Kilminster fuhr in den frühen Morgenstunden zum Fermilab, um die Live-Übertragung in einem Konferenzsaal zu verfolgen, der voller Menschen war – einige sogar in Pyjamas.
Hans Peter Beck von der Universität Bern war sogar am Tag der Bekanntgabe des Ergebnisses mit Peter Higgs und Francois Englert, den theoretischen "Vätern" des Higgs-Bosons, im selben Raum. Er sass im ’Council Chamber’ des CERN und stellte sich während der Pressekonferenz nach der Bekanntgabe den Fragen der Medien - als Vorsitzender eines der Ausschüsse, die Publikationen des ATLAS-Experiments über die Higgs Suche begutachten war ihm das Ergebnis schon seit längerem bekannt. "In diesem Ausschuss war es meine Aufgabe, die richtigen Fragen zu stellen, um sicherzustellen, dass das, was wir veröffentlichen werden, fundiert und robust ist und den Peer-Review auf jeden Fall bestehen wird." Das Ergebnis hielt dem Test stand und beide Experimente veröffentlichten ihre individuellen Publikationen zur Higgs-Entdeckung pünktlich am 4. Juli 2012 gemeinsam. Seitdem haben sie 348 wissenschaftliche Artikel zum Higgs veröffentlicht, die mit zunehmender Präzision mehr und mehr von dem enthüllen, was dieses neu gefundene Teilchen ausmacht. Und tatsächlich ist es bisher in allen Aspekten das von Peter Higgs und anderen 1964 vorhergesagte Higgs-Teilchen. "Dennoch gibt es Raum für Unbekanntes und exotische Zerfälle oder leichte Abweichungen von den vorhergesagten Kopplungen sind nicht ausgeschlossen", betont Beck. "Wir sind mit Hochdruck dabei, nach neuer Physik in und um das gefundene Higgs-Boson zu suchen!" Was wissen wir also über das Higgs-Teilchen?
Was ist dieses Higgs-Ding überhaupt?
Zunächst einmal ein wenig Hintergrundwissen. Das Standardmodell der Teilchenphysik brauchte das Higgs-Teilchen, um zu erklären, warum Teilchen überhaupt Masse haben und warum manche schwer, manche leicht und manche masselos sind. Das Higgs-Teilchen - oder vielmehr das Feld, mit dem es verbunden ist und das den gesamten Raum durchdringt - wurde Mitte der sechziger Jahre von Robert Brout, François Englert und Peter Higgs postuliert. Das Higgs-Boson ist die Manifestation dieses Feldes: Je stärker ein Teilchen mit diesem Feld wechselwirkt, desto mehr Higgs-Bosonen werden ausgetauscht, desto schwerer ist das vorbeiziehende Teilchen.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler waren sich über viele Eigenschaften des Higgs ziemlich sicher, darunter auch über die Teilchenkombinationen, in die es am wahrscheinlichsten zerfallen wird. Allerdings hatten sie keine Ahnung, welche Masse es selbst hat, was das Rennen zwischen verschiedenen Teilchenbeschleunigern wie dem Tevatron und dem LHC noch spannender machte. Angesichts der Tatsache, dass das Higgs-Boson nur bei etwa einer von einer Milliarde LHC-Kollisionen auftritt und dass die Spuren, die es hinterlässt, den Zerfällen anderer Teilchen ähneln, die bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen, ist seine Entdeckung ein grosser Erfolg. Spezielle Signaturen des Higgs in den Detektoren. Zerfälle in zwei Photonen, in vier Leptonen - zum Beispiel zwei Elektronen und zwei Myonen - oder in zwei Leptonen und zwei nicht nachweisbare Neutrinos, die sich als fehlende Transversalenergie manifestieren, führten schliesslich zu dem berühmten Zitat des damaligen CERN-Direktors Rolf Heuer: "Ich glaube, wir haben es."
Was haben wir seit 2012 gelernt?
"Wir sind schon ziemlich weit gekommen", fasst Ben Kilminster die Anstrengungen der letzten zehn Jahre zusammen. Die Forschenden von ATLAS und CMS haben nicht nur die wichtigsten vom Standardmodell vorhergesagten Produktions- und Zerfallsmodi nachgewiesen, sondern auch andere, weniger bekannte Zerfälle gefunden. Die jüngste Messung ist die des Higgs-Zerfalls in Tau-Leptonen, den schwersten bekannten Leptonen, die mit einer Reihe offener Fragen der Teilchenphysik zusammenhängt. Bisherige Messungen zeigen, dass sich das Higgs wie erwartet verhält. "Bis jetzt stimmt alles mit den Vorhersagen des Standardmodells überein", sagt Kilminster. "Aber die neue Physik jenseits dieses Modells ist subtil. Sie würde nicht sofort ins Auge springen. Sehen wir wirklich alles? Mit mehr Daten werden wir in der Lage sein, genauere Überprüfungen vorzunehmen.“
"Es ist ein faszinierendes Teilchen", stimmt Lea Caminada zu. "Zunächst einmal ist es einzigartig, weil es das einzige skalare Boson ist, also ein Boson ohne Spin. Alle andere Bosonen haben einen Spin. Sowohl die Zerfalls- als auch die Produktionsarten des Higgs können uns viel darüber verraten, wie die Welt funktioniert. Wir haben eine Menge Daten gesammelt und grosse Fortschritte beim Verständnis des Higgs gemacht. Bis jetzt passt alles zum Standardmodell.“
Sie weist jedoch darauf hin, dass die ATLAS- und CMS-Wissenschaftler:innen noch dabei sind, die Daten der letzten LHC-Datennahme zu analysieren. Ihre Gruppe hat sich eine besonders knifflige Analyse ausgesucht: Sie wollen herausfinden, ob und wie das Higgs-Boson an Charm-Quarks koppelt. Da die Masse des Charm-Quarks geringer ist als die der Bottom- und Top-Quarks, ist seine Kopplung an das Higgs-Boson auch viel seltener. Das macht es schwierig zu messen und aus der riesigen Menge an Informationen aus den LHC-Kollisionen herauszufiltern. Sie suchen nach Ereignissen, bei denen das Higgs-Boson zusammen mit einem Charm-Quark erzeugt wird. Aber sie brauchen noch mehr Daten aus dem nächsten LHC-Lauf, um zu beweisen, dass Charm und Higgs miteinander wechselwirken. "Es gibt noch so viele Dinge, die wir untersuchen wollen", sagt Caminada, "nicht nur für das Higgs - koppelt es zum Beispiel an sich selbst? - sondern auch für eine ganze Reihe von anderen Untersuchungen."
Auch Hans Peter Beck macht sich keine Sorgen, dass es in nächster Zeit langweilig werden könnte. Mit der doppelten Menge an Daten aus den LHC-Datennahmperioden 1 und 2, die bis zum Ende von Datennahmperiode 3 im Jahr 2025 erwartet wird, ist genug für alle da. "Etwa 500 Analysen, die auf den Daten von der letzten Laufzeit basieren, sind noch im Gange, und wer weiss, vielleicht sind dort noch weitere Informationen über das Higgs versteckt? Es könnte sogar sein, dass das Higgs einen direkten Weg zur dunklen Materie am LHC findet –wenn es nämlich auch in dunkle-Materie-Teilchen zerfällt, wie es in einigen theoretischen Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt wird."
Und was könnte die Zukunft bringen?
Die Wissenschaftler:innen hoffen, dass die nächste Runde von Daten aus dem LHC nicht nur mehr über das Higgs enthüllen wird. Mehr Daten und höhere Energien bedeuten, dass bisher ungesehene oder sehr seltene Prozesse an Sichtbarkeit gewinnen. "Es sind noch nicht alle Häkchen gesetzt auf meiner Top-Ten-Liste der interessanten Dinge, die am LHC entdeckt werden sollen. Dunkle Materie fehlt zum Beispiel noch, oder "unsichtbare Higgs"-Zerfälle oder die Erklärung, warum Neutrinos Masse haben." Ben Kilminster hofft, dass die 3. Datennahmperiode, der Hochluminositäts-LHC oder ein zukünftiger Beschleuniger ein paar mehr Häkchen hinzufügen könnten. "Vielleicht gibt es auch mehr als ein Higgs-Boson? Vielleicht gibt es noch andere Möglichkeiten für Teilchen, Masse zu gewinnen? Das Higgs, das wir kennen, ist die einfachste Manifestation dieses Prozesses, aber das muss nicht sein..."
Hinter all dem steht die Suche nach der Lösung einiger der grössten Rätsel der Menschheit, wie Hans Peter Beck betont. "Um es klar zu sagen: Wir machen das alles nicht, um neue Teilchen zu finden. Wenn wir sie finden, ist das grossartig. Aber unser Antrieb hinter all dieser faszinierenden Technologie ist es, das Universum, den Urknall, die gesamte Natur und ihre Funktionsweise mit immer grösserer Präzision und Erkenntnis zu verstehen."
Author: Barbara Warmbein
Kontakt
Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP)
c/o Prof. Dr. Michele Weber
Universität Bern
Laboratory for High Energy Physics LHEP
Sidlerstrasse 5
3012 Bern