Cern entdeckt neues Elementarteilchen

Von Bryan Dyne
7. Juli 2012

Nach fast fünf Jahrzehnten des Suchens nach dem schwer fassbaren Higgs-Boson – dem Schlüssel zum Verständnis der Natur der Masse – scheint die lange Jagd beendet zu sein. Die jüngsten Ergebnisse aus dem CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung, deuten darauf hin, dass mittels des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC) in der Schweiz ein neues Elementarteilchen entdeckt wurde, das sehr wahrscheinlich das Higgs-Boson ist. Die Chancen, dass es sich bei dieser vorläufigen Entdeckung um einen statistischen Zufall handelt, stehen eins zu drei Millionen.

Die neuen Ergebnisse wurden am Mittwochmorgen in einer Pressekonferenz in Genf vorgestellt. Sie liefern offenbar eine schlagende Bestätigung für das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, das eines der wesentlichsten Bestandteile der modernen Theorie von der materiellen Welt ist.

Large Hadron Collider

Die Ergebnisse wurden gemeinsam von CMS und ATLAS vorgestellt, den beiden an LHC beteiligten Hauptexperimentgruppen, deren wesentliche Aufgabe darin besteht, nach dem Higgs-Boson zu forschen. Die an beiden Detektoren arbeitenden Physiker vermeldeten ein neues Teilchen mit 124 bis 126 Gigaelektronenvolt (GeV, eine Masseeinheit, die Teilchenphysiker verwenden) – dies entspricht ungefähr der Vorhersage für das Higgs-Boson, welche das Standardmodell liefert. Zum Vergleich: Ein Proton hat eine Masse von etwa einem GeV.

Das Standardmodell beschreibt die Elementarteilchen der Natur. Diese Teilchen sind in drei umfassende Kategorien gegliedert: in die Quarks (die in Kombinationen Protonen und Neutronen bilden, die ihrerseits, neben anderen Teilchen, die Bausteine von Atomen darstellen); in die Leptonen, zu denen die Elektronen gehören, die den Atomkern umkreisen und die in chemischen Reaktionen hochrelevant sind; und in die Eichbosonen, die Träger der elementaren Naturkräfte.

Zu den Bosonen gehören das Photon, welches für die Vermittlung der elektrischen und magnetischen Kräfte verantwortlich ist, und die Gluonen, welche die Quarks zu größeren Teilchenkombinationen zusammenbinden und verhindern, dass sie in Vereinzelung existieren. Die W- und Z-Bosonen vermitteln die schwache Kraft (Wechselwirkung), die in den radioaktiven Zerfall von Uran, Radium und anderen schweren Kernen eingebunden ist.

Das Standardmodell erklärt die Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen bemerkenswert gut (mit Ausnahme der Gravitationswechselwirkungen, die noch der vollständigen Aussöhnung mit dem Standardmodell harren). Ohne das Higgs-Boson fehlt allerdings eine Erklärung für den Ursprung der Teilchenmasse.

Im Standardmodell der Teilchenphysik stellt die Teilchenwechselwirkung mit dem “Higgsfeld” einen hypothetischen Mechanismus für die Erzeugung der Elementarteilchenmasse dar. In diesem Feld, das von der Theorie seit Langem vorhergesagt wird, würde sich auch ein Teilchen manifestieren, das nur unter außerordentlichen Energien beobachtet werden kann: solchen, die der LHC-Teilchenbeschleuniger produziert. Diese theoretische Vorhersage machte das Experiment erforderlich.

Obwohl diese Entdeckung bedeutend ist – dies ist ein bestätigtes neues Elementarteilchen –, ist sie nicht exakt eine Bestätigung des Higgs-Bosons. Das Teilchen selbst muss noch vollständig beschrieben werden, was zusätzliche monatelange Forschungen beanspruchen wird. Alles, was bekannt ist, ist die Masse des neuen Teilchens sowie drei verschiedene Weisen, auf die das Teilchen zerfallen kann. Dies sind die ersten Erkenntnisse, die der LHC über entdeckte Teilchen liefert.

Alle Teilchenbeschleuniger erzeugen Teilchen, indem eine extrem große Menge Energie in einem schmalen Volumenbehälter konzentriert wird. Dadurch werden sowohl die Menge der Teilchen, die im Schaft kollidieren, sowie die Energie jedes einzelnen Teilchens erhöht. Die kombinierte Energie aller beschleunigten Teilchen innerhalb des Large-Hadron-Collider-Teilchenbeschleunigers kann zu jedem Moment einem TNT-Äquivalent von 173 Kilogramm entsprechen und kollidiert in einem Raum, dessen Durchmesser weniger als einen halben Millimeter beträgt.

Jedes einzelne Teilchen verfügt über einen kleinen Bruchteil dieser Gesamtenergie, und diese Teilchen kollidieren wirklich miteinander. Da zur Erzeugung neuer Teilchen ein Energieäquivalent zu ihrer Masse vorhanden sein muss, müssen die Kollisionen, die das neu entdeckte Teilchen erschaffen haben, das massiver ist als die meisten anderen, von sehr hoher Energie sein. Anders gesagt, die Energie der Kollisionen wirkt als ein Energieüberschuss des Universums, der in Form neuer Teilchen in Masse umgewandelt wird. Demnach führen höhere Energiekollisionen zu mehr massestarken Teilchen wie dem Higgs-Boson.

Die meisten schweren Teilchen sind allerdings höchst instabil und zerfallen schnell in weniger massestarke Teilchen. Obzwar das Higgs-Boson zu schnell zerfällt, um beobachtet werden zu können, können seine Zerfallsprodukte – die Teilchen, die es hinterlässt – nachgewiesen werden. Die spezifischen Zerfallsmuster sind die „Signaturen“ der Teilchen. Was die Physikergemeinde so ausnehmend optimistisch stimmt, in dem neu entdeckten Teilchen das Higgs-Boson gefasst zu haben, ist in zwei Tatsachen begründet: das neu entdeckte Teilchen verfügt über eine Masse, die der für das Higgs-Boson vorhergesagten nahekommt und es verfügt über drei der ebenfalls vorhergesagten Higgssignaturen. Der Grund für die Schwierigkeiten, das Higgs-Boson nachzuweisen, besteht darin, dass geläufige andere Prozesse seine Signaturen einfach nachahmen können.

Falls dieses neue Teilchen tatsächlich das Higgs-Boson ist, gelangt eine Suche an ihr Ziel, die im Jahr 1964 von Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik, C. Richard Hagen und Tom Kibble begonnen wurde. Seinen Ursprung hat das postulierte Teilchen in der Suche nach Lösungen für fundamentale Probleme: Es wurde notwendig, eine Vereinheitlichung der Kraft, die Elektrizität und Magnetismus beherrscht, mit der sogenannten „schwachen“ Kraft, die verantwortlich für den Zerfall schwerer Atomkerne wie Uran und Radium ist, zu finden. Vereint man diese Kräfte in einer „elektroschwachen“ Kraft, dann müssten die diese Kräfte beherrschenden Teilchen masselos sein. Allerdings wurde damals bereits beobachtet, dass zwei der drei bekannten Teilchen über 80 GeV aufweisen und ein viertes vermutetes Teilchen (das bald darauf bestätigt wurde) auf über 90 GeV kommen musste. Um dieses Phänomen zu erklären, postulierten die oben genannten Physiker den später so bezeichneten Higgsmechanismus, der vom Higgs-Boson beherrscht wird und der genau erklärt, warum die Massen der Teilchen so unterschiedlich sind.

In diesem System stellt Masse ein Nebenprodukt der Interaktionen der Elementarteilchen mit dem Higgsfeld dar. Diese Interaktionen finden ununterbrochen statt, wobei die Higgs-Bosonen kurzzeitig in und wieder außer Existenz treten, da sie von den anderen Elementarteilchen emittiert und absorbiert werden.

Diese Idee stieß schon bald auf ein anderes grundlegendes Problem der Teilchenphysik: der Erklärung für die Masse der einzelnen Teilchen. Gegenwärtig ist es nicht möglich, die Masse jedes einzelnen Elementarteilchens theoretisch vorherzusagen. Sie muss experimentell bestimmt werden. Erkenntnis über den Ursprung der Masse – und damit zu einem Großteil über die materielle Welt – ist eine der grundlegenden Fragen, die sich der modernen Physik stellen. Es wird erwartet, dass die Entdeckung des Higgs-Bosons zu dieser Frage mehr Klarheit verschafft.

Die Veröffentlichung dieser Ergebnisse zeigt die großartige Befähigung der Menschen, die materielle Welt zu verstehen, unabhängig davon, wie sehr dieses Verständnis unserem Alltagsverstand zuwiderläuft. Tatsächlich erweist sich, dass Menschen etwas wissen können und dieses Wissen nutzbar wird, um neue Entdeckungen über das Universum zu antizipieren. Es besteht kein Zweifel, dass in den kommenden Monaten und Jahren viele unbekannte Dinge, vor allem in der Physik und auf anderen Feldern, entdeckt werden, aber diese werden verstanden werden und ihrerseits als Vorausnahme noch größerer Entdeckungen dienen.

Die eingehende Untersuchung des neuen Teilchens wird das nächste Halbjahr andauern und sie wird zu einem Hauptforschungsgebiet werden, sobald der LHC im Jahr 2014 über volle Energieausnutzung verfügt. Eine endgültige Bestätigung, dass es sich tatsächlich um das Higgs-Boson handelt, wird ein bedeutendes Kapitel der Physik abschließen und gleichzeitig neue eröffnen. Wissenschaftler werden die Befähigung haben, die Teilchenmasse vorherzusagen, doch wird die Theorie mit den bislang gesammelten Daten übereinstimmen? Überdies gibt es zahlreiche andere Fragen, die beantwortet werden müssen, wie die Zusammensetzung dunkler Materie und dunkler Energie, die einen Großteil des bekannten Universums ausmachen.