UZH-Forschung am CERN

Dem Higgs-Teilchen auf den Fersen

Die Physiker am CERN sind auf der Suche nach dem Higgs-Boson einen grossen Schritt weitergekommen. Wie sie heute in Genf bekannt gaben, weisen die Resultate aus den Experimenten am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) auf ein neues Teilchen hin, das Charakteristiken des Higgs-Teilchens aufweist. Am Experiment beteiligt sind auch Wissenschaftler der Universität Zürich. 

Theo von Däniken

Aufnahme einer Proton-Proto-Kollision im CMS-Detektor: Das Ereignis zeigt Eigenschaften eines Higgs-Bosons gemäss Standardmodell der Physik, das in zwei Photonen zerfällt (gestrichelte gelbe Linien und grüne Balken). Das Ereignis könnte jedoch auch von anderen Prozessen des Standardmodells stammen. (Bild: zVg.)

«Wir können zwar nicht sagen, dass wir das Higgs-Boson entdeckt haben», sagte Vincenzo Chiochia, Physikprofessor an der Universität Zürich, gegenüber UZH News. «Aber wir können mit Bestimmtheit sagen, dass wir ein neues Teilchen mit der Masse von 125 GeV (Giga-Elektronvolt) gefunden haben.» Chiochia ist am CMS-Experiment beteiligt, einem von zwei Detektoren, die Hinweise auf das neue Teilchen aufgezeichnet haben.

Das letzte noch nicht nachgewiesene Teilchen

Das Higgs-Boson ist für das Standard-Modell der Physik von grösster Bedeutung, denn es erklärt, weshalb Teilchen überhaupt Masse haben. Ohne das nach dem schottischen Physiker Peter Higgs benannte Teilchen gäbe es die ganze sichtbare Welt nicht, beziehungsweise die Physik könnte nicht erklären, weshalb es sie gibt. Bosonen sind Teilchen, die Kräfte zwischen anderen Elementarteilchen, den Fermionen, vermitteln. Das Photon, Träger des Lichts, ist etwa ein Boson.

Das Higgs-Boson ist das einzige in der Standard-Theorie vorausgesagte Teilchen, das bisher noch nicht durch Beobachtung nachgewiesen werden konnte. Entsprechend gross ist die Aufregung nun, da man dem Higgs so nah auf den Fersen ist, wie noch nie zuvor. «Wir wissen noch zu wenig über die Charakteristiken des Teilchen, um sagen zu können, dass es das Higgs-Boson ist», sagt Chiochia. Doch was die Physiker bisher gesehen haben, entspricht dem, was die Theorie vom Higgs-Teilchen voraussagt. «Wir können sagen, dass es sich um ein Boson handelt, und wir wissen, dass sein Spin, seine Eigendrehung, nicht eins sein kann.» Gemäss Theorie hat das Higgs-Boson einen Spin von null.

Unabhängige Messungen

Im CMS-Experiment werden fünf mögliche Zerfallskaskaden des Higgs-Teilchens analysiert. In zwei Messkanälen, dem Zerfall in zwei Photonen sowie dem Zerfall in vier Leptonen, konnte der CMS-Detektor im Bereich von 125 GeV signifikante Häufungen von Zerfällen erkennen, die von einem einzelnen Teilchen herrühren könnten. «Beide Kanäle sind gänzlich unabhängig voneinander und funktionieren mit vollständig unterschiedlichen Methoden», erklärt Chiochia. «Dass wir in beiden im selben Massenbereich die Hinweise auf das Teilchen gefunden haben, ist ein starkes Indiz», erklärte Chiochia. Die Häufungen sind statistisch signifikant, so dass eine zufällige Messung ausgeschlossen werden kann.

Im weiteren zeigen die CMS-Ergebnisse, dass die Existenz des Higgs-Teilchens in einem Massenbereich von 110 – 122.5 GeV sowie 127 – 600 GeV mit einem Konfidenzniveau von 95 Prozent ausgeschlossen werden kann. Damit können die notwendigen künftigen Analysen auf den Massenbereich zwischen 122.5 – 127 GeV eingegrenzt werden. Zum Beispiel müssen die Physiker genauer wissen, in welchen Winkeln die Zerfallsprodukte wegfliegen. Dies ermöglicht beispielsweise Aussagen über den Spin des Teilchens.

Möglichst viele Daten sammeln

Um sicher zu sein, dass es sich bei dem Teilchen wirklich um das Higgs-Boson handelt, muss es zunächst in allen fünf Zerfallskaskaden nachgewiesen werden. «Dann können wir überprüfen, ob es sich in allen Bereichen so verhält, wie wir aufgrund der Theorie erwarten würden», sagt Chiochia. Vordringlich ist deshalb, noch mehr Daten zu sammeln, das heisst noch mehr Kollisionen im Teilchenbeschleuniger aufzuzeichnen. Die heute, am Mittwoch, präsentierten Daten beruhen auf den Kollisionen, die im LHC im Jahr 2011 und bis Mitte Juni 2012 erhoben wurden. Seitdem ist der Beschleuniger für eine kurze Revisionsphase abgestellt. Doch bald sollen die Experimente weitergehen, mindestens bis im Dezember.

«Wir wollen dieses Jahr noch so viele Daten wie möglich sammeln», sagt Chiochia, Denn danach wird der Teilchenbeschleuniger für rund eineinhalb Jahre revidiert und für Kollisionen mit noch höheren Energien aufgerüstet. «Dann werden wir über eine längere Zeit keine neuen Daten mehr erheben können». Verständlich, dass die Wissenschaftler jetzt, da sie dem letzten noch unentdeckten Teilchen so dicht auf den Fersen sind, wenig Geduld haben, noch länger zu warten.

Die Universität Zürich hat im Rahmen des CMS-Experiments  
gemeinsam mit der ETH Zürich und dem PSI den Pixel-Detektor  
entwickelt, eines der Aufzeichnungsgeräte für die Zerfallsprodukte, die bei den Kollisionen entstehen. «Der Pixel-Detektor ist sehr wichtig für die Untersuchungen am CMS», erklärt Chiochia. Seine Gruppe untersucht derzeit so genannte Tau-Tau-Zerfälle. «Dort konnten wir leider noch keine Spuren des neu entdeckten Teilchens finden.» Doch, so Chiochia, könnte der Tau-Tau-Zerfall einen Beweis liefern, ob es sich bei dem gefundenen Teilchen tatsächlich um das gemäss Standard-Theorie vorausgesagte Higgs-Boson handelt.

UZH und LHC Die Universität Zürich ist mit drei Forschungsgruppen am LHC am CERN beteiligt. Die Gruppen von Prof. Amsler und Prof. Chiochia arbeiten am CMS-Experiment, die Gruppe von Prof. Straumann beteiligt sich am LHCb Experiment. CMS-Detektor Der CMS-Detektor dient dazu, Energie und Impuls von Photonen, Elektronen, Myonen und anderen geladenen Teilchen mit hoher Genauigkeit zu messen. Im 12'500 Tonnen schweren Detektor sind schichtweise verschiedene Messvorrichtungen angeordnet, mit denen die Spuren der bei den Kollisionen entstehenden Teilchen eingefangen werden können. An der Entwicklung des CMS waren weltweit 179 Institutionen beteiligt. In der Schweiz sind es die Universität Zürich, die ETH Zürich und das Paul Scherrer Institut.

Theo von Däniken, Journalist und Mitarbeiter der Abteilung Kommunikation.

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