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Entdeckung am CERN Die Jagd nach dem Higgs-Boson

Anfang Juli 2012 verkündeten Physiker am Teilchenforschungszentrum CERN: Wir haben ein neues Elementarteilchen entdeckt! Das jahrzehntelang gesuchte Higgs-Boson war gefunden. Doch absolut gewiss ist dies noch nicht.

Stand: 24.05.2017

Computersimulation des Zerfalls eines Higgs-Teilchens | Bild: DESY in Zeuthen

"Wir haben eine Entdeckung: Wir haben ein Teilchen gefunden, das konsistent mit dem Higgs-Boson ist", verkündete der damalige CERN-Generaldirektor Rolf Heuer am 4. Juli 2012 im Auditorium des Forschungszentrums in Genf. Unter donnerndem Applaus und Jubelrufen von Forscherkollegen bestätigte er offiziell: Nach mehreren Jahrzehnten der Suche ist das letzte Elementarteilchen entdeckt, das bisher nicht nachzuweisen war.

Noch keine absolute Sicherheit

CERN-Direktor Rolf Heuer

Ob es sich bei dem entdeckten Teilchen aber wirklich um das mysteriöse Higgs-Boson handelt, lässt sich mit absoluter Sicherheit immer noch nicht sagen. Nachdem die Wissenschaftler monatelang die Daten der Detektoren ATLAS und CMS ausgewertet hatten, konnten sie im März 2013 zwar sagen, dass das im Juli 2012 gefundene Teilchen immer mehr Ähnlichkeit mit dem Higgs-Boson hat. Trotzdem wird es noch Jahre dauern, bis feststeht, ob es sich wirklich um das Higgs-Boson aus dem Standard-Modell der Elementarteilchen handelt. Es könnte nämlich auch ein Teilchen sein, das in Theorien vorhergesagt wird, die über das Standard-Modell hinausgehen.

Ursprung der Masse

Computersimulation des Zerfalls eines Higgs-Teilchens

Das kaum zu fassende Higgs-Teilchen gilt als der Urheber für eine der Grundeigenschaften aller Dinge: der Masse. Ohne Masse gäbe es keine Atome und keine normale Materie. Denn die Masse sorgt dafür, dass die Grundbausteine der Materie zusammenhalten und miteinander in Wechselwirkung stehen.

Namensgeber Peter Higgs begeistert

Peter Higgs am CERN in Genf

Lange Zeit aber konnte das Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklären, woher die Elementarteilchen diese Eigenschaft haben. Mit der Entdeckung des neuen Teilchens sind die CERN-Physiker der Erklärung einen großen Schritt näher gekommen. Auch Peter Higgs, Namensgeber des gesuchten Teilchens, war von den Forschungsergebnissen begeistert: "Es ist wirklich unglaublich, dass das noch zu meinen Lebzeiten passiert", sagte der damals 83-Jährige in Genf. Das sei ein "gewaltiger Erfolg" und "wirklich großartig". Das Nobelpreis-Komitee war ebenfalls begeistert - Peter Higgs erhielt 2013 den Nobelpreis für Physik.

Elementarteilchen auf der Cocktail-Party

Der britische Physiker David Miller hat das Higgs-Feld mit einer Cocktail-Party verglichen. Wenn eine bedeutende Persönlichkeit, beispielsweise ein bekannter Politiker, den Raum betritt, sammelt sich schnell eine Traube anderer Gäste um ihn. Der Politiker kann sich vor lauter Menschen kaum mehr vorwärtsbewegen. Er ähnelt einem Teilchen mit hoher Masse, das nur mit viel Energie beschleunigt werden kann.

Wenn es aber den Higgs-Mechanismus gibt, dann muss es auch ein dazugehörendes Teilchen geben: das Higgs-Boson. Dieses Higgs-Boson entsteht, wenn sich das Higgs-Feld an bestimmten Stellen verdichtet. In der Cocktail-Party-Analogie wäre das der Fall, wenn die Gäste Grüppchen bilden, weil sie beispielsweise gerade den neuesten Tratsch austauschen.

Auswertungen noch nicht abgeschlossen

Energie und Masse

In Elektronenvolt wird die Energie angegeben, die man benötigt, um ein Teilchen zu beschleunigen. Da sie eng mit dessen Masse verknüpft ist, verwenden Physiker diese Einheit auch als Massenangabe für Elementarpartikel.

Die Experimente am CERN zeigten die Existenz eines Teilchens bei 125 Gigaelektronenvolt. In diesem Bereich soll sich auch das geheimnisvolle Higgs-Teilchen befinden. Die Wahrscheinlichkeit, gar kein Teilchen gefunden zu haben, lag laut CERN-Generaldirektor Heuer bei etwa eins zu einer Million. Trotz aller Begeisterung bezeichneten die CERN-Forscher ihr Ergebnis im Juli 2012 aber als vorläufig. Zum Higgs-Boson erklärte Heuer: "Als Laie würde ich sagen, wir haben es. Aber als Wissenschaftler muss ich fragen: Was haben wir?"

Aus Klumpen wird Masse

Mitte der 1960er-Jahre entwickelten mehrere Physiker, darunter der Brite Peter Higgs, die Theorie des "Brout-Englert-Higgs-Mechanismus". Demnach existiert im Universum ein Feld, das sogenannte Higgs-Feld. Teilchen treten mit diesem unsichtbaren Feld in Wechselwirkung. Dadurch bildet es eine Art Klumpen um das Partikel, und dieser Klumpen verleiht ihm seine Masse.

Phantom seit mehr als dreißig Jahren

Allerdings war das Higgs-Boson das einzige Teilchen im Standardmodell der Physik, das nicht experimentell nachgewiesen werden konnte. Man wusste zwar, dass das gesuchte Teilchen eine Masse hat, aber nicht, welche. In den vergangenen Jahren war es den Physikern aber gelungen, den Suchbereich immer weiter einzuengen. Bis zum Sommer 2011 hatten Experimente am Teilchenbeschleuniger Tevatron Collider in den USA ergeben: Die Masse des Teilchens, das möglicherweise das Higgs-Boson ist, beträgt weniger als 140 Gigaelektronenvolt.

Das Netz wird immer enger

Ende 2011 schränkten Ergebnisse am LHC (Large Hadron Collider) des CERN die mögliche Masse des Higgs-Bosons noch weiter ein: Sie müsse zwischen 116 und 127 Gigaelektronenvolt liegen. Sie fanden sogar erste Indizien für ein Partikel mit einer Masse von 124 bis 126 Gigaelektronenvolt. Dann ließ sich schließlich ein Teilchen bei 125 Gigaelektronenvolt beobachten. Der Aufwand dafür war gewaltig: Die Wissenschaftler registrierten bei den Teilchenkollisionen 5,5 Billionen Ereignisse. Davon identifizierten sie 200.000 als Higgs-Teilchen, doch nur bei 200 waren die Daten so exakt, dass man berechnen konnte, wie schwer das Teilchen ist.


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