Hintergrund | 03.07.2013 | Drucken | Teilen

Higgs-Boson

Ein bittersüßes Ende?

Die Entdeckung das Higgs-Teilchens vor einem Jahr war der Höhepunkt einer spektakulären Suche. Es brachte die Teilchenphysik des 20. Jahrhunderts zum Abschluss - und beschert der Disziplin eine ungewisse Zukunft.
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Higgs-Signal

Die Geste für die Geschichtsbücher ereignete sich am Ende des Seminars. Peter Higgs rang mit den Tränen, die Zuschauer in dem großen Genfer Hörsaal applaudierten stehend. Schließlich, im Fokus der Kameras, reckte ein grauhaariger Herr seine Faust in die Luft – die Geste eines siegreichen Sportlers. Kein Wunder: In einem fünf Jahrzehnte währenden Ringen hatten tausende Physiker der Natur ihr bisher tiefstes Geheimnisse abgetrotzt: das Higgs-Teilchen.

Die Faust gehörte zum Arm von Lyn Ewans, seit 1994 Projektleiter des Riesenbeschleunigers LHC. Sie ließ erahnen, was für ein harter Wettstreit es war. Er begann 1964, als der schottische Physiker Peter Higgs einen subatomaren Mechanismus skizzierte, der eine grundlegende Frage beantworten sollte: Warum haben die meisten Elementarteilchen eine Masse, während andere schwerelos durch den Raum flitzen?

Heute wissen Physiker, dass Higgs Recht hatte: Jeder Fleck des Universums wird von einem unsichtbaren Energiefeld durchzogen. Kurz nach dem Urknall trat es plötzlich in Erscheinung, glauben die Physiker, und verlangsamt seitdem Quarks, Elektronen sowie Z- und W-Bosonen. Es gibt den Partikeln ihre "träge" Masse – sie macht etwa ein Prozent des Gewichts eines Atomkerns aus, der Rest kommt von der Bindungsenergie der Atomkerne.

Higgs-Signal
  Higgs-Signal
Im Juli 2012 gaben die Physiker am CERN bekannt, dass sie sehr deutliche Hinweise auf das Higgs-Boson gefunden hätten – ein Befund, der sich in der Zwischenzeit verfestigt hat.

Photonen und Gluonen (die Austauschteilchen der starken Kernkraft) huschen hingegen einfach durch den modernen Äther hindurch und sind deswegen masselos. Dass einige Teilchen eine Masse haben, andere hingegen nicht, ist aus Sicht der Physiker ein grober Verstoß gegen die mathematische Ästhetik. Die Symmetrie wurde plötzlich "gebrochen", sagen sie, ganz spontan, am Anbeginn aller Zeit. Aber was für ein Naturprozess ist dazu im Stande?

Von der Idee zur Gleichung

Schon 1960 hatte der aus Japan stammende Physiker Yoichiro Nambu eine Idee. Nambus Theorie der "spontanen Symmetriebrechung in Supraleitern" hatte jedoch einige Probleme. Zum Beispiel sagte sie Myriaden exotischer Teilchen voraus, die eigentlich in der Sonne entstehen sollten und die Erde fluten würden. Peter Higgs fand schließlich einen Weg, Nambus Gedanken mathematisch so zu formulieren, dass die "Goldstone-Bosonen" von den Gleichungen verschluckt werden [1].

Er war nicht der Einzige: Die Belgier Robert Brout und Francois Englert konnten ihre Theorie fast zwei Monate vor Higgs veröffentlichten [2]. Auch die drei Amerikaner Tom Kibble, Gerald Guralnik und Carl Hagen erarbeiteten einen ähnlichen Ansatz [3]. Sie konnten ihn jedoch erst zur Veröffentlichung einreichen, nachdem die Arbeiten der europäischen Physiker bereits erschienen waren.

Als einzige Arbeit des Jahres 1964 sagte die von Higgs ein massives Teilchen voraus. Es sollte zum Kronzeugen der Theorie der spontanen Symmetriebrechung werden. Bis dahin war es allerdings ein weiter Weg. Die Idee der jungen Theoretiker war in den 1960er hochspekulativ, und der altehrwürdige Werner Heisenberg soll sie 1965 auf einer Konferenz am Starnberger See sogar als "junk" diffamiert haben.

Denn zunächst war nicht klar, wo der Mechanismus überhaupt gebraucht wurde. Erst als Abdus Salam, Sheldon Glashow und Steven Weinberg ihn 1967 aufgriffen, gewann sie an Akzeptanz. Die Theoretiker hatten eine Theorie entwickelt, gemäß der Elektromagnetismus und schwache Kernkraft zwei Fassetten ein und derselben Urkraft sind. Der Higgs-Mechanismus sollte eine Diskrepanz in der "elektroschwachen Vereinheitlichung" auflösen: Wieso die Botenteilchen der schwachen Kernkraft, die W- und Z-Bosonen, eine sehr große Masse haben, die Quanten des Elektromagnetismus – die Photonen – hingegen überhaupt keine.

Margaret Thatcher als Teilcheninteressierte

Auch das war zunächst nur ein Luftschloss. W- und Z-Bosonen waren Theoriekonstrukte, die elektroschwache Vereinheitlichung umstritten. Sie nachzuweisen, war ein Kraftakt. In den 1970er Jahren platzte in den USA der Plan, die größten Beschleuniger des Landes so umzurüsten, dass er die schweren Partikel nachweisen könnte. Frustriert ging der Chefphysiker Carlo Rubbia zum CERN. Dort zeigte man mehr Risikobereitschaft und wandelte das sieben Kilometer lange Super Proton Synchrotron (SPS) in eine Maschine um, die Protonen mit Antiprotonen kollidieren ließ – nur so konnte man die nötige Energie für die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung aufbringen.

Ende 1982 fanden die Physiker schließlich erste Spuren von einer Hand voll W-Teilchen in ihren Detektoren. Auf einer Konferenz in Rom stellten Rubbia und ein Kollege das noch vorläufige Ergebnis ihren Kollegen vor. Der Saal, so wirkt es auf Videoaufnahmen, applaudierte eher höflich als euphorisch, und die Pressemitteilung damals beschränkte sich auf fünf Sätze. Schon Wochen vorher, kurz vor Weihnachten 1982, hatten die Wissenschaftler die britische Premierministerin Margaret Thatcher informiert – so wie es die Eiserne Lady bei einem Besuch am CERN einige Monate zuvor gefordert hatte.

Anschließend versuchte man auf der anderen Seite des Atlantiks die Ehre der amerikanischen Grundlagenphysik wiederherzustellen. In einem 87 Kilometer langen Ring sollten Protonen und Antiprotonen mit 40 Teraelektronenvolt kollidieren, dem Dreifachen der LHC-Energie. Erst wurde der Superconducting Super Collider (SSC) von Ronald Reagan gefördert, schließlich gab man ihn 1993 halb fertig auf. Der ohne den SSC größte Teilchenbeschleuniger auf US-Boden, der Tevatron am Fermilab bei Chicago, konnte bis zum Schluss die Spuren des Higgs-Bosons nicht zweifelsfrei aus dem Datensalat fischen – auch wenn es an Gerüchten und Fastsensationen bis zu seinem Ende 2011 hin nicht mangelte.

Auch am CERN fand man jahrzehntelang keine eindeutigen Spuren des Phantoms. Das Problem: Aus der Theorie ergab sich keine Masse für das Higgs-Teilchen, bei der man gezielt nach dem neuen Partikel suchen konnte. Es blieb nur das mühsame Abgrasen aller möglichen Energien, in der Hoffnung, bei einer die Signatur des Higgs zu entdecken.

Gutes Versteck

Doch schon der LHC-Vorgänger LEP tastete am CERN zusammen mit dem Tevatron fast den gesamten Massenbereich ab – vergeblich. Im Jahr 2000, kurz vor dem Abschalten des LEP-Beschleunigers, war man jedoch auf eine verdächtige Häufung von Ereignissen bei einer Energie von 115 Gigaelektronenvolt gestoßen. Sollte das das Higgs sein?

Letztendlich versteckte es sich in der letzten Lücke, die die vorherigen Teilchenbeschleuniger noch offen gelassen hatten: Bei einer Masse von 125 bis 126 Gigaelektronenvolt. Das lange gesuchte Teilchen, das nach 10-20 Sekunden in andere Teilchen zerfällt, ist damit 133-mal so schwer wie ein Wasserstoffkern. Diesmal wurde das Internet zuerst informiert. Zweieinhalb Wochen vor der offiziellen Bekanntgabe jagte ein Blogger Gerüchte durchs Netz, die sich als akkurate Wiedergabe des Stands am CERN entpuppten. Am Vortag des großen Spektakels gelangten sogar Videos mit Erklärungen der Chefwissenschaftler an die Öffentlichkeit.

Das CERN hatte sich entschieden, ein großes Seminar in den eigenen Räumen abzuhalten, damit das Higgs-Boson nicht scheibchenweise auf einer Fachkonferenz in Melbourne das Licht der Öffentlichkeit erblicken musste. Dass es auf der Veranstaltung tatsächlich zu einer "Jahrhundertentdeckung" kommen würde, wie zahlreiche Medien und öffentliche Vorträge danach beschworen, war allerdings lange nicht klar. Zwei Wochen zuvor sah es noch so aus, als würden die gesammelten Daten nicht reichen, um die magische Grenze von fünf Sigma zu knacken, ab der ein Teilchen als offiziell entdeckt gilt – so schildert es zumindest der britische Wissenschaftsautor Ian Sample in seinem Buch "Massive".

CMS-Detektor
  CMS-Detektor
Auch das Compact-Muon-Solenoid-(CMS)-Experiment ist ein Teilchendetektor am LHC und arbeitet am Nachweis des Higgs-Bosons mit. Weitere Einsatzfelder sind die Erforschung der Supersymmetrie und die Kollision schwerer Ionen.
Demnach war erst am 24. Juni 2012, zehn Tage vor der Melbourne-Konferenz, sicher, dass zumindest der ATLAS-Detektor die magische Grenze knacken würde. Junge Forscher sollen der Überlieferung zufolge die Nacht auf den 4. Juli am Eingang des Seminarraums ausgeharrt haben, um einen Sitzplatz zu ergattern. Am nächsten Morgen waren Physiker in vielen Hörsälen rund um den Globus via "Live-Viewing" dabei, als CERN-Direktor Rolf-Dieter Heuer die erlösenden Worte sagte: "Für Laien" gelte das Higgs als gefunden.

Letzte Zweifel

Doch im Juli 2012 konnte noch niemand sicher sein, ob man tatsächlich ein Higgs-Teilchen entdeckt hatte. Erst im März dieses Jahres haben die Forschergruppen der zwei Detektoren ATLAS und CMS den kompletten Datensatz der Jahre 2011 und 2012 ausgewertet. Mittlerweile sind alle Zerfallsarten des neuen Partikels ausgewertet worden. Es sehe "immer mehr" wie das von der Theorie vorhergesagte Higgs-Teilchen aus, gab die CERN-Pressestelle bekannt. Die Gleichungen aus den 1960er und 1970er Jahren erweisen sich als beeindruckend genaue Beschreibung der Wirklichkeit.

Und darin liegt aus Sicht vieler Physiker das Problem. Sie hatten auf eine Überraschung gehofft – ohne sie bleiben viele Fragen offen. Wieso etwa das Higgs ausgerechnet die gemessene Masse von etwa 133 Protonen hat, ist für die Wissenschaftler nach wie vor ein Rätsel. Eigentlich müsste das Teilchen viel schwerer sein und dürfte eigentlich erst bei Energien in Erscheinung treten, wie sie unmittelbar nach dem Urknall herrschten, als das Higgs-Feld einige der Elementarteilchen in der Ursuppe erfasste.

So hat mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens für Physiker die Zeit einer großen Ungewissheit begonnen. Wie geht es weiter bei der Entschlüsselung des Universums? Und geht es überhaupt weiter? Aus Sicht der meisten Forscher braucht es eine umfassendere Theorie als das "Standardmodell der Teilchenphysik", um den Mikrokosmos zu beschreiben. Die "Supersymmetrie" könnte solch eine Erweiterung sein – sie sagt für jedes Elementarteilchen aus dem Standardmodell ein Partnerteilchen voraus. Der größte Charme der Theorie: Mit den Partnerteilchen lässt sich elegant erklären, weshalb die Higgs-Masse so klein ist.

Allerdings wäre auch die Supersymmetrie "gebrochen": Die Superpartner müssten ganz offensichtlich viel schwerer als ihre bereits entdeckten Brüder und Schwestern sein – sonst wären sie längst an Beschleunigern aufgetaucht. Nur wie viel schwerer? Bisher hat man am LHC, trotz großer Hoffnung im Vorfeld, keine Hinweise auf eines dieser Susy-Teilchen gefunden. Die Physiker haben die Revolution nun ab dem Jahr 2015 auf die Wunschliste gesetzt, wenn der LHC mit seiner Maximalenergie von 14 Teraelektronenvolt aus einer zweijährigen Umbauphase kommt.

Was bringt die Zukunft?

Und wenn es da nicht klappt, mit der neuen Physik? Dann könnte der LHC ein weiteres Mal aufgewertet werden: Der "HE-LHC" würde Protonen und Antiprotonen mit bis 33 Teraelektronenvolt zusammenprallen lassen. Dazu müssten allerdings weitaus stärkere supraleitende Magnete entwickelt werden, als es sie heute gibt. Sollten die Supersymmetrie allerdings erst bei sehr hohen Energien in Erscheinung treten, könnten die neuen Teilchen nicht mehr helfen, die korrekte Higgs-Masse vorherzusagen.

Die andere Hoffnung der Physik stützt sich auf das Higgs-Teilchen selbst. Vielleicht weichen seine Eigenschaften minimal von den Vorhersagen des Standardmodells ab, hoffen die Physiker. Oder im Teilchensalat des LHC verstecken sich noch weitere Higgs-Teilchen, wie die Supersymmetrie vorhersagt. Beides soll der International Linear Collider untersuchen: ein Linearbeschleuniger, der Elektronen und Positronen mit bis zu 0,5 Teraelektronenvolt aufeinanderschießt. Dabei entstehen weit weniger Trümmer als bei Proton-Antiproton-Kollisionen, die wegen ihrer inneren Struktur aus Quarks sehr viel komplexere Teilchenkaskaden hervorrufen. Nach aktuellem Stand hat Japan großes Interesse, den ILC zu bauen – als Leuchtturmprojekt in der nördlichen Iwate-Region, die von der Nuklearkatastrophe in Fukushima schwer gezeichnet wurde.

Vermutlich wird der 31 Kilometer lange ILC auch Milliarden Dollar und Euro aus anderen Erdteilen brauchen. Ob sich diese zusammenkratzen lassen, um einen Beschleuniger zu bauen, der eine verglichen mit allen vorherigen Beschleunigern recht vage Hoffnung auf neue Physik birgt? Vor der Entdeckung des Higgs-Teilchens waren selbst Beteiligte pessimistisch. Die Soziologin Arpita Roy interviewte für ihre Doktorarbeit zwischen 2007 und 2009 zahlreiche Physiker am CERN. Unter dem Deckmantel der Wissenschaft sagte etwa der CERN-Cheftheoretiker Luis Alavarez-Gaume: "Wir wollen das Higgs-Teilchen gar nicht sehen. Die Disziplin wäre absolut tot." Die Pressestelle habe die Idee in die Welt gesetzt, es gehe beim LHC nur darum, das Higgs zu finden. Eigentlich suche man neue Physik jenseits des Standardmodells. Roy folgerte schließlich: "Auf viele verschiedene Arten und Weisen sagten mir alle, dass das Higgs das Ende der Teilchenphysik bedeuten würde."

© Spektrum.de
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