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Teilchenphysik: Higgs-Boson gesichtet?

Zwei der vier Detektoren des Elektron-Positron-Colliders Lep am Cern lieferten Hinweise auf jenes lange gesuchte Teilchen, das der Materie möglicherweise ihre Masse verleiht.


Als ein internationales Team von 54 Physikern am amerikanischen Fermilab am 20. Juli dieses Jahres den ersten direkten Nachweis des Tau-Neutrinos bekannt gab, hatten die Teilchenphysiker Grund zum Feiern: Das letzte noch fehlende Mitglied aus dem bekannten Zoo der zwölf Elementarteilchen (drei "Familien" zu je zwei Quarks und Leptonen) war entdeckt. In mühevoller dreijähriger Versuchsauswertung hatten die Fermi-Forscher die Sekundärteilchen-Spuren von vier dieser Neutrinos (Leptonen aus der dritten Familie) in Emulsionsplatten identifiziert.

Insgesamt wurde damit das so genannte Standardmodell der Teilchenphysik geradezu phänomenal bestätigt. Doch die Freude darüber ist nicht ganz ungetrübt. Das empirisch gesicherte Standardmodell hat nämlich eine missliche Lücke: Es liefert keine Erklärung für die Masse der Elementarteilchen. Dafür benötigen die Theoretiker nach derzeitigem Stand der Dinge mindestens ein weiteres Boson, wie Teilchen mit ganzzahligem Spin (Eigendrehimpuls) nach dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose genannt werden, der fundamentale Eigenschaften solcher Partikel schon 1924 erschlossen hatte. Das zusätzliche Boson war 1964 von dem Edinburgher Theoretiker Peter Higgs und anderen Physikern postuliert worden. Es soll insbesondere dafür sorgen, dass das neutrale Z-Boson und die geladenen W-Bosonen – die Austauschteilchen, welche die schwache Wechselwirkung vermitteln – ihre beobachteten großen Massen von 91,2 beziehungsweise 80,4 Milliarden Elektronenvolt erhalten. Aber auch die Massen des nur 510998,9 Elektronenvolt "schweren" Elektrons und all der anderen Grundbausteine der Materie beruhen nach dieser Theorie auf dem "Higgs-Feld" und dem zugehörigen Feldteilchen, eben dem Higgs-Boson.

Die Masse eines Teilchens wird dabei umso größer, je intensiver es mit dem Higgs-Feld wechselwirkt. In gewisser Weise erinnert dieses Feld damit an den alles durchdringenden, chemisch oder physikalisch nicht nachweisbaren "Äther", der im 19. Jahrhundert als Trägermedium der elektromagnetischen Wellen angenommen wurde – analog zur Luft als Träger des Schalls. Zwischen 1881 und 1887 widerlegten der amerikanische Physiker Albert Abraham Michelson und der Chemiker Edward Morley diese Vorstellung mit dem Nachweis, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht von der Bewegung der Erde durch einen – wie immer gearteten – Äther abhängt. Dieses Resultat wurde 1905 zur entscheidenden Grundlage der speziellen Relativitätstheorie.

Die Idee des Higgs-Feldes ist dagegen bis heute theoretisch sehr attraktiv geblieben – zumal es bisher kein überzeugenderes Konzept dafür gibt, wie Masse zu Stande kommt. Das Higgs-Boson ist deshalb zu einer Art Gral der experimentellen Teilchenphysiker avanciert: Die Suche danach bildet eines der Hauptmotive für die Konzeption und den Bau noch leistungsfähigerer Teilchenbeschleuniger (siehe "Der große Hadronen-Collider", Spektrum der Wissenschaft 9/2000, S. 69).

Nun glauben jedoch einige Physiker am Europäischen Teilchenlabor Cern in Genf, im elften Betriebsjahr des großen Elektron-Positron-Beschleunigers Lep quasi den Mantelzipfel dieses bisher nicht fassbaren Teilchens erwischt zu haben. Ursprünglich sollte Lep vor allem zur Untersuchung des Z-Bosons dienen. Bis 1995 war seine Schwerpunktsenergie – die Summe der Energien des Elektronen- und Positronenstrahls – deshalb auf 91,2 Gigaelektronenvolt (GeV) eingestellt, was der Masse des Z-Teilchens entspricht. Insgesamt analysierten die Physiker am Cern mehr als vier Millionen Z-Zerfälle. Einen Hinweis auf das vorübergehende Auftreten eines Higgs-Bosons fanden sie dabei nicht.

Seit 1995 konnte die Energie der Elektronen- und Positronenstrahlen am Lep nach und nach mehr als verdoppelt werden – bis auf 101 GeV im Jahre 1999, was einer Schwerpunktsenergie von 202 GeV entspricht. Aber immer noch fand sich kein Anzeichen für das lang gesuchte Teilchen. Der Datenanalyse zufolge musste es schwerer als 107,7 GeV sein; denn es entsteht stets zusammen mit einem Z-Boson, sodass mindestens das Energieäquivalent für die Ruhemasse beider Teilchen im Beschleuniger bereitzustellen ist. Aus anderen Überlegungen und Experimenten weiß man zudem, dass das Higgs-Boson nicht schwerer als etwa 170 GeV sein kann.

Im April dieses Jahres gelang es dann, die Schwerpunktsenergie von Lep noch einmal auf bis zu 209 GeV zu erhöhen. Diese Steigerung mag geringfügig scheinen, war aber möglicherweise entscheidend; denn kurz vor der Ende September vorgesehenen Schließung des Beschleunigers, der dem neuen HadronenCollider LHC weichen wird, machte in der Tagespresse eine Aufsehen erregende Erfolgsmeldung Schlagzeilen: In zwei der vier Detektoren von Lep hätten sich möglicherweise Spuren des Higgs-Bosons gezeigt.

So fand das Team, das die Signale von Aleph auswertet, im Juli und August bei 206,7 GeV Schwerpunktsenergie im Massenbereich von 110 bis 115 GeV drei so genannte 4-Jet-Ereignisse, die sich nicht ganz mit dem erwarteten Untergrund der nach dem Standardmodell zu erwartenden Signale erklären lassen und möglicherweise unter Mitwirkung eines Higgs-Bosons zu Stande kamen. Zwei dieser strahlartigen Bündel von Teilchen, die mit hohem Impuls annähernd in derselben Richtung vom Kollionsort davonstieben, könnten vom Zerfall des Z- und die anderen möglicherweise von dem eines Higgs-Bosons stammen. Analog trat im Detektor Delphi ein Überschuss in zwei 4-Jet-Ereignissen bei Teilchenmassen von 113,6 und 114,3 GeV auf. Für sie gibt es allerdings auch andere, aus dem Standardmodell bekannte Prozesse als mögliche Erklärung, die nicht auf dem Zerfall eines intermediären Higgs-Teilchens beruhen.

Die geringen Abweichungen vom Untergrund erlauben jedenfalls noch keine statistisch abgesicherte Aussage, dass tatsächlich das Higgs-Boson gefunden wurde – es könnte sich auch nur um zufällige Schwankungen handeln. Die Lep-Wissenschaftler möchten jedoch nicht riskieren, sich womöglich eine fundamentale Entdeckung entgehen lassen. Deshalb empfahlen die wissenschaftlichen Gremien des Cern, den Beschleuniger noch bis zum 2. November laufen zu lassen. Cern-Direktor Luciano Maiani folgte am 14. September dieser Empfehlung. Bis zum neuen Abschalttermin können die vier Lep-Experimente im Massenbereich um 113 GeV etwa doppelt so viele Daten wie bisher sammeln, sodass sich die statistische Wahrscheinlichkeit für die Echtheit des Signals deutlich verbessern lässt – wenn es denn Bestand hat.

Sollte das der Fall sein, kommt die Leitung des Cern in einige Bedrängnis; denn weitere Verlängerungen der Lep-Strahlzeit brächten den Zeitplan für die Konstruktion des LHC im Lep-Tunnel ernsthaft durcheinander. Gewiss würden am LHC Higgs-Bosonen im fraglichen Massenbereich in großen Mengen erzeugt, wenn es sie tatsächlich gibt – aber der neue Beschleuniger wird frühestens im Jahre 2005 fertig sein, und bis dahin wären die betreffenden Teilchen mit Sicherheit bereits am verbesserten Tevatron-Collider des amerikanischen Fermilab nachgewiesen, der im kommenden Frühjahr wieder in Betrieb geht. Wie die Olympiade ist auch Wissenschaft nicht frei von internationalen Rivalitäten, und das jeweilige Publikum möchte seine "Sieger" feiern. Bisher ist beim Higgs-Boson jedoch nicht entschieden, ob es überhaupt welche gibt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 2000, Seite 10
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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