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Higgs-Boson und das Standardmodell: Ist das Higgs mehr als nur "Standard"?

Das Higgs-Teilchen ist entdeckt, aber es gibt noch genug zu tun, finden Physiker: Nach der Betriebspause am Large Hadron Collider im Jahr 2015 könnte sich zeigen, ob das Higgs-Boson ins Standardmodell der Teilchenphysik passt oder den Weg zu neuen Theorien bereitet.
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Ein Higgs-Teilchen, das aussieht wie im Standardmodell beschrieben und sich verhält wie im Standardmodell angekündigt – so ein Teilchen ist wohl auch das vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagte Higgs-Boson. Diesen Schluss legen die neuesten Messungen am Large Hadron Collider (LHC) des Forschungszentrums CERN nahe, in dem Physiker das im Juli 2012 neu entdeckte Teilchen sorgfältig charakterisieren. Bisher spricht jede Analyse an dem Teilchenbeschleuniger nahe Genf dafür, dass es sich bei dem Neufund um das Higgs-Boson des Standardmodells handelt. Und das wiederum stützt eine Theorie, die Robert Brout, François Englert und Peter Higgs bereits 1964 vorgeschlagen hatten – den so genannten Higgs-Mechanismus. Englert und Higgs erhielten dafür im vergangenen Jahr den Nobelpreis. Brout erlebte diesen Erfolg leider nicht mehr, er starb 2011.

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Higgs-Boson | 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.

Doch Wissenschaftler würden nur allzu gerne Abweichungen von der Theorie nachweisen. Denn diese deuten vielleicht auf neue Physik hin. Zerfiele das Higgs-Boson beispielsweise nicht exakt in den vorhergesagten Mengen in leichtere Teilchen, liegt das eventuell an der Existenz bisher unbekannter, exotischer Teilchen – sie könnten die gemessenen Zerfallsraten beeinflussen. Zwar finden sich in den jüngsten Resultaten keine Hinweise auf einen solchen Effekt, doch vielleicht ändert sich das in der nächsten Phase des LHC; Anfang 2015 soll der Betrieb bei höheren Energien losgehen. Und möglicherweise bereitet das Higgs-Boson dann den Weg zu einer neuen physikalischen Theorie, die das Universum umfassender beschreibt als gegenwärtige Theorien. "Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons haben wir die Suche nicht etwa abgeschlossen, sondern einen ganz neuen Forschungszweig eröffnet", sagt Paul Padley von der Rice University, der als Physiker beim CMS-Experiment am LHC mitarbeitet. "Unsere Aufgabe in den nächsten Jahrzehnten wird sein, diesen Fragestellungen bis ins kleinste Detail nachzugehen."

Was kommt nach der Higgs-Entdeckung?

Der Nachweis des Higgs gelang am LHC zunächst durch den Zerfall des Teilchens in andere Bosonen – genauer gesagt in Eichbosonen. Diese so genannten Austauschteilchen vermitteln die Grundkräfte: Das Photon fungiert etwa als Träger der elektromagnetischen Kraft, die W- und Z-Bosonen dagegen als Träger der schwachen Kraft. Kürzlich konnten Wissenschaftler im CMS-Experiment auch den direkten Zerfall des Higgs-Teilchens in Fermionen messen. Zu dieser Teilchenklasse zählen beispielsweise Elektronen und Quarks, aus denen sich Atome zusammensetzen. Das Standardmodell sagt solche Zerfallskanäle zwar voraus – man durfte aber nicht sicher sein, sie auch wirklich zu finden.

"Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons haben wir die Suche nicht etwa abgeschlossen, sondern einen ganz neuen Forschungszweig eröffnet"(Paul Padley)

Das Higgs-Boson geht mit einem unsichtbaren Higgs-Feld einher, das den gesamten Raum durchdringt. Elementarteilchen erhalten ihre Masse, indem sie mit diesem Feld in Wechselwirkung treten. Der Zerfall des Higgs-Teilchens in andere Bosonen bestätigt die Wechselwirkung des Higgs-Feldes mit Bosonen. Dass das Feld auch mit Fermionen interagieren kann, belegen die neuen Resultate. Damit bekräftigen sie auch das Konzept eines einziges Higgs-Bosons im Sinn des Standardmodells, durch das alle Teilchen ihre Masse erhalten. Einige Theorien legen dagegen nahe, dass mehrere Typen von Higgs-Bosonen – und damit Higgs-Feldern – existieren und dass jeder Typ nur bestimmten Teilchen eine Masse verleiht. "Das neue Ergebnis schließt andere Higgs-Bosonen nicht aus, aber es liefert einen weiteren Beleg dafür, dass das Standardmodell derzeit korrekt ist", sagt der theoretische Physiker Ayres Freitas von der University of Pittsburgh. "Es wäre jedoch auch denkbar, dass sich zwei Higgs-Bosonen die Aufgabe teilen und beide einen Beitrag zur Masse von Teilchen leisten."

Mit weiteren Daten aus der nächsten Betriebsphase des LHC können Physiker diese alternative Idee vielleicht untermauern oder verwerfen. Momentan lässt sich nicht genau bestimmen, wie häufig das Higgs-Boson in Fermionen zerfällt – und damit auch nicht, wie stark das Higgs-Feld an diese "koppelt" oder mit ihnen wechselwirkt. "Es könnte sein, dass die Kopplung des nun entdeckten Teilchens größer oder kleiner ist als vom Standardmodell vorhergesagt. Eine solche Diskrepanz ließe sich dann durch ein zweites Higgs-Boson erklären", sagt Freitas. Sollte es tatsächlich weitere Higgs-Bosonen geben, ließen sich diese eventuell im kommenden Jahr am LHC erzeugen, infolge der höheren Energien.

Präzisere Messung: Das Higgs-Feld, Bosonen und Fermionen

Seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 2008 erreichte der Beschleuniger eine maximale Energie von acht Teraelektronenvolt (TeV). Nach seiner gegenwärtigen Pause, die im Frühjahr 2015 endet, sollen Energien von bis zu 13 TeV am LHC erzielt werden. Möglich machen das verbesserte supraleitende Magneten, die den 27 Kilometer langen Beschleunigertunnel säumen.

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Aufbau der Speicherringe | Ein Querschnitt durch den Speicherring des LHC. Die Magnete darin müssen auf weniger als minus 270 Grad Celsius heruntergekühlt werden. Nur so können die supraleitenden Spulen die benötigte magnetische Feldstärke erzeugen, um die Teilchen auf der Bahn zu halten.

Auf Grund der stärkeren Magneten können die Protonen im Ringtunnel auf noch höhere Geschwindigkeiten beschleunigt werden – und deren Kollisionen bei bisher unerreichten Energien stattfinden. Im umgerüsteten LHC will man die gegenläufigen Protonenpakete zudem noch dichter bündeln und auf diese Weise für mehr Teilchenbegegnungen pro Zeit und Fläche sorgen. Physiker sprechen von einer höheren "Luminosität". Alles in allem erwarten die Wissenschaftler, nach der Betriebspause des LHC 300-mal mehr Higgs-Bosonen zu erzeugen als in der vorangegangenen Betriebsphase. "Dadurch werden wir die Eigenschaften des Higgs-Bosons präziser vermessen können", berichtet Freitas. Mit Hilfe der neuen Daten dürfte sich beispielsweise zwei- oder dreimal genauer berechnen lassen, so der Physiker, wie stark das Higgs-Feld mit verschiedenen Teilchen wechselwirkt, einschließlich Bosonen und Fermionen. "Das bietet sicher die Chance, etwas bisher Unentdecktes zu entdecken – doch wir wissen nicht, was die Natur für uns bereithält."

"Das ist eine der aufregendsten Epochen für einen Physiker"(Richard Cavanaugh)

Ein möglicher Kandidat für eine Theorie jenseits des Standardmodells ist die Supersymmetrie – demnach existiert für jedes bekannte Elementarteilchen ein "supersymmetrisches" Partnerteilchen. Bislang fehlt zwar noch jede Spur von solchen Teilchen, doch möglicherweise entstehen supersymmetrische Teilchen bei den energiereicheren Kollisionen im umgerüsteten LHC. Und auch wenn sie sich nicht direkt zeigen, ließe sich womöglich noch auf ihre Existenz schließen. Denn diese Teilchen könnten gewissermaßen als Phantome in der Quantenwelt auftreten: Sie erscheinen aus dem Nichts und verschwinden genauso schnell wieder darin, während beispielsweise das Higgs-Boson in gewöhnliche Teilchen zerfällt. Ob es sich tatsächlich so zuträgt, könnten genauere Messungen der Higgs-Zerfallsraten zeigen. "Manchmal gelingt Fortschritt nicht durch das Entdecken großer neuer Dinge, sondern indem die Eigenschaften des bereits Entdeckten von den Annahmen abweichen", sagt Padley.

Die Grenzen von Standardmodell und LHC

Auch Dunkle Materie, die vermutlich aus unsichtbaren Teilchen besteht, sieht das Standardmodell nicht vor. Die rätselhafte Substanz wechselwirkt nur über die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie und macht den Großteil der Masse im Universum aus. "Das Higgs-Boson tritt mit massebehafteten Teilchen in Wechselwirkung – es wäre also durchaus denkbar, dass das Higgs mit Teilchen der Dunklen Materie wechselwirkt", erläutert CMS-Wissenschaftler Richard Cavanaugh vom Fermi National Accelerator Laboratory und der University of Illinois in Chicago. Zerfiele das Higgs beispielsweise in Dunkle-Materie-Teilchen, würden sie aus dem LHC fliegen, ohne jemals entdeckt zu werden. Doch ihr Ausbleiben – und das Fehlen von hinreichend anderen Zerfallsprodukten – könnte Spuren hinterlassen.

Letztlich weiß niemand, was die kommenden Jahren am LHC bringen werden. Doch die Fülle an verheißungsvollen Möglichkeiten begeistert Wissenschaftler. "Das ist eine der aufregendsten Epochen für einen Physiker", sagt Cavanaugh. "Ich wache morgens mit Gänsehaut auf, wenn ich daran denke, wo wir stehen."


Der Artikel ist im Original unter dem Titel Higgs Boson Looks "Standard", but Upgraded LHC May Tell a Different Tale in "Scientific American" erschienen.
30. KW 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 30. KW 2014

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Interview : Der LHC nach Higgs: Die Suche bleibt spannend

Am 4. Juli 2012 verkündeten Physiker des europäischen Forschungszentrums CERN, am Beschleuniger LHC ein neues Teilchen entdeckt zu haben. Es könnte sich um das schon 1964 postulierte Higgs-Boson handeln – der letzte noch fehlende Baustein des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Über die Bedeutung des Funds hat "Spektrum der Wissenschaft" mit Siegfried Bethke gesprochen. Der Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München spielt eine führende Rolle am CERN und ist maßgeblich am LHC-Experiment ATLAS beteiligt.

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