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News: Warum die Welt schwer ist

Die schwierigsten Fragen in den Naturwissenschaften beginnen mit dem harmlosen Wörtchen 'Warum'. Oft erfordert es große theoretische und experimentelle Anstrengungen, eine befriedigende Antwort zu finden, die dann aber gleich weitere Probleme nach sich zieht. Warum hat Materie eine Masse? erklärt das Standardmodell zum Beispiel dadurch, dass bestimmte Elementarteilchen so genannte Higgs-Bosonen aufsaugen und dadurch schwer werden. Ob diese Higgs-Bosonen jedoch wirklich existieren, vermochte bislang niemand mit Sicherheit zu sagen. Physiker am Teilchenbeschleuniger CERN bei Genf glauben nun, bei ihren subatomaren Crashtests Spuren des scheuen Partikels gefunden zu haben. Sollten sie damit Recht haben, wäre endlich das letzte Puzzlestückchen für das Standardmodell gefunden.
Eigentlich ging es darum, eine physikalische Theorie mathematisch konsistent zu machen. Das Standardmodell der elementaren Prozesse beschreibt recht erfolgreich den Aufbau der Materie und die Kräfte zwischen den einzelnen Teilchen. Allerdings war es in einigen Aspekten unvollständig, so dass Wissenschaftler schließlich den Higgs-Mechanismus und das darin auftauchende Higgs-Boson hinzufügten.

Beinahe nebenbei erklärten sie damit auch, warum Materie eigentlich eine Masse hat. Im ganzen Universum entstehen und vergehen nämlich ständig virtuelle Higgs-Bosonen, die sich an bestimmte Teilchen sehr gut, an andere weniger stark und an einige gar nicht anlagern und sie dadurch schwer machen. Genaugenommen ist durch diese Vorstellung aber wenig gewonnen. Denn niemand weiß, warum Higgs-Bosonen zum Beispiel gut an Quarks koppeln und ihnen dadurch eine hohe Ruhemasse verleihen, während sie das Photon dagegen völlig ignorieren. In diesem Falle ersetzt eine Unwissenheit also einfach die andere.

Es gibt jedoch auch Modelle, die in bestimmten Bereichen wirklich nicht ohne den Higgs-Mechanismus auskommen, und hier liegt die eigentliche Bedeutung des Konzepts. In ihren Bemühungen, die vier fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur aus einer einzigen "Urkraft" herzuleiten, haben Wissenschaftler mit der so genannten elektroschwachen Theorie einen bedeutenden Teilerfolg errungen. Demnach sind die elektromagnetische und die schwache Kraft, die für bestimmte Arten des Kernzerfalls verantwortlich ist, nur verschiedene Manifestationen der gleichen grundlegenden Wechselwirkung. In Experimenten, bei denen Teilchenstrahlen einer Sorte auf ein Ziel aus gleichen oder anderen Partikeln geschossen werden, hat sich die elektroschwache Theorie bewährt. So sagt sie korrekt voraus, wie Elektronen an Protonen gestreut werden. Für andere Versuchsbedingungen liefert sie dagegen unsinnige Prognosen. Zum Beispiel soll die Wahrscheinlichkeit, dass ein als W-Boson bezeichnetes Teilchen an einem anderen W-Boson gestreut wird, bei genügend hohen Energien größer als 1 sein – ein Wert, der sich außerhalb der erlaubten Grenzen befindet. Nimmt man dagegen an, dass Higgs-Bosonen mit den W-Bosonen koppeln, stimmt das Bild wieder. Ohne Higgs-Mechanismus geht es also nicht.

Der größte Haken an dem Higgs-Boson ist nur, dass es noch niemand experimentell nachweisen konnte. Genau das ist jetzt vielleicht den Physikern des CERN bei Genf gelungen. "Wir alle hoffen, dass es das Higgs ist, was wir am Horizont sehen", fasste Chris Tully von der Princeton University am 2. September 2000 seinen Vortrag vor den Mitarbeitern des CERN zusammen. Gemeinsam mit seinen Kollegen hatte er am Large Electron Positron Collider (LEP) Teilchenspuren entdeckt, die nach seiner Ansicht auf Higgs-Bosonen mit einer Masse von 114,9 GeV c-2 hinweisen.

Schon seit einigen Jahren haben die Forscher nach solchen Anzeichen gesucht, doch erst in den letzten Monaten ist es ihnen gelungen, die Energie der Elektronen- und Positronenstrahlen auf 207 Gigaelektronenvolt hochzuschrauben – vielleicht genug, um kurzzeitig ein Higgs-Boson zu erzeugen. Während die Daten des LEP-Experiments ALEPH diese Interpretation nahe legen, stützen die Werte der drei anderen Detektoren am LEP sie nur wenig. Was die Physiker dort gemessen haben, könnte auch andere Prozesse zurückzuführen sein. "Es besteht noch eine Wahrscheinlichkeit von sechs Promille, dass wir Hintergrundereignisse anstelle der Higgs sehen", sagt Tully.

Wissenschaftler von anderen Laboratorien sind skeptisch. Sie weisen darauf hin, dass LEP diesen Monat geschlossen werden sollte, um Platz zu machen für den neuen Beschleuniger Large Hadron Collider (LHC), der mit größerer Energie ab 2005 nach dem Higgs-Boson jagen soll. Inzwischen wird jedoch die Konkurrenz vom Fermilab nach einer vierjährigen Renovierungspause ihre Arbeit wieder aufnehmen. Es wäre also denkbar ungünstig, so knapp vor dem möglichen Erreichen des Ziels für längere Zeit aussetzen zu müssen. Die LEP-Forscher hoffen darum auf eine Verlängerung ihrer Experimente bis Dezember 2000. In dieser Zeit, so erklärt Tully, könnten sie mit 99,99-prozentiger Sicherheit sagen, ob sie ein Higgs-Boson gefunden und das große Puzzle des Standardmodells vervollständigt haben.

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