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Eine Spur des Higgs-Teilchens? Die roten Liniensind Myonen, die über eine Kaskade von Zerfällen aus dem Higgs-Boson entstehen können. © Atlas Collaboration, cern.ch
Genf/ Schweiz - Die gestern bekanntgegebenen, sich verdichtenden Hinweisen auf die Existenz der Higgs-Boson-Teilchen in den Daten zweier Experimente am Teilchenbeschleuniger, dem "Large Hadron Collider" (LHC) des Europäischen Kernforschungszentrums CERN, haben weltweit für Aufsehen gesorgt (...wir berichteten). In einem auf den Seiten des Max-Planck-Instituts für Physik veröffentlichten Interview erläutert Stefan Stonjek, Wissenschaftler in der Atlas-Kooperation, einem der Experimente, mit dem Physiker dem Elementarteilchen am CERN nachspüren, was am LHC tatsächlich gefunden wurde und welche Konsequenzen das haben könnte.
100 Billionen Mal, so erläutert der Experte, habe man am LHC Protonen mit einer Energie, die bislang kein anderer Teilchen-Beschleuniger erreicht hat, aufeinander geschossen. "Unter den Elementarteilchen, die bei den Kollisionen entstehen, haben wir erste viel versprechende Ergebnisse bei der Suche nach dem Higgs-Boson."
Bislang seien die Messungen zwar noch nicht aussagekräftig genug, als das man von einer Entdeckung sprechen könne, doch nehme man sie jetzt schon sehr ernst, da sie in den Daten von gleich zwei Experimenten - Atlas und CMS - zu finden sind deren Detektoren mit unterschiedlichen Methoden messen und sich auf diese Weise gegenseitig kontrollieren. "Wenn beide Detektoren nun im selben Bereich mehr Ereignisse beobachten als wir erwarten, können wir das nicht wegdiskutieren."
"Vor unseren Messungen haben wir zunächst so getan, als gebe es nur die Elementarteilchen, deren Existenz bereits bewiesen ist. Auf der Basis dieser bekannten Physik haben wir Erwartungen formuliert, welche Ergebnisse die Experimente liefern sollten. Wenn wir dann einer Stelle mehr Teilchen als erwartet messen, könnte es sich um die Spur einer neuen Physik, in diesem Fall des Higgs-Bosons handeln."
Beim Atlas-Experiment liegt der Messwert 2,3 Standardabweichungen über dem erwarteten Wert, beim CMS-Experiment sind es 1,9 Standardabweichungen - aber wohlgemerkt an derselben Stelle. "Auf jeden Fall können wir den Bereich, in dem wir suchen müssen, jetzt sehr stark einengen", zeigt sich Stonjek von den Messergebnissen fasziniert.
Auf die Frage, wie wahrscheinlich ist es nun sei, dass es sich tatsächlich um das Higgs-Teilchen handelt, erläutert der Experte: "Eine Standardabweichung von 2,3 entspricht einer Wahrscheinlichkeit von 98 Prozent, dass es sich bei den Messungen nicht um eine statistische Schwankung handelt. Das ist wie beim Würfeln: Da ist es auch möglich, sechsmal hintereinander eine Sechs zu würfeln, obwohl sie im Mittel nur bei einem von sechs Würfen fallen sollte."
Von einer Entdeckung könne man jedoch erst ab einer Standardabweichung von fünf sprechen. In einem solchen Fall betrage dann die Wahrscheinlichkeit, dass das Higgs-Boson entdeckt wurde 99,99993 Prozent.
Dann könnten die Wissenschaftler auch erklären, warum die Teilchen überhaupt Masse haben. "Wir wissen, dass sie Masse haben. Ich benutze dafür gerne das Bild, dass wir das jeden Morgen merken, wenn wir schwer aus dem Bett kommen. Im Standard-Modell der Teilchenphysik gibt es ohne den Higgs-Mechanismus oder ähnliche Erklärungen aber keine Masse."
Auf die Bestätigung der Entdeckung der auch als "Gottesteilchen" bezeichneten Elementarpartikel muss die Wissenschaftswelt allerdings nun noch warten, da der LHC bis kommenden Februar für wichtige Wartungsarbeiten abgeschaltet wird und bleibt. "Wir hoffen aber, dass wir dann im nächsten Jahr bis zu vier Mal mehr Daten sammeln können als in diesem Jahr. Dann können wir die Existenz des Higgs-Bosons vielleicht schon im Sommer bestätigen oder ausschließen, spätestens aber bis zum Winter."
Doch auch, wenn das Higgs-Boson doch nicht existieren sollte, wäre dies laut Stonjek keine Niederlage für die Forschung am CERN und die Wissenschaft im Allgemeinen: "Im Gegenteil, für uns Physiker wäre das sehr spannend. Dann müssten sich die Theoretiker nämlich einen neuen Mechanismus überlegen, wie die Materie zu ihrer Masse kommt."
Auch im Falle der erfolgreichen Bestätigung der Gottesteilchen wären die Experimente mit dem LHC noch lange nicht beendet, da die Wissenschaftler mit dem Teilchenbeschleuniger auch auf der Jagd nach weiteren, bislang lediglich theoretisch postulierten Elementarteilchen sind - beispielsweise supersymmetrische Teilchen.
"Grundsätzlich", so erläutert der Forscher weiter, "unterscheiden sich im Teilchenzoo, den wir bislang kennen, die Elementarteilchen aus denen die Materie besteht, und die Teilchen, die Kräfte vermitteln, in einer fundamentalen Eigenschaft, dem Spin, der vereinfacht oft als Eigendrehimpuls der Teilchen beschrieben wird. Die Fermionen, aus denen sich Materie zusammensetzt, haben einen halbzahligen Spin, die Bosonen, die Kräfte vermitteln, haben einen ganzzahligen Spin. Das ergibt eine Asymmetrie. Weil wir Physiker die Symmetrie mögen, suchen wir nun also nach Elementarteilchen, die Materie aufbauen und einen ganzzahligen Spin besitzen, und solchen mit halbzahligem Spin, die Kräfte vermitteln. Das sind die supersymmetrischen Teilchen - wir nennen sie manchmal Susys. Diese Teilchen sind übrigens auch gute Kandidaten für die Dunkle Materie, die wir nicht sehen, die es im Weltall aber geben muss."
Um Susys zu finden, wollen die CERN-Wissenschaftler zukünftig Protonen mit doppelt so hoher Energie wie derzeit aufeinander schießen. "Diese Energie wollen wir Ende 2014 erreichen. Zum anderen müssen wir noch viel mehr Kollisionen analysieren, weil die Susys noch deutlich seltener auftreten als das Higgs-Boson."
