Auf der Suche nach dem „Gottesteilchen“

Es gilt als das „Gottesteilchen“ und fast schon als Gral der Teilchenphysik: das Higgs-Boson. Es bildet einen fundamentalen Baustein unseres heutigen physikalischen Weltbilds – und jetzt haben Forscher im Teilchenbeschleuniger LHC am CERN erstmals handfeste Belege für seine Existenz entdeckt. „Der Nachweis des Higgs-Bosons wäre die Antwort auf eine der größten Fragen der Physik“, hatte Guido Altarelli, theoretischer Physiker am Forschungszentrum CERN bei Genf noch vor wenigen Monaten kommentiert. Jetzt könnte genau diese Frage so gut wie beantwortet sein. Denn genau dort, wo man es erwartete, bei einer Masse von 125 Gigaelektroenvolt, haben die Physiker am LHC nun ein neues Elementarteilchen entdeckt. Es spricht viele dafür, dass es sich tatsächlich um das seit Jahrzehnten gesuchte Higgs-Boson handelt.

Das so schwer zu fassende Teilchen gilt als der Urheber für eine der Grundeigenschaften aller Dinge: der Masse. Ohne sie wäre das Universum ein völlig anderer Ort: Es gäbe keine Atome und keine normale Materie. Denn die Masse erst sorgt dafür, dass die Grundbausteine der Materie zusammenhalten und miteinander wechselwirken. Lange Zeit aber konnte das Standardmodell der Teilchenphysik – und damit die Basis unseres physikalischen Weltbilds – nicht erklären, woher die Elementarteilchen diese wichtige Eigenschaft haben.

Masse als ein Klumpen im Feld

Erst Mitte der 1960er Jahre entwickelten mehrere Physiker, darunter der Brite Peter Higgs, den Higgs-Mechanismus, eine Theorie, die dieses Manko des Standardmodells beseitigte. Überall im Universum existiert demnach ein sogenanntes Higgs-Feld. Teilchen treten mit diesem unsichtbaren Feld in Wechselwirkung, dadurch bildet es eine Art Klumpen um das Partikel. Dieser Klumpen verleiht ihm seine Masse. „Wenn es diesen Higgs-Mechanismus nicht gäbe, hätten wir keine Substanz, wir würden uns einfach auflösen“, erklärt Joseph Incandela, Sprecher des CMS-Experiments am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) des CERN.

In einer bekannten Analogie vergleicht der britische Physiker David Miller das Higgs-Feld mit einer Cocktail-Party. Betritt eine bedeutende Persönlichkeit, beispielsweise ein bekannter Politiker, den Raum, sammelt sich schnell eine Traube anderer Gäste um ihn. Der Politiker kann sich vor lauter Menschen kaum mehr vorwärtsbewegen – ähnlich einem Teilchen mit hoher Masse, das nur mit viel Energie beschleunigt werden kann.

Doch damit ist das Bild noch nicht vollständig. Denn gibt es den Higgs-Mechanismus, dann muss es auch ein dazugehörendes Teilchen geben – das Higgs-Boson. „Die theoretischen Annahmen sagen dies voraus“, sagt Altarelli. Das Higgs-Boson entsteht demnach, wenn sich das Higgs-Feld an bestimmten Stellen verdichtet. In der Cocktail-Party-Analogie wäre das der Fall, wenn die Gäste Grüppchen bilden, weil sie beispielsweise gerade den neuesten Tratsch austauschen.

Blick in den Tunnel des LHC mit dem Beschleunigerring. Die blau-silbernen Einheiten enthalten die Dipolmagnete und das Helium-Kühlungssystem © CERN

Seit mehr als 30 Jahren gesucht

Mehr als 30 Jahre lang war das Higgs-Boson das einzige Teilchen im Standardmodell der Physik, das noch nie experimentell nachgewiesen wurde. „Seit mehr als 30 Jahren spekuliert man darüber, wo sich das Higgs-Boson verbergen könnte“, sagt Altarelli. Denn man wisse zwar, dass das Higgs-Boson eine Masse habe, nicht aber, welche. In den letzten Jahren ist es den Physikern immerhin gelungen, den Suchbereich deutlich einzuengen.

„Bis zum Sommer 2011 wurde klar, dass Higgs-Bosonen sich nicht oberhalb einer Masse von etwa 140 Gigaelektronenvolt befinden können“, berichtet Incandela. Das hätten Experimente am Teilchenbeschleuniger Tevatron Collider in den USA ergeben. In Elektronenvolt wird die Energie angegeben, die man braucht um ein Teilchen zu beschleunigen. Da sie eng mit dessen Masse verknüpft ist, verwenden Physiker diese Einheit auch als Massenangabe für Elementarpartikel.

HC-Physiker könnten kurz vor dem Ziel stehen

Ende 2011 schränkten Ergebnisse am Large Hadron Collider (LHC) des CERN die mögliche Masse des Higgs-Bosons noch weiter ein: Zwischen 116 und 127 Gigaelektronenvolt müsse sie liegen, berichteten die CERN-Forscher damals. Sie fanden sogar erste Indizien für ein Partikel mit 124 bis 126 Gigaelektronenvolt Masse. Für Sommer 2012, so kündigten sie damals an, seien weitere, eindeutigere Ergebnisse zu erwarten – und möglicherweise der lang ersehnte Nachweis des Higgs-Bosons. Entsprechend mit Spannung wurden die am 4. Juli verkündeten neuesten Ergebnisse des LHC erwartet.

(CERN, 04.07.2012 – NPO)