Higgs-Boson: Lange gesuchter Zerfall nachgewiesen

Endlich geschafft: Forscher am CERN haben nachgewiesen, dass das Higgs-Boson tatsächlich in zwei Bottom-Quarks zerfällt – wie vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt. Zwar ist dieser Zerfallstyp sogar der häufigste des Higgs-Bosons, dennoch war er bisher nur schwer nachzuweisen. Doch dank lernfähiger Algorithmen und vieler Kollisionen im Teilchenbeschleuniger LHC gelang es den Physikern nun, diesen noch fehlenden Nachweis zu erbringen – eine wichtige Bestätigung des Standardmodells.

Das im Juni 2012 erstmals nachgewiesene Higgs-Boson und das mit ihm verknüpfte Feld gelten als der Mechanismus, durch den alle Teilchen ihre Masse bekommen. Wenn das Standardmodell der Physik in diesem Punkt stimmt, dann müsste das Higgs-Boson ganz bestimmte Eigenschaften und Wechselwirkungen zeigen, darunter eine Kopplung mit den schweren Top-Quarks, aber auch Zerfälle in Quarks und Leptonen.

Häufigste Zerfallsform, aber schwer zu fassen

Doch ausgerechnet die häufigste Zerfallsart des Higgs-Bosons entzog sich lange einem Nachweis – der Zerfall in zwei Bottom-Quarks. Nach dem Standardmodell müssten rund 60 Prozent aller Zerfälle diese zweitschwersten Quarks produzieren. Sie aber nachzuweisen, ist extrem schwierig: „LHC-Kollisionen erzeugen große Mengen von Bottom-Quark-Paaren“, erklärt Kerstin Tackmann von der ATLAS-Kollaboration am CERN. „Das macht es schwer, diejenigen herauszufiltern, die vom Zerfall des Higgs-Bosons stammen.“

Bereits im Sommer 2017 hatten die Teilchenphysiker am Teilchenbeschleuniger LHC erste Hinweise auf diese Higgs-Zerfälle in ihren Daten aufgespürt. Damals aber reichte die Signifikanz noch nicht aus, um diesen „Buckel“ in der Kurve als echten Nachweis zu werten.

Masseverteilung von Bottom-Quark-Paaren im ATLAS-Detektor. Der rote Bereich zeigt den vom Higgs-Zerfall verursachten Überschuss an. © ATLAS Collaboration/ CERN

Endlich der Nachweis

Das hat sich nun geändert: Sowohl der ATLAS-Detektor als auch der CMS-Detektor am LHC haben nun Daten geliefert, die den Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Bottom-Quarks mit einer Signifikanz von mehr als fünf Sigma belegen. Möglich wurde dieses Ergebnis durch eine Analyse der Daten unter anderem mithilfe lernfähiger Algorithmen, wie die Forscher erklären. Diese suchten nach einer für den gesuchten Higgs-Zerfall typischen Teilchen-Signatur, bei der das Bottom-Quark-Paar gemeinsam mit einem W- oder Z-Boson auftritt

Mit Erfolg: „Dieser Nachweis ist ein Meilenstein in der Erforschung des Higgs-Bosons“, sagt Karl Jakobs, Sprecher der ATLAS-Kollaboration. „Wir haben damit nun alle Kopplungen des Higgs-Bosons mit den schweren Quarks und Leptonen der dritten Generation beobachtet und auch alle wichtigen Erzeugungsarten dieses Teilchens.“

Bestätigung des Standardmodells

Mit dem Nachweis des Bottom-Quark-Zerfalls haben die Physiker auch das Standardmodell der Teilchenphysik erneut bestätigt. Die Produktionsraten der Bottom-Quarks beim Higgs-Zerfall entsprechen ziemlich genau denen, die von den theoretischen Modellen vorhergesagt wurden, wie die Forscher berichten. Gleichzeitig bestätigen die Beobachtungen die Yukawa-Kopplung – die Kopplung des Higgs-Felds mit geladenen Elementarteilchen wie Quarks und Leptonen, durch die diese ihre Masse bekommen.

„Mit unseren Experimenten kommen wir dem Wesen des Higgs-Teilchens immer näher – dem Teilchen, das auch als Portal zu einer neuen Physik gilt“, erklärt Eckhard Elsen, CERN-Direktor für Forschung und Computertechnologie. Mit zunehmender Präzision der Messungen und Datenauswertung dringe man nun in einen Bereich vor, in dem sich – so vorhanden – eine neue Physik jenseits des Standardmodells verbergen könnte. (Physics Letters B, in press)

(CERN, 29.08.2018 – NPO)