15.08.2012

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen und die Forschungsergebnisse des CERN

Was in Genf gefunden wurde

Uwe Reichert

Am 4. Juli 2012 verkündeten die Forscher am Genfer CERN die Entdeckung eines neuen Teilchens. Die Begeisterung war groß, doch für viele Laien waren und sind die Entdeckungen in der Schweiz völlig unverständlich. Was also hat es mit der Entdeckung auf sich?

Wissenschaftler möchten gern Ordnung in die Vielzahl der beobachteten Naturphänomene bringen. Damit versuchen sie, Regelmäßigkeiten auf die Spur zu kommen und ein tieferes Verständnis der grundlegenden Zusammenhänge zu entwickeln. Als Chemiker im 19. Jahrhundert die bekannten Elemente systematisch nach ihren Eigenschaften ordneten, konnten sie anhand von Lücken in diesem Periodensystem unbekannte Elemente vorhersagen. Nach der Entdeckung des Elektrons (das in der Hülle von Atomen für deren chemische Eigenschaften sorgt) und der Entwicklung der Quantenmechanik (die erklärt, wie diese Elektronenhülle strukturiert ist) war es dann im 20. Jahrhundert möglich, die Systematik des Periodensystems zu verstehen.

Für Elementarteilchen haben Physiker eine vergleichbare Zusammenstellung entwickelt. Um deren vorläufigen Charakter zu betonen, sprechen sie vom „Standardmodell“ der Teilchenphysik. Das Elektron ist einer der darin enthaltenen Grundbausteine. Protonen und Neutronen, die wir als Komponenten von Atomkernen kennen, sind darin nicht vertreten. Denn sie sind, wie wir heute wissen, nicht elementar, sondern aus noch kleineren Einheiten zusammengesetzt. Konkret sind das massereiche Teilchen namens up-Quark und down-Quark, die durch masselose „Klebeteilchen“ – Gluonen – zusammengehalten werden. Da Quarks wegen der Wirkung der Gluonen auf dem winzigen Durchmesser eines Protons oder Neutrons eingeschlossen sind, kommen sie in unserer Alltagswelt auch nicht vor. Dementsprechend hat es die Physiker große Mühen gekostet, sie überhaupt nachzuweisen und ihre Eigenschaften zu bestimmen.

Ähnlich wie im Periodensystem der chemischen Elemente ergaben sich auch im Standardmodell der Teilchenphysik anfangs einige Lücken, die auf noch unbekannte Elementarteilchen hinwiesen. Mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern gelang es im Laufe der Zeit, diese Lücken zu schließen. Heute kennen wir einen Satz von Grundbausteinen, die sich in eine konsistente Theorie einfügen. Dazu gehören einerseits jene Teilchen, aus denen die uns vertraute Materie besteht: up- und down-Quark, das Elektron sowie ein dem Elektron zugeordnetes Neutrino. Andererseits gehören dazu auch die Kräfte, die zwischen diesen materiellen Teilchen wirken. In unserem Alltag kennen wir solche Kräfte als Felder – das elektromagnetische Feld beispielsweise, das mit der Ausbreitung von Licht verbunden ist. In den kleinen Dimensionen, in denen sich die Teilchenphysik abspielt, lassen sich die Träger dieser Kräfte ebenfalls als Teilchen auffassen. Im Falle der elektromagnetischen Kraft wirken Photonen als Trägerteilchen. Bei der starken Kraft, die zwischen den Quarks wirkt, sind es die Gluonen.

Das mag sich recht kompliziert anhören, ist es aber eigentlich nicht. Spannender wird es, wenn wir eine dritte in der Natur bekannte Kraft hinzunehmen: die schwache Kraft, die beim radioaktiven Zerfall von Teilchen eine Rolle spielt und entscheidend am Brennstoffzyklus unserer Sonne beteiligt ist. Auch die schwache Kraft wird durch Trägerteilchen vermittelt. Es gibt sogar drei davon: ein positiv geladenes, ein negativ geladenes und ein neutrales, in der Sprache der Physik als W+, W– und Z0 bezeichnet. Im Gegensatz zum Photon und zu den Gluonen haben diese Trägerteilchen eine Masse. Ihr Wert ist rund 100-mal so groß wie diejenige des Protons. Dass es drei Trägerteilchen der schwachen Kraft gibt und wie groß ihre Masse in etwa sein sollte, war Ende der 1960er Jahre theoretisch vorhergesagt worden. Mit der Entdeckung dieser Teilchen am CERN im Jahr 1983 wurde diese Prognose auf glänzende Weise bestätigt.

Trotz dieses erfolgreichen Zusammenspiels zwischen Theorie und Experiment gaben die Befunde den Physikern Rätsel auf. Die Masse der drei Trägerteilchen für die schwache Kraft schien gegen eine der Spielregeln des Standardmodells zu verstoßen. Eigentlich sollten das W+, W– und Z0 masselos sein, so wie das Photon und die Gluonen. Um dieses Problem zu überwinden, musste ein Mechanismus gefunden werden, der den drei Trägerteilchen der schwachen Kraft zu ihrer Masse verhilft.

Woher kommt die Masse?

Mehrere Theoretiker haben einen solchen Mechanismus ersonnen. Dabei nahmen sie Anleihe an einem Modell, das für ganz andere Zwecke abgeleitet worden war, nämlich für die Erklärung der Supraleitung (so nennt man das widerstandslose Fließen von elektrischen Strömen). Einer dieser Theoretiker, Peter Higgs von der Universität Edinburgh, hat sich zum Namensgeber dieses Mechanismus entwickelt.
Die Grundidee ist, ein Feld einzuführen, das sich in einigen Eigenschaften von allen anderen bekannten Feldern (wie etwa einem elektromagnetischen Feld) unterscheidet. Dieses Higgs-Feld hat zum Beispiel keine Richtung. Man kann es sich wie ein Meer aus Higgs-Teilchen vorstellen, die den Raum erfüllen. Eine zweite Idee ist die Annahme, dass alle Trägerteilchen anfangs die Masse null hatten. Allerdings weist man ihnen eine weitere Eigenschaft zu, welche die Art der Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld bestimmt. Diese spezielle Art der Wechselwirkung führt letztlich zu der Masse, die wir für die jeweiligen Trägerteilchen beobachten.

Greifen wir an dieser Stelle zu einer Metapher und stellen uns das Meer aus Higgs-Teilchen als Schwimmbecken vor. Ein Kraulschwimmer in modernen Badetextilien durchquert seine Bahn in Rekordzeit. Das wäre in unserem Standardmodell das masselose Photon, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Jemand, der in voller Straßenmontur und Rettungsring baden ginge, würde einen starken Widerstand spüren und kaum vom Fleck kommen. Das entspräche einem Trägerteilchen der schwachen Kraft, das sich aufgrund seiner hohen Masse nicht mit Lichtgeschwindigkeit, sondern nur viel langsamer fortbewegen kann.

Eine andere Feinheit des Higgs-Mechanismus ist, dass sich bei hohen Temperaturen und hohen Energien die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Higgs-Feld ändern. In unserer Metapher würde das bedeuten, dass das Meer aus Higgs-Teilchen seine Zähigkeit verliert (ähnlich wie Honig beim Erhitzen) und sich alle Schwimmer gleich schnell vorwärtsbewegen. Übersetzt auf die Physik hieße das, dass die Trägerteilchen der schwachen Kraft bei den Bedingungen, die im frühen Universum herrschten, ihre Masse verlieren würden. Die Symmetrie zum Photon – und die Spielregeln des Standardmodells – wären wiederhergestellt.

Das Higgs-Feld wurde aber auch so eingeführt, dass es nicht nur den Trägerteilchen der Grundkräfte, sondern allen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Damit ist der Higgs-Mechanismus prinzipiell in der Lage, den Ursprung der Masse zu erklären. Denn wieso die Elementarteilchen überhaupt eine Masse haben und warum sie genauso groß ist, wie wir sie messen, darüber gibt das Standardmodell keine Auskunft. Auch aus diesem Grund waren und sind die Physiker so darauf erpicht zu prüfen, ob das Higgs-Teilchen tatsächlich existiert.

Hochkomplexe Beschleuniger

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen war einer der Gründe, den LHC zu bauen. Zunächst galt es, den hochkomplexen Beschleuniger, der unter anderem mehr als 1200 jeweils 15 Meter lange supraleitende Magnete enthält, und die Qualität der darin erzeugten Protonenstrahlen zu optimieren. Im April 2012 war man so weit, dass die Strahlenergie auf 4 Teraelektronvolt (TeV) pro Proton erhöht werden konnte (1 TeV entspricht einer Billion Elektronvolt und ist eine in der Teilchenphysik übliche Energieeinheit). Damit standen für den Energieblitz, der bei der Kollision zweier Protonen entsteht, 8 TeV zur Verfügung, und die Wahrscheinlichkeit, dass gelegentlich eines der gesuchten Higgs-Teilchen entstehen würde, stieg so weit an, dass man im Verlauf mehrerer Monate einige von ihnen würde nachweisen können.
Die Entdeckung eines Higgs-Teilchens ist dabei keine Ja-Nein-Entscheidung. Letztlich braucht man eine gute Statistik der gemessenen Ereignisse. Nach drei Monaten Messzeit hatten die CERN-Wissenschaftler genügend Signale zusammen, um die Wahrscheinlichkeit, dass die unvermeidlichen Messschwankungen nur einen physikalischen Effekt vorgaukeln, auf 0,00006 % zu reduzieren. Bei diesem Wert sprechen die Physiker von einem 5-Sigma-Niveau. Nur wenn dieser Wert erreicht ist, betrachten sie ein Teilchen als nachgewiesen.

Die CERN-Wissenschaftler sind sich nun sicher, ein neues Teilchen gefunden zu haben. Ist es aber auch das gesuchte Higgs? Die Indizien weisen darauf hin. Um die letzten Zweifel auszuräumen und die Eigenschaften des neuen Partikels genau zu bestimmen, wurde die Messzeit des LHC im jetzigen Betriebsmodus bis Mitte Dezember verlängert.
Der Nachweis des Higgs-Teilchens wäre ein grandioser Erfolg des Standardmodells. Und es würde helfen, von den verschiedenen Erweiterungen des Standardmodells, die seit einigen Jahren diskutiert werden, einige auszusortieren und nur noch die verbliebenen Favoriten weiterzuverfolgen. Viele weitere Fragen bleiben allerdings noch zu klären.

Erschienen in Rotary Magazin 8/2012

Uwe Reichert
Dr. Uwe Reichert war von 1989 an Redakteur der Zeitschrift „Spektrum der Wissenschaft“ und ist seit 2008 Chefredakteur der Zeitschrift „Sterne und Weltraum“. www.sterne-und-weltraum.de

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