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Erstmalige Beobachtung von Higgs-Boson-Zerfällen zu Tauonen

Die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) am CERN vor etwas mehr als fünf Jahren geschah hauptsächlich in Zerfällen zu Bosonen (eine bestimmte Art von Teilchen, zu der auch das Lichtteilchen Photon gehört). Diese Zerfälle sind noch verhältnismäßig einfach in der großen Anzahl von LHC-Kollisionen identifizierbar. Dem CMS-Experiment am LHC ist nun ein weiterer Schritt zur Entschlüsselung des Higgs-Bosons gelungen: Erstmals wurden auch seine schwer beobachtbaren Zerfälle zur zweiten Art von Teilchen, den Fermionen, nachgewiesen. Speziell handelt es sich hier bei den Fermionen um zwei Tauonen, den etwa 3500mal schwereren Geschwistern der Elektronen.

 

Zerfällt das Higgs-Boson auch zu Fermionen? In den letzten Jahren verdichteten sich die Hinweise durch gleichzeitige Betrachtung der Ergebnisse mehrerer Experimente. Doch nun ist es dem CMS-Experiment gelungen, erstmals den Nachweis dafür zu liefern. Gelungen ist dies durch die Analyse der Daten, die CMS in den Jahren 2011-2016 am LHC gesammelt hat. Nachgewiesen wurde der Zerfall zu zwei Tauonen dabei mit der selben statistischen Wahrscheinlichkeit, die auch die Schwelle für die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahre 2012 darstellte.

Die Existenz des Higgs-Bosons wurde bereits vor mehr als 50 Jahren vorhergesagt. Auch damals konzentrierten sich die Modelle auf die Wechselwirkung von Higgs-Bosonen mit anderen Bosonen. Die Wechselwirkung mit Fermionen ist eine weitergehende Vorhersage, die nicht aus dem ursprünglichen Higgs-Mechanismus folgt. Um so wichtiger ist daher der nun erfolgte Nachweis auch dieser Kopplungen.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons durch die ATLAS- und CMS-Experimente am LHC vervollständigte das Standardmodell der Teilchenphysik. Das Higgs-Boson selbst ist nicht direkt beobachtbar, da es in kürzester Zeit zu anderen Teilchen zerfällt. Wie häufig verschiedene Zerfälle auftreten, läßt sich mit Hilfe bestehender Theorien vorhersagen. Der Zerfall des Higgs-Bosons zu Tauonen ist dabei von besonderer Relevanz: Viele weiterführende Theorien, wie zum Beispiel die Supersymmetrie, sagen Abweichungen zur vorhergesagten Häufigkeit der Higgs-Boson-Zerfälle voraus. In vielen Fällen ist dabei die Abweichung bei Zerfällen zu Tauonen besonders groß. Ziel ist daher, diese in den kommenden Jahren mit hoher Präzision zu messen und auf diese Weise vielleicht das Higgs-Boson als Portal zur Entdeckung weiterer Teilchen zu nutzen.