Das Higgs-Boson

Seit vielen Jahren liefert das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik eine präzise Beschreibung der bekannten Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen, die durch zahlreiche Messungen bestätigt wurde. Ein zentrales Element ist ein von den Physikern R. Brout, F. Englert und P.W. Higgs entwickelter Mechanismus, der die Massen der elementaren Teilchen auf ein neues Quantenfeld zurückführt. 

Die Experimente suchen seitdem nach Hinweisen auf das "Higgs Boson", das Teilchen, welches diesem Feld entspricht. Die vorhergesagten Eigenschaften dieses Teilchens waren wichtige Parameter bei der Planung der Experimente und beim Bau der Detektoren (siehe z.B. die Beiträge des HEPHY zum CMS Experiment).

Am 4. Juli 2012, fast 50 Jahre nach der Vorhersage, präsentierten die zwei Großexperimente am Large Hadron Collider (LHC) - CMS und ATLAS - im Rahmen eines Seminars am CERN bahnbrechende neue Ergebnisse zu dieser Frage. Die Resultate der beiden Experimente beruhten auf Daten des LHC aus dem Jahr 2011 und den ersten Monaten des Jahres 2012. Beide Experimente beobachteten ein Signal bei einer Masse von etwa 125-126 GeV. Die Wahrscheinlichkeit, solch einen Überschuss ohne die Existenz eines neuen Teilchens zu messen, beträgt jeweils nur 1 zu 3 Millionen.

Mit den damals verfügbaren Daten konnten die subtileren Eigenschaften des neuen Teilchens nur mit begrenzter Genauigkeit bestimmt werden. Innerhalb dieser Genauigkeit sind sie aber mit den Vorhersagen des Standardmodells für das Higgs-Boson verträglich.

Der Sprecher des CMS Experiments Joe Incandela (rechts im Bild neben dem CERN Generaldirektor Rolf Heuer) bei der Pressekonferenz im Anschluss an das Seminar: "Das ist ein neues Teilchen. Es muss ein Boson sein, das schwerste Boson, das wir je gefunden haben."
Auch am Institut für Hochenergiephysik in Wien hatten sich die Physiker versammelt, um sich bei der Direktübertragung des Seminares ein eigenes Bild zu machen. Ein Kollege hatte sein eigenes Higgs-Boson mitgebracht.

Der aktuelle Stand der Forschung

In der Zwischenzeit wurden auch die restlichen Daten des Jahres 2012 verarbeitet, und die Analysemethoden verfeinert. Zum Zeitpunkt der Entdeckung wurden zwei Zerfallsarten des Higgs-Bosons beobachtet. Mittlerweile wurden auch Zerfälle in Z- und W-Bosonen, in Photonen sowie in schwere Fermionen zweifelsfrei festgestellt. Es liegen jetzt auch genauere Ergebnisse zu den Eigenschaften des neuen Teilchens vor. So wurde etwa die Masse mit einer Genauigkeit von 0.3% gemessen, und die Zerfallsraten in fünf Produktions- und Zerfallsmoden bestimmt. Im Rahmen der experimentellen Genauigkeit stimmen all diese Resultate mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Eine erhöhte Genauigkeit, und damit eine kritischere Prüfung des Modells, kann kurzfristig durch eine Kombination der Resultate der zwei Experimente erreicht werden, vor allem aber ab 2015 durch die neuen Daten des LHC bei höherer Kollisionsenergie.

In den folgenden Seiten wird ein Überblick über die Grundlagen dieser Entdeckung gegeben:

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