Die Suche nach dem Higgs-Boson: die experimentellen Herausforderungen

Vorhersagen für die relativen Zerfalls-Wahrscheinlichkeiten des Higgs-Bosons in W- oder Z-Bosonen, Gluonen (g), Photonen (γ), Quarks (c, b, t) oder tau-Leptonen (τ) für verschiedene mögliche Higgs-Boson Massen (Quelle: LHC Cross Section Working Group)

Der vom CERN bei Genf betriebene Large Hadron Collider (LHC) bietet mit seinen Proton-Kollisionen bei Energien von nunmehr 4 TeV / Proton (das 4300-fache der Protonmasse) und seiner hohen Intensität ein ideales Umfeld für die Suche nach bisher unbeobachteten Teilchen und im Besonderen nach dem Higgs-Boson. Die hohe Rate (aktuell bis zu 1 Milliarde Kollisionen/s) ermöglicht die Messung sehr seltener Prozesse und die von Kollision zu Kollision variierende Energie der beteiligten Elementarteilchen (Gluonen oder Quarks) erlaubt die Produktion von Teilchen mit sehr unterschiedlichen Massen.

Im Rahmen des „Standardmodells“ ist nur mehr die Masse des Higgs-Bosons unbekannt – alle anderen Eigenschaften, wie Produktions- und Zerfallsraten, können für jede angenommene Masse berechnet werden. Die Produktion von Higgs-Bosonen würde hauptsächlich durch die Wechselwirkung zweier Gluonen (Träger der starken Wechselwirkung) erfolgen – Teilchen, die einen Teil der kollidierenden Protonen darstellen (s. „Die Theorie hinter dem Higgs“). Zerfälle erfolgen überwiegend in die schwerstmöglichen Teilchen. Bei einer Proton-Proton Kollisionsenergie von 8 TeV und einer Higgs-Boson-Masse von 125 GeV würde im Durchschnitt ein solches Teilchen in 3 Milliarden Kollisionen erzeugt werden (das entspricht ungefähr der Wahrscheinlichkeit, 10 richtige Zahlen aus 45 zu wählen). Wie in der Illustration zu sehen würden Higgs-Bosonen mit hoher Masse hauptsächlich in Paare von top-Quarks (den schwersten Materieteilchen) oder in Z- oder W-Teilchen (Träger der schwachen Wechselwirkung) zerfallen. Bei niedriger Masse - im Bereich von ca. 100 bis 150 GeV, auf den die Ergebnisse der 2011 aufgezeichneten Daten hinweisen - würde der Zerfall meistens in Paare von b-Quarks oder tau-Leptonen erfolgen.

Prof. Peter Higgs vor dem CMS Experiment (Quelle: CERN)

Die Messung der verschiedenen Zerfälle ist experimentell von unterschiedlicher Schwierigkeit. Das CMS Experiment kann mit hoher Präzision hochenergetische Elektronen, Myonen und Photon detektieren. Die Produktion von b-Quarks und Tau-Leptonen ist auch messbar, allerdings ist hier die Gefahr der Verwechslung mit leichteren Quarks oder Gluonen wesentlich höher. Deshalb bieten die Zerfälle in Paare von Z- oder W-Teilchen, die ihrerseits in Elektronen, Myonen und/oder Neutrinos zerfallen, trotz ihres kleinen Anteils an allen Zerfallsarten die besten Nachweisbedingungen.

Bei niedrigen Massen ist auch der Zerfall in zwei hochenergetische Photonen wichtig. Hier (und auch im oben erwähnten Zerfall in zwei Z-Teilchen) werden alle Zerfallsprodukte im Detektor nachgewiesen, was die genaue Rekonstruktion der Masse des Higgs-Bosons erlaubt. Es wird aber natürlich allen Spuren nachgegangen. Selbst experimentell schwierige Konfigurationen können einen Beitrag zum Gesamtergebnis liefern und werden mit aufwendigen Analysetechniken verfolgt.

Insbesondere die Analyse der Zerfälle in Leptonen oder b-Quarks sind nur durch die präzise Messung der Richtung, Energie und Zerfallszeit dieser Teilchen im Spurdetektor von CMS möglich. Das Institut für Hochenergiephysik war maßgeblich an der Konstruktion dieses Detektors und der Entwicklung von Algorithmen zur optimalen Messung dieser Parameter beteiligt und trägt weiterhin zum Betrieb dieses Kernstücks von CMS bei.

Teilansicht der zentralen Auswahlelektronik des CMS Experiments. (Quelle: HEPHY)

Ereignisse mit Higgs-Bosonen müssen also aus dem „Heuhaufen“ aller anderen Kollisionen herausgefiltert werden. Dies geschieht in drei Stufen:

  1. Mit speziell entwickelten ultraschnellen elektronischen Geräten werden die Detektorsignale analysiert und innerhalb weniger Mikrosekunden entschieden, ob eine Kollision typische Eigenschaften von Higgs-Produktion, z.B. hochenergetische Elektronen, Myonen oder Photonen, zeigt. Schon in dieser Stufe werden mehr als 99% der Ereignisse verworfen.

  2. Die nach diesem Selektionsprozess verbleibenden Ereignisse werden innerhalb weniger Sekunden in einem lokalen Rechenzentrum verarbeitet. Hier werden nach Möglichkeit Algorithmen verwendet, welche auch in der endgültigen Auswertung zur Anwendung kommen. Dies führt zu einer weiteren mehr als 100-fachen Reduktion. Die verbleibenden Daten werden permanent gespeichert.

  3. Für die endgültige Auswertung wird – je nach untersuchtem Zerfallskanal des Higgs-Bosons – ein Teil dieser Daten verwendet: die ersten 2 Stufen selektieren nicht nur, sondern ordnen die Ereignisse auch in Kategorien ein. Nach sorgfältiger Kalibration des Detektors und Rekonstruktion der in jeder Kollision entstandenen Elementarteilchen können Kollisionen mit Higgs-Bosonen besser von Untergrundereignissen unterschieden werden. Nach mehreren Monaten Betrieb können so einige 10 – 100 Kandidaten isoliert werden.

Die entscheidenden Elemente für die 1. Stufe wurden am Institut für Hochenergiephysik entwickelt und produziert, das auch die Verantwortung für Konfiguration und Betrieb dieses Teils innehat: ohne die einwandfreie Funktion dieses Teils während des ganzen Jahres würden keine Higgs-Ereignisse zur Analyse zur Verfügung stehen!

Selbst nach dieser strikten Auswahl könnten die verbleibenden Ereignisse, welche verschiedenen Produktions- und Zerfallsmechanismen von Higgs-Teilchen entsprechen, auch durch Reaktionen anderer, bekannter Teilchen erzeugt worden sein. Einzelne beobachtete Kollisionen können daher nicht mit Sicherheit einem Higgs-Boson Zerfall zugeordnet werden. Die Gesamtzahl an solchen Ereignissen kann aber – wie auch die Verteilung verschiedener Kenngrößen wie rekonstruierte Massen und Winkelverteilungen – zur Unterscheidung herangezogen werden, ähnlich wie man aus einem einzelnen Wurf nicht auf einen manipulierten Würfel schließen kann, sehr wohl aber aus der Häufigkeit der geworfenen Zahlen nach vielen Wiederholungen.

Gibt es ein Anzeichen für die Messungen eines neuen Teilchens werden alle Teilergebnisse in einer Zahl zusammengefasst: die Wahrscheinlichkeit einer „falschen“ Entdeckung, d.h. die Häufigkeit, mit der ein Experiment wie CMS in einer Welt ohne Higgs-Boson ein Signal mit der gleichen oder sogar größeren Stärke wie das beobachtete sehen würde. Traditionell werden Entdeckungen in der Hochenergiephysik akzeptiert, wenn diese Wahrscheinlichkeit unter 1 in 3 Millionen Fällen sinkt (was mehr als 5 „Standardabweichungen“ entspricht und etwa doppelt so wahrscheinlich wie ein Lotto-6er ist). Die Spannung steigt: die entsprechende Zahl für die ersten Daten aus 2012 wird in wenigen Tagen bekannt sein!