Higgs-Boson: Geheimnis der Materie

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Die Antwort auf eine der spannendsten Fragen der Physik scheint zum Greifen nahe: Wissenschaftler am Genfer Forschungszentrum CERN haben erste Anzeichen für das Higgs-Boson ausfindig gemacht. Jetzt hoffen sie darauf, dass 2012 der Nachweis des Elementarteilchens gelingen wird.

Das Higgs-Boson ist das letzte Puzzle-Stückchen, das im Standardmodell der Physik fehlt, um den Aufbau der Materie zu erklären. Das Teilchen wurde 1964 vorhergesagt und ist nach dem britischen Physiker Peter Higgs benannt. Bosonen sind Elementarteilchen, die nach dem indischen Physiker Satyendranath Bose bezeichnet werden. Das Higgs-Boson hätte die Funktion, den anderen elementaren Teilchen des Standardmodells ihre Masse zu verleihen.

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Nach den Vorstellungen der Physiker ist der gesamte Weltraum vom sogenannten Higgs-Feld durchdrungen. Je nachdem, wie stark die einzelnen Elementarteilchen an die Higgs-Bosonen ankoppeln, hätten sie mehr oder weniger Masse. Wird das fehlende Teilchen tatsächlich entdeckt, wäre dies nicht nur die Bestätigung für ein Modell, sondern würde zugleich den Aufbruch in eine neue Forschungswelt markieren.

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN bietet – zumal bei einer noch höheren Energie der Protonenstrahlen ab dem Jahr 2014 – ideale Voraussetzungen, um das Higgs-Feld und den Ursprung der Masse zu untersuchen. Am Dienstag hatte das CERN neue Ergebnisse präsentiert.

Prof. Volker Büscher, Bild: JGU
Prof. Volker Büscher, Bild: JGU

“Möglicherweise haben wir tatsächlich den ersten Hinweis auf das Higgs-Teilchen beobachtet, aber noch ist es zu früh für eine definitive Aussage”, sagt Prof. Volker Büscher vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). “Und wenn sich diese Hinweise als richtig herausstellen, liefern die jetzt analysierten Daten erstmals direkte Informationen über seine Masse“, ergänzt Prof. Stefan Tapprogge. An der Universität sind 50 Physiker an den Forschungen am CERN beteiligt und zwar insbesondere am ATLAS-Experiment – einem der zwei großen Experimente, die sich die Suche nach dem Higgs-Teilchen zur vordringlichen Aufgabe gemacht haben.

Die Proton-Proton-Kollisionen des Large Hadron Collider am CERN haben jetzt Ergebnisse geliefert, die die Forscher hoffen lassen. “Zum jetzigen Zeitpunkt können wir zwei Aussagen machen”, sagt Büscher. “Zum einen: Wenn das Higgs-Boson tatsächlich die vermuteten Eigenschaften hat, dann muss seine Masse zwischen 115 und 131 Giga-Elektronenvolt liegen – eine deutlich bessere Eingrenzung als noch vor einem Jahr. Zum anderen haben wir einen bemerkenswerten, interessanten Überschuss an Ereignissen gefunden, der ein erster direkter Hinweis auf ein Higgs-Boson der Masse im Bereich um 125 Giga-Elektronenvolt sein könnte.”

Wenn sich die Hinweise bestätigen, wäre das Higgs-Boson ungefähr 125 Mal so schwer wie ein Proton. Neben diesen neuen Daten vom Teilchendetektor ATLAS sieht auch der zweite große Teilchendetektor am LHC, der Compact Muon Solenoid (CMS), ähnliche Anzeichen.

Prof. Stefan Tapprogge, Bild: JGU
Prof. Stefan Tapprogge, Bild: JGU

Für die Forscher um Büscher und Tapprogge würde sich mit einer Bestätigung ein Traum erfüllen. Viele haben ihre wissenschaftliche Laufbahn der Jagd nach dem Higgs-Teilchen gewidmet – und sind jetzt dabei, wenn es richtig spannend wird. “Das ist ein großer Moment für uns alle und es wäre wunderbar, wenn sich die Beobachtungen bestätigen ließen”, so Tapprogge.

Noch spricht kein Wissenschaftler von einer Entdeckung, denn dafür ist es noch zu früh: Die Zahl der beobachteten Ereignisse ist noch nicht groß genug, als dass ein Zufallseffekt statistisch zweifelsfrei auszuschließen wäre. Aber allein die Tatsache, dass zwei unabhängige Experimente – ATLAS und CMS – in die gleiche Richtung weisen, sorgt für Aufregung und gibt Hoffnung, dass es sich hier tatsächlich um das mysteriöse Higgs-Teilchen handeln könnte.

Nach Angaben von Dr. Stefan Stonjek vom Max-Planck-Institut für Physik München bleibt der LHC erst einmal bis Februar abgeschaltet, um ihn zu warten. Das sei schon seit langem geplant. “Wir hoffen aber, dass wir dann im nächsten Jahr bis zu vier Mal mehr Daten sammeln können als in diesem Jahr. Dann können wir die Existenz des Higgs-Bosons vielleicht schon im Sommer bestätigen oder ausschließen, spätestens aber bis zum Winter.” Wenn das Higgs-Boson nicht existiere, sei das auch keine Niederlage. “Im Gegenteil, für uns Physiker wäre das sehr spannend. Dann müssten sich die Theoretiker nämlich einen neuen Mechanismus überlegen, wie die Materie zu ihrer Masse kommt.”

Bundesforschungsministerin Annette Schavan forderte, die Higgs-Teilchen weiter zu suchen. “In den nächsten 12 Monaten erwarten die Wissenschaftler den entscheidenden Hinweis. Ich kann die Forscher in Genf nur ermuntern, hieran weiter zu arbeiten.” Der Etat des CERN betrage im Jahr 2011 knapp 900 Millionen Euro. Deutschland sei der größte Geldgeber, rund jeder fünfte Euro des Etats komme aus Deutschland.