Higgs-Boson beinahe entdeckt – und dann?

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Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Am 13. Dezember trat CERN endlich mal wieder an die Öffentlichkeit, um uns den Stand der Forschung in Sachen Higgs-Bosonen zu erläutern. Die Botschaft klingt zusammengefasst beinahe banal: Sie haben Hinweise auf das Higgs-Teilchen genau dort gefunden, wo man es erwarten würde. Ich möchte hier eine kurze Zusammenfassung geben, was dort eigentlich gemessen wurde und zum Ende ein wenig Werbung für den International Linear Collider machen.*

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Hier sind die Bereiche rot unterlegt, für die ATLAS bereits die Existenz des Higgs-Bosons ausschließen konnte. Im weißen Bereich zeichnen sich erste Hinweise auf das Higgs-Boson ab. Die Grafik ist den Vortragsfolien von Fabiola Gianotti entnommen, die hier heruntergeladen werden können.

Zunächst einmal ist es interessant, wie der Nachweis des Higgs-Teilchens überhaupt funktioniert. Als Laie sehe ich als Resultat nur eine Grafik, in der nach rechts die möglichen Higgs-Massen und nach oben die Zuverlässigkeit ein Higgs gefunden zu haben, eingezeichnet sind. Welche Anstrengung, vor allem aber was für ein Verfahren dahinter steckt, geht aus solch einer Grafik kaum hervor.

Erzeugung und Nachweis

Im LHC werden Teilchen erzeugt, indem zwei gegenläufige Protonenstrahlen miteinander zur Kollision gebracht werden. Protonen sind keine einfachen Teilchen. Es sind Wasserstoffkerne, die bei den verwendeten Energien aus einem Gewimmel von Quarks und Gluonen bestehen. Diese Inhaltsstoffe der Protonen sind es, die miteinander wechselwirken. Und so gibt es mehrere Vorgänge, bei denen jeweils ein Higgs-Teilchen entstehen kann.

Bei der LHC Energie ist der wahrscheinlichste Prozess, dass ein Higgs-Teilchen durch Verschmelzung zweier Gluonen, also der Vermittler der starken Kernkraft, entsteht. Aber es kommen auch Prozesse vor, in denen zwei Quarks miteinander über die schwache Kernkraft Energie austauschen und dabei ein Gluon erzeugen. Oder welche, in denen zusammen mit dem Higgs-Teilchen ein Boson der schwachen Kernkraft oder ein Tau/Anti-Tau-Paar entsteht. In jedem Fall geht nicht die gesamte Energie des Stoßes in die Higgs-Produktion. Der Rest des Protons erzeugt zusätzliche Signale im Detektor und es gilt für die Experimente, die signifikanten Hinweise auf Higgs-Produktion aus allen vorkommenden Prozessen herauszufiltern.

Der Collider LHC läuft mit einer Schwerpunktenergie von 7000 Gigaelektronenvolt. Ein Großteil dieser Energie steht aber effektiv nicht zur Erzeugung eines einzelnen Teilchens zur Verfügung. Der LHC kann deshalb nur Higgs-Teilchen bis zu einer Energie von etwa 500 Gigaelektronenvolt sicher nachweisen oder deren Existenz ausschließen. Außerdem entstehen bei diesen Kollisionen nicht nur, ja nicht einmal hauptsächlich Higgs-Bosonen. Alle anderen Elementarteilchen werden am LHC ebenfalls erzeugt. So überprüfen die Experimente ATLAS und CMS nebenher auch die Theorien zu allen anderen Elementarteilchen bei bisher unerreichten Energien.

Wenn so ein Higgs-Teilchen erstmal erzeugt ist, zerfällt es immer und sehr schnell in andere, stabilere Elementarteilchen. Man kann deshalb die Masse eines Higgs-Teilchens nicht einfach vermessen, indem man seine Energie und seinen Impuls anhand der Bahneigenschaften nachvollzieht. Statt dessen versucht man die Zerfallsprodukte dingfest zu machen und ihre Bahnen auf einen Gemeinsamen Ursprung zurück zu verfolgen. Wo die Bahnen aller Zerfallsprodukte entsprungen sind, war ein Higgs-Boson.

Nun trägt so ein Zerfalls-Endprodukt kein Fähnchen mit sich, auf dem Higgs-Boson steht. Die Endprodukte sind ganz bodenständige Elementarteilchen, die bei jedem anderen Prozess entstanden sein könnten. Über einen einzelnen Zerfallsprozess kann man nicht mit Sicherheit sagen, was da im Ursprung der Teilchenbahnen zerfallen ist. Statistik muss also her. Viel Statistik. Genug um mit großer Sicherheit sagen zu können, ob in einem bestimmten Energiebereich mehr Teilchenspuren entstanden sind, als ohne die Existenz von Higgs-Bosonen zu erwarten gewesen wäre.

In welche Teilchen ein Higgs-Boson zerfallen kann, hängt von seiner Energie ab. Wie bei fast allen schweren Elementarteilchen gibt es viele verschiedene Zerfallsprozesse, die zueinander in Konkurrenz stehen. Man kann über ein einzelnes Higgs-Boson nicht voraussagen, in was es zerfallen wird. Man kann aber bei vielen Zerfallsprozessen Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Zerfallskanäle angeben. DieseVerzweigungs-Verhältnisse sind ein Ziel der genaueren Untersuchung, wenn das Higgs-Boson erstmal zweifelsfrei nachgewiesen sein wird.

Einer der einfachsten Vorgänge ist der Zerfall eines einzelnen Higgs-Bosons in zwei Photonen. Das sind auseinander fliegende Gamma-Quanten. Solche Gamma-Blitze sind recht einfach zu finden, weil sie sich deutlich von den Strömen geladener Teilchen unterscheiden. Bei einer angenommenen Higgs-Energie von 125 Gigaelektronenvolt erwartet man im Standardmodell aber nur recht wenige Zerfälle in diesen Kanal.

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Hier ist ein anderer Ausschnitt aus dem selben Vortrag wie das obige Bild. Die Beschreibung ist im Text rechts.

Dazu kommt, dass ohnehin viele Gamma-Quanten in den Kollisionen entstehen, so dass unter mehr als vierzig solcher Ereignisse nur eines auf den Zerfall eines Higgs-Bosons zurückgeht. Die entsprechende Grafik zum Gamma-Gamma-Zerfall habe ich mal aus den Vortragsfolien von Fabiola Gianotti herausgeschnitten. Man sieht hier sehr schön, was zu erwarten ist. Ein kleiner Hügel an der Higgs-Boson-Energie wölbt sich aus einer stetig abnehmenden, relativ glatten Kurve. Das ist ein Glücksfall, weil der Untergrund keine Struktur hat und man aus der Höhe und Form des Hügels direkt Schlüsse ziehen kann. Die Höhe gibt die Entstehungsrate von Higgs-Bosonen an, multipliziert mit der Wahrscheinlichkeit sie durch zwei Gamma-Quanten zu entdecken. Die Breite des Hügels gibt an, wie schnell das Higgs-Boson insgesamt zerfällt. Aufgrund der Energie-Lebensdauer-Unschärfe wird solch ein Hügel um so Breiter, je kurzlebiger das Teilchen ist. Die Form könnte Aufschluss über Besonderheiten des Higgs-Bosons geben. Zum Beispiel ob es mehrere Komponenten mit unterschiedlichen Lebensdauern gibt.

Die Grafik zeigt aber auch, dass die Statistik noch lange nicht ausreicht, um über diesen Kanal das Higgs-Boson nachzuweisen. Falls es dort sein sollte, werden die Physikerinnen und Physiker noch einige Zeit brauchen, bis die Höhe und Form des Higgs-Zerfalls hier zum Vorschein kommt.

Eine weiterer prominenter Zerfall, den man im gegebenen Energiebereich erwartet, ist der über zwei virtuelle W-Bosonen in zwei geladene Leptonen und zwei begleitende Neutrinos. Dieser Kanal ist deshalb wahrscheinlich, weil die mutmaßliche Higgs-Masse nicht weit unter der doppelten W-Bosonen-Masse von 160 Gigaelektronenvolt liegt. Das hat aber zur Folge, dass das Higgs-Signal hier auf einem strukturierten Untergrund liegt.

Die kollidierenden Protonen erzeugen neben Higgs-Teilchen auch alles mögliche andere. Unter anderem eben auch Bosonenpaare, die nach identischem Muster zerfallen. Hier sieht man also auch ohne Higgs-Boson einen Hügel, der durch zusätzliche Higgs-Produktion nur an Höhe und Form modifiziert wird. Erschwerend kommt hinzu, dass die Neutrinos für den Detektor unsichtbar sind und sich nur durch einen Energieverlust bemerkbar machen. Entsprechende Grafiken finden sich in den verlinkten Vortragsfolien.

Und wenn das Higgs nicht nachgewiesen wird?

Bei all den Ergebnissen, die wir jetzt sehen und die vielversprechend erscheinen, ist es nicht ausgeschlossen, dass es sich am Ende doch als ein Irrtum erweist. Dass auch in dem letzten nicht ausgeschlossenen Energiebereich zwischen etwa 115 und 130 Gigaelektronenvolt kein Higgs-Boson zu finden sein wird. Das wäre in der Tat der Zusammenbruch des Standard-Modells. Dieses Modell, das all die anderen Teilchen so hervorragend beschreibt und auch den hier geschilderten Untergrund gut vorhersagt, bekäme ein Problem, wenn die Higgs-Energie über 180 oder unter 115 Gigaelektronenvolt läge.

Ich bin nicht ausreichend tief in theoretische Teilchenphysik eingearbeitet, um zu erklären, was im Detail die Probleme sind. Es scheint mir aber bei meinem Blick über den Tellerrand offensichtlich, dass ein Ausbleiben der Higgs-Bosonen der ungünstigste Fall von allen wäre. Zwar ist es spannend, wenn damit ein erster echter Hinweis darauf erbracht wäre, dass das Standardmodell eine Erweiterung braucht, aber es fehlten halt experimentelle Zeichen in welche Richtung die theoretischen Überlegungen eigentlich gehen sollen. Spekulationen gibt es viele. String-Theorien und Quantengravitationen werden überall wissenschaftlich und populärwissenschaftlich verhandelt. Aber es fehlt ein experimenteller Anhaltspunkt und wenn CERN bestätigen würde, dass das Standardmodell alles gut erklärt und nur das Higgs-Boson einfach nicht auftaucht, wäre das recht unbefriedigend.

Um weiter zu kommen müsste man eine Maschine mit höherer Energie bauen um vielleicht neue Teilchen bei noch höheren Energien aufzuspüren.

Und wenn Higgs-Bosonen bestätigt werden?

Das wäre in der Tat ein Glücksfall. CERN wäre mit dem endgültigen Nachweis des Higgs-Bosons keinesfalls am Ende. Ich habe ja oben schon angedeutet, dass es als nächstes an das exakte Vermessen der Higgs-Eigenschaften ginge. Formen und Höhen der verschiedenen Signale müssten so genau es geht vermessen werden. Die relativen Intensitäten der einzelnen Kanäle sind miteinander und mit theoretischen Modellen zu vergleichen.

Bei diesen Vergleichen könnte es durchaus noch zu Überraschungen kommen. Wenn nämlich die Zerfallskanäle nicht mit dem Standardmodell übereinstimmen, könnte das Hinweise auf notwenige Erweiterungen geben und damit helfen, die Elementarteilchenphysik auch theoretisch weiterzuentwickeln. Die Entdeckung und präzise Vermessung der Higgs-Bosonen würde die Teilchenphysik auf kleinen, experimentell fundierten Schritten voranbringen und damit das Verständnis der Physik auf kleinen Längenskalen vertiefen.

Der nächste Schritt wäre dann der Bau eines Colliders, der in der Lage ist tatsächliche Präzisionsmessungen an den Higgs-Bosonen durchzuführen. Zu diesem Zweck steht eine weltweite Kollaboration unter dem Namen International Linear Collider (ILC) in den Startlöchern. Der ILC wird kein Speicherring mehr sein, sondern zwei viele Kilometer lange Linarbeschleuniger, die Elektronen und Positronen gegeneinander beschleunigen und zur Kollision bringen. Der Vorteil dabei wäre, dass die Ausgangsteilchen elementar sind. Bei einer Frontalen Kollision von Elektron mit seinem Antiteilchen, dem Positron, ergibt sich ein einfacher Quantenzustand mit viel Energie und wenigen weiteren Eigenschaften. Die Erzeugung von Higgs-Bosonen in solch einem Zusammenstoß wäre weitaus sauberer als die in einer Kollision der kompliziert aufgebauten Protonen. Damit könnte man Erzeugung und Zerfall von Higgs-Bosonen viel präziser vermessen. Und alle anderen schweren Teilchen, wie das Top-Quark, natürlich auch.

Aber macht es Sinn, noch so eine teure Maschine mit relativ geringem praktischen Nutzen zu bauen? Können wir uns das in der Wirtschaftskriese finanziell überhaupt leisten? Ich glaube schon.

Lassen Sie mich ein Argument borgen, dass Marina Weisband, politische Geschäftsführerin der Piratenpartei, bei der Talkshow von Markus Lanz für das bedingungslose Grundeinkommen benutzt hat. Ihr Vorschlag war, zunächst einmal von der Geldwirtschaft abzusehen und einen Blick auf die Realwirtschaft zu werfen. Die Frage ist dann nicht mehr: Wollen wir jeder Frau, jedem Mann, jedem Kind eine gewisse Menge Geld geben? Die Frage ist: Produziert unsere Gesellschaft ausreichend Nahrungs- und Genussmittel, um allen Menschen eine Versorgung mit den Grundbedürfnissen und etwas bescheidenen Luxus zu ermöglichen? Wenn die Antwort Ja lautet und das erwünscht ist, kann man über die Finanzierung reden.

Ähnlich kann man mit dem ILC argumentieren. Der ILC wird ein internationales Projekt. Die Frage ist also: Können es sich die Industrieländer der Welt erlauben, einige ihrer besten Teilchenphysikerinnen und -physiker für eine Weile an solch einem Projekt arbeiten lassen? Haben sie ausreichend industrielle Kapazitäten um solch eine Maschine zu bauen? Müssten sie dafür andere, wichtigere Projekte vernachlässigen? Ich bin überzeugt, dass es der weltweiten Wirtschaft durchaus möglich ist, einen internationalen Teilchenbeschleuniger zu betreiben, ohne dass dieser wichtigere Projekte, wie den Ausbau erneuerbarer Energien, ernsthaft behindert.

Anmerkung:

*Ich habe keinerlei Kontakt zum  International Linear Collider Projekt und stehe nicht in finanzieller Abhängigkeit. Meine Projekte befinden sich eher in Konkurrenz zur Teilchenphysik.

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

8 Kommentare

  1. Dunkle Teilchen

    Sobald man das Higgs-Boson gefunden hat, fehlen dann nur noch die Teilchen der dunklen Materie (23 %), und die Teilchen der dunklen Energie (73 %), die zusammen 96 % des Universums ausmachen.

  2. Dunkle Materie und Energie

    Ob die dunkle Energie in Form von Elementarteilchen auftreten wird, würde ich bezweifeln. Hier ist von LHC meines Erachtens wenig zu erwarten.

    Die möglichen Teilchen der dunklen Materie sind schon eher Ziel des LHC. Problem ist dabei, dass es sich voraussichtlich um sehr schwach wechselwirkende, relativ stabile Teilchen handeln sollte. Solche Teilchen werden den Detektor vermutlich ungesehen verlassen und nur über fehlende Energie und fehlenden Impuls in den Rekonstruktionen von Ereignissen sichtbar sein. Sie haben als ähnliche Signaturen wie Neutrinos und sind ganz anders als Higgs-Bosonen.

    Mögliche Teilchen der dunklen Materie werden wohl erst sichtbar werden, wenn sehr gute Statistiken erreicht sind, so dass eventuelle Abweichungen vom erwarteten Hintergrund offensichtlich werden. Auch hier ist ein hintergrundarmer ILC ein besseres Instrument als die Entdeckungsmaschine LHC.

  3. @eL

    “Dunkle Energie, Dunkle Materie… Was es nicht gibt kann auch nicht entdeckt werden.”

    Immerhin kann man für die Entdeckung der dunklen Energie den Nobelpreis im Jahre 2011 bekommen; das ist ja auch irgendwie was 🙂

  4. Gamma-Gamma Signal-MC

    Joachim Schulz schrieb (16. Dezember 2011, 12:13):
    > Die entsprechende Grafik zum Gamma-Gamma-Zerfall habe ich mal aus den Vortragsfolien von Fabiola Gianotti herausgeschnitten. Man sieht hier sehr schön, was zu erwarten ist. Ein kleiner Hügel an der Higgs-Boson-Energie wölbt sich aus einer stetig abnehmenden, relativ glatten Kurve. […] Die Höhe [des Hügels an sich] gibt die Entstehungsrate von Higgs-Bosonen an, multipliziert mit der Wahrscheinlichkeit sie durch zwei Gamma-Quanten zu entdecken.

    So weit, so richtig.

    > Die Breite des Hügels gibt an, wie schnell das Higgs-Boson insgesamt zerfällt.

    Nein: Im relevanten Massebereich (kleiner als etwa 150 GeV) ist die Breite des Hügels wesentlich durch die Genauigkeit (“Auflösungsvermögen”, “mass resolution”) bestimmt, mit der sich die Gesamtenergie eines ausgewählten Gamma-Gamma-Paares mit dem Detektor feststellen lässt. (Entsprechende Werte “sigma”, in der Größenordnung um 2 GeV, finden sich z.B. auf Folie 16 von F. Gianotti.)

    Nur gering bis vernachlässigbar ist in diesem Fall dagegen der Einfluss auf die Hügelbreite wegen der (gemäß Standard-Modell zu erwartenden, recht geringen) mittleren Lebensdauer von Higgs-Bosonen und der damit zusammenhängenden Unbestimmtheit der Higgs-Masse (“intrinsic width”; laut http://www-library.desy.de/…s/pl.1a/haber_pr.pdf
    Fig. 3 (b) kleiner als 10 MeV).
    D.h. sofern diese überhaupt entsprechend in die Monte-Carlo-Simulation einging, die der gezeigten Grafik zugrunde lag.

    > Aufgrund der Energie-Lebensdauer-Unschärfe wird solch ein Hügel um so Breiter, je kurzlebiger das Teilchen ist. Die Form könnte Aufschluss über Besonderheiten des Higgs-Bosons geben. Zum Beispiel ob es mehrere Komponenten mit unterschiedlichen Lebensdauern gibt.

    Im Prinzip zwar schon, aber stets überlagert (wenn nicht sogar dominiert) von der Verbreiterung wegen begrenzter Auflösung.

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