Elementarteilchen: Forscher finden weiteren Hinweis auf Higgs-Boson

Das 2012 am Teilchenbeschleuniger LHC entdeckte Elementarteilchen zerfällt nicht nur in Bosonen, sondern mutmaßlich auch in Fermionen. Damit verhält sich das neue Teilchen so, wie das Standardmodell es für das Higgs-Boson vorhersagt.

Artikel veröffentlicht am 23. Juni 2014, 11:55 Uhr, Werner Pluta

Higgs-Ereignis am CMS: neue Teilchenkollisionen im Jahr 2015 (Bild: CMS/Cern)

Forscher am europäischen Kernforschungszentrum Cern haben einen weiteren Zerfallsweg des Higgs-Bosons gefunden. Das Elementarteilchen verhält sich damit so, wie es das Standardmodell der Teilchenphysik vorhersagt - ein weiterer Hinweis, dass es sich um das Higgs-Boson handelt.

Die Wissenschaftler des Experiments Compact Muon Solenoid (CMS) am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) analysierten die Daten der Zerfälle aus den Jahren 2011 und 2012. Dabei fanden sie im Bereich von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) eine Häufung von Zerfällen in Bottom-Quarks und Tau-Leptonen oder Tauons. 125 GeV ist der Masse-Bereich des Higgs-Bosons.

Bosonen und Fermionen

Fermionen sind die Elementarteilchen, die die Materie bilden. Dazu gehören beispielsweise Quarks und Elektronen. Die Bosonen hingegen vermitteln die Kräfte zwischen den Fermionen. Bislang hatten die Forscher das mutmaßliche Higgs-Teilchen anhand von Zerfällen in bestimmte Bosonenpaare nachweisen können.

Laut dem Standardmodell muss das Higgs-Boson aber auch in Fermionen zerfallen. Dadurch müsste sich ein Überschuss an Bottom-Quarks und Tau-Leptonen ergeben. Diesen fanden die CMS-Forscher. Das Higgs-Teilchen selbst ist nicht direkt nachweisbar, da es zu schnell zerfällt. Es kann nur über seine Zerfallsprodukte nachgewiesen werden.

Wichtiger Schritt

"Wir sind damit einen wichtigen Schritt weitergekommen", sagt Vincenzo Chiochia von der Universität Zürich, dessen Gruppe an der Auswertung der Daten beteiligt war. "Wir wissen nun, dass das Higgs-Teilchen sowohl in Bosonen, wie auch in Fermionen zerfallen kann. Damit können wir gewisse Theorien ausschließen, die davon ausgingen, dass das Higgs-Teilchen nur in bestimmte Arten von Teilchen zerfällt." Das 2012 entdeckte Teilchen verhalte sich damit, wie es die Theorie postuliere.

Noch ist das Ergebnis, das die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Physics beschreiben, aber keine bestätigte Entdeckung. Die statistische Signifikanz der Resultate liegt bei 3,8 Sigma. Das ist ein starker Hinweis - die Wahrscheinlichkeit, dass die Häufung durch zufällige Hintergrundprozesse zustande kommt, liegt nach Angaben der Forscher bei etwa 1:14.000. Eine bestätigte Entdeckung gilt aber erst ab einem Ergebnis von 5 Sigma.

Mutmaßlich Higgs

Im Sommer 2012 hatten Vertreter der Experimente A Toroidal LHC Apparatus (Atlas) und CMS bekanntgegeben, dass sie ein neues Elementarteilchen entdeckt hätten. Bestand anfangs noch Unsicherheit, ob es sich nicht vielleicht um ein anderes Teilchen handelte, fanden Forscher mit der Zeit weitere Hinweise darauf, dass es sich um das vorhergesagte Higgs-Boson handelt.

Das Higgs-Boson gilt als das fehlende Teilchen im gegenwärtigen Standardmodell und soll erklären, woher die Elementarteilchen ihre Masse bekommen. Seine Existenz wurde in den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts unter anderem vom schottischen Physiker Peter Higgs vorhergesagt. Das Teilchen experimentell nachzuweisen, war einer der Gründe für den Bau des LHC.

Nobelpreis für Higgs und Englert

Für die Entdeckung des Teilchens erhielt Higgs zusammen mit seinem belgischen Kollegen François Englert 2013 den Nobelpreis für Physik. Beide Wissenschaftler hatten in den 1960er Jahren unabhängig voneinander neue Überlegungen über die Struktur von Materie angestellt.

Der LHC ist derzeit der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt. Momentan steht die 2008 eröffnete Anlage unter dem schweizerisch-französischen Grenzgebiet nahe Genf still. Sie wird gewartet und aufgerüstet, um Teilchen mit der vollen Energie kollidieren zu lassen. Der LHC ist ausgelegt für Kollisionen mit einer Energie von 14 TeV. Wegen eines Defekts kurz nach der Inbetriebnahme wurde der LHC bisher aber nur mit verminderter Energie betrieben. Ab Früjahr 2015 sollen wieder Teilchenkollisionen am LHC durchgeführt werden, hat das Cern mitgeteilt.