Die lang ersehnte Entzweiung
Freiburg, 29.08.2018
Foto: CERN
Ein großer Erfolg für die Wissenschaft: Forscherinnen und Forschern der Experimente ATLAS und CMS am weltgrößten Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf/Schweiz ist ein Nachweis gelungen, dem sie sechs Jahre lang auf der Spur waren. Sie haben belegt, dass das Higgs-Teilchen in zwei Bottom-Quarks zerfällt. Prof. Dr. Karl Jakobs, experimenteller Teilchenphysiker von der Universität Freiburg, ist Wissenschaftlicher Leiter des ATLAS-Experiments. Rimma Gerenstein hat den Experten gefragt, was die Entdeckung für die bisherigen Annahmen der Physik bedeutet.
Das Higgs-Teilchen zerfällt in zwei Bottom-Quarks (blau, kegelförmig).
Foto: CERN
Herr Jakobs, sie konnten erstmals beobachten, wie ein Higgs-Boson in zwei Bottom-Quarks zerfallen ist. Was bedeutet das genau?
Karl Jakobs: Bei der Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahre 2012 wurden ausschließlich Zerfälle des Higgs-Teilchens in schwere, so genannte W-Bosonen, Z-Bosonen und Photonen beobachtet. Dabei handelt es sich um Teilchen, die eine Kraftwirkung vermitteln; sie sind sozusagen die Übermittler der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung. Die Standardtheorie der Teilchenphysik jedoch sagt auch voraus, dass das Higgs-Feld für die Masse der Bausteine der Materie, also für die Masse der Quarks und Leptonen, verantwortlich ist. Dieser Aspekt der Theorie war bislang völlig ungetestet. Durch die jetzt beobachteten Zerfälle in zwei Bottom-Quarks – zusammen mit inzwischen auch beobachteten Wechselwirkungen mit dem Top-Quark und dem Tau-Lepton – ist dieser Schritt gelungen.
Der Nachweis des Higgs-Teilchens vor sechs Jahren war eine Sensation für die Welt der Wissenschaft. Ist die neueste Entdeckung ähnlich zu bewerten?
Natürlich ist die Entdeckung des Teilchens selbst höher einzustufen. Allerdings sind wir durch den Nachweis dieses Zerfalls einen riesigen Schritt in der Vermessung und im Verständnis seiner Eigenschaften weitergekommen. Es ist ein großer Meilenstein! Der Zerfall in zwei Bottom-Quarks ist der häufigste Zerfall des Higgs-Teilchens. Er passiert nach der Theorie mit einer Wahrscheinlichkeit von 58 Prozent. Trotzdem hat es seit der Entdeckung sechs Jahre gedauert, bis wir ihn zweifelsfrei etablieren konnten. Das liegt hauptsächlich daran, dass es auch viele andere Prozesse gibt, in denen Bottom-Quarks erzeugt werden, und zwar mit deutlich höheren Raten. Wir mussten also eine sehr ausgefeilte Analyse entwickeln und viele Kollisionsdaten aufzeichnen, um das Signal zu etablieren. Es ist enorm wichtig, die Vorhersagen der Theorie über die Zerfälle des Higgs-Teilchens präzise zu testen. Mögliche signifikante Abweichungen würden sofort auf neue Physik hinweisen.
„Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens und mit der Beobachtung seines Zerfalls in Bottom-Quarks ist die Teilchenphysik auf keinen Fall abgeschlossen“, sagt Karl Jakobs.
Foto: Jürgen Gocke
Wie haben Sie und Ihre Kolleginnen und Kollegen auf die Entdeckung reagiert?
Wie bereits gesagt: Es ist ein großer Schritt und ein großer Erfolg für die Experimente ATLAS und CMS und für das CERN, den es zu feiern gilt! Ich kann mich noch sehr gut daran erinnern, dass in der Planungsphase des Experiments aufgrund von Simulationsstudien nicht klar war, ob dieser Nachweis tatsächlich klappen würde. Die Tatsache, dass dies jetzt gelungen ist, zeigt einerseits die hohe Leistungsfähigkeit des CERN-Beschleunigers, des LHC, der eine große Datenmenge geliefert hat, ebenso aber auch die hohe Leistungsfähigkeit der Experimente, die die hohe Datenmenge sehr effizient aufgezeichnet haben und die Teilchensignaturen hervorragend vermessen konnten. Darüber hinaus war die Entwicklung neuartiger Analysemethoden wichtig. Wie immer in der Teilchenphysik ist dies eine große Gemeinschaftsleistung.
Wozu werden Sie die neu gewonnen Erkenntnisse nutzen?
Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens und mit der Beobachtung seines Zerfalls in Bottom-Quarks ist die Teilchenphysik auf keinen Fall abgeschlossen. Wir haben weitere wichtige Fragen zu lösen, zu denen zum Beispiel die Frage nach der Natur der Dunklen Materie im Universum gehört – oder allgemeiner: die Frage nach Physik jenseits der heutigen Standardtheorie. Hierzu gibt es zwei Stoßrichtungen, die wir über die kommenden Jahre verfolgen müssen. Neben der direkten Suche nach neuen Teilchen am LHC müssen die Eigenschaften des Higgs-Teilchens mit höherer Präzision vermessen werden. Es ist enorm wichtig, die Vorhersagen der Theorie über seine Zerfälle zu testen und zu überprüfen, ob es davon signifikante Abweichungen gibt. Das könnte nämlich eine Schlüsselrolle bei der Entdeckung neuer Physik spielen.
Karl Jakobs über seine Rolle als Wissenschaftlicher Leiter des ATLAS-Experiments