Higgs-Boson: Teilchenphysikern gelingt Entdeckung des Jahres

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So viel Aufregung um ein Partikel war selten: In diesem Jahr haben Forscher endlich das lange gesuchte Higgs-Boson aufgespürt. Die Entdeckung war mühsam und teuer - aber sie hat die Teilchenphysik ein großes Stück vorangebracht. Die Forscher planen bereits das nächste Milliardenexperiment.

Cern: Higgs-Boson dingfest gemacht Fotos
AP

Berlin - Die Protonen machen Winterpause am Kernforschungszentrum in Genf. Ende Dezember steht der weltgrößte Teilchenbeschleuniger LHC still. Wo in den vergangenen Jahren fast ununterbrochen Milliarden Protonen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallten, legen nun Mechaniker Hand an. Die größte Experimentiermaschine der Welt wird gewartet.

2012 war ohne Zweifel das erfolgreichste Jahr für die Teilchenphysiker am Cern. Sie haben gefunden, wonach sie schon lange suchen: das ominöse Teilchen, das sie Higgs-Boson nennen. Es gilt als Beweis für die Existenz des sogenannten Higgs-Felds, das Materie Masse verleiht. Das Wissenschaftsmagazin "Science" hat den Fund des neuen Partikels zum wissenschaftlichen Durchbruch des Jahres gekürt.

Quasi als Nebenprodukt der Higgs-Jagd wissen Physiker nun auch, dass es nicht mehr als jene zwölf bereits bekannten Materieteilchen geben kann, aus denen alle Materie im Universum zusammengesetzt ist. Bis dahin hielten Forscher auch eine weitere Teilchengeneration prinzipiell für möglich. Statistische Analysen LHC-Daten schließen diese Generation nun aber mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit aus.

Mit der spektakulären Entdeckung des Higgs-Bosons haben die Teilchenphysiker die hohen Erwartungen an das teure Experiment erfüllt. Drei Milliarden Euro hat allein der Bau des 27 Kilometer langen Beschleunigerrings gekostet - hinzu kommen die laufenden Kosten. Der Druck war immens - und die Forscher hatten die Technik anfangs auch kaum im Griff. Am 10. September 2008 hatten sie den Beschleuniger noch mit großem Tamtam in Betrieb genommen. Doch schon wenige Tage später musste er wieder abgeschaltet werden, weil es erst Probleme mit der Stromversorgung und dann mit der Kühlung gab. Ein Magnet überhitzte sich, eine Tonne Helium trat aus.

Blogger verraten Ergebnisse vorab

Die Technik ist einzigartig und komplex: Mehr als tausend gleichmäßig im Ring angeordnete Dipol-Magnete halten die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit rasenden Protonen auf der Kreisbahn. Dazu müssen sie in einen supraleitenden Zustand gebracht werden. Dies übernimmt flüssiges Helium mit einer Temperatur von 1,9 Kelvin, was minus 271 Grad Celsius entspricht. Wenn die Kühlung nicht reibungslos arbeitet, sind keine Kollisionsexperimente im LHC-Ring möglich.

Und auch als endlich die ersten Ergebnisse der Kollisionen vorlagen, lief nicht alles wie geplant. Eigentlich verkünden Teilchenphysiker eine Entdeckung erst, wenn sie eine hohe statistische Sicherheit haben, dass ihre Beobachtungen nicht auch durch zufällige Ereignisse zu erklären sind.

Im Internetzeitalter lassen sich vielversprechende Zwischenergebnisse jedoch kaum über mehrere Wochen geheim halten. Noch dazu, wenn Tausende Wissenschaftler aus der ganzen Welt an den Experimenten beteiligt sind wie am Beschleuniger LHC. Ein Schweigegelübde, dem sich die involvierten Forscher unterworfen haben, funktioniert dann nur bedingt. So konnte man schon vor der eigentlichen Pressekonferenz am 4. Juli in diversen Blogs Details zum neu entdeckten Teilchen nachlesen, etwa dass es eine Masse von 125 Gigaelektronenvolt hat.

Sogar die Verkündung der Entdeckung selbst war zum damaligen Zeitpunkt unter den beteiligten Physikern umstritten. Mancher hätte lieber noch ein paar Wochen gewartet, um noch mehr Daten und damit eine bessere Statistik zu haben. In der Teilchenphysik spricht man erst dann offiziell von einer Entdeckung, wenn das statistische Kriterium fünf Sigma erreicht ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass die beobachteten Signale Zufall sind, darf dann nur etwa eins zu zwei Millionen betragen. Dieser Wert war am 4. Juli dieses Jahres aber noch nicht erreicht.

Ist es überhaupt das Higgs-Boson?

Trotzdem beschlossen die leitenden Wissenschaftler vom Cern und der beiden Experimente CMS und Atlas, die Entdeckung zu verkünden - wohl auch wegen des immer größeren öffentlichen Drucks. "Es ist ein vorläufiges, aber ein sehr überzeugendes Ergebnis", sagte Joe Incandela. "Als Laie würde ich sagen, wir haben das Higgs, als Wissenschaftler brauche ich den letzten Beweis", ergänzte ein Kollege.

Immerhin: Ein paar Wochen später, Ende Juli 2012, lagen dann genügend Daten vor und die Marke von 5,9 Sigma war erreicht, mehr als die nötigen 5,0. Letzte Zweifel an der Existenz des neuen Teilchens waren damit ausgeräumt. Aber handelt es sich bei dem seltenen Partikel tatsächlich um das lange gesuchte Higgs-Boson?

Die Wahrscheinlichkeit dafür ist sehr hoch, die Daten passen sehr gut zu den Vorhersagen. Es ist aber theoretisch auch möglich, dass man am Cern ein bislang unbekanntes Teilchen entdeckt hat, das dem hypothetischen Higgs-Boson ähnelt. Bei weiteren Messungen wollen die Forscher daher in den kommenden Monaten und Jahren sämtliche Zerfallsprodukte nachweisen, die laut Theorie aus einem Higgs-Boson entstehen können. Dazu benötigen sie noch deutlich mehr Messdaten. Die Suche nach dem Higgs-Boson ist also noch lange nicht beendet.

Anfang 2013 sollen am LHC dann nicht mehr Protonen mit Protonen kollidieren, sondern Bleikerne mit Protonen. So wollen die Wissenschaftler Bedingungen simulieren, die kurz nach dem Urknall herrschten. Und der Beschleuniger soll in einer langen Umbauphase technisch so weit aufgerüstet werden, dass 2015 dann Kollisionen mit einer Energie von 13 Teraelektronenvolt (TeV) möglich sind. Der höchste bislang erreichte Wert liegt bei 8 TeV.

In Gedanken ist mancher Teilchenphysiker aber bereits beim nächsten Mammutprojekt - einem Linearbeschleuniger. Damit sind wesentlich präzisere Messungen möglich, denn es werden darin punktförmige Elektronen auf Positronen geschossen. Die Vielzahl von Nebenprodukten bei Protonen-Protonen-Crashs im LHC entfällt, das Bild ist damit quasi schärfer.

Die Planungen für den International Linear Collider (ILC) laufen bereits. Als Kandidat für den Bau der 31 Kilometer langen Anlage hat sich Japan ins Spiel gebracht. Größtes Hindernis sind die extrem hohen Baukosten von fünf bis zehn Milliarden Euro. Übertroffen wird der ILC allerdings von einem anderem Megaprojekt - dem Fusionsreaktor Iter, der geschätzt 16 Milliarden Euro kosten wird.

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1. Higgs-Update!
Layer_8 22.12.2012
Zitat von sysopAFP/ CERNSo viel Aufregung um ein Partikel war selten: In diesem Jahr haben Forscher endlich das lange gesuchte Higgs-Boson aufgespürt. Die Entdeckung war mühsam und teuer - aber sie hat die Teilchenphysik ein großes Stück vorangebracht. Die Forscher planen bereits das nächste Milliardenexperiment. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/higgs-boson-teilchenphysikern-gelingt-entdeckung-des-jahres-a-873636.html
Have Scientists Found 2 Different Higgs Bosons? | Observations, Scientific American Blog Network (http://blogs.scientificamerican.com/observations/2012/12/14/have-scientists-found-two-different-higgs-bosons/) Dieses Higgs-Dublett könnte dann vielleicht auch fundamental Neues zur elektroschwachen WW beitragen. Z-Bosonen und Photonen sind anscheinend doch nicht so ganz symmetrisch manifestiert, lol. Aber immernoch eine Überlappung bei 95% CL, abwarten also bis die Statistik das ändert.
2. Higgs Hype
Discordius 22.12.2012
Ähnlich wie bei Barack Obama, dem voreilig nobelpreisgekrönten Präsidenten, der die Erwartungen nicht erfüllen konnte, sieht es wohl mit dem "Gottesteilchen" aus. Es ist ganz klar, dass da etwas gefunden wurde, aber ob es wirklich das Higgsteilchen ist, kann kein Physiker sagen. Alles ist nur ein Riesenhype, Wunschdenken und Medieninszenierung. Man sehnt sich geradezu nach dem extrem kritischen Journalismus des SPIEGELS in den 80ern, der hier sicher nicht in diese läppischen Lobeshymnen auf jede wissenschaftliche "Sensation" eingestimmt hätte.
3. Das nächste Milliardenexperiment wird geplant!
maliperica 22.12.2012
Zitat von sysopAFP/ CERNSo viel Aufregung um ein Partikel war selten: In diesem Jahr haben Forscher endlich das lange gesuchte Higgs-Boson aufgespürt. Die Entdeckung war mühsam und teuer - aber sie hat die Teilchenphysik ein großes Stück vorangebracht. Die Forscher planen bereits das nächste Milliardenexperiment. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/higgs-boson-teilchenphysikern-gelingt-entdeckung-des-jahres-a-873636.html
Das ist gar nix, unser FM. plant schon einen Aberbillionen-Rettungexperiment!
4. |||||
sample-d 22.12.2012
Zitat von DiscordiusÄhnlich wie bei Barack Obama, dem voreilig nobelpreisgekrönten Präsidenten, der die Erwartungen nicht erfüllen konnte, sieht es wohl mit dem "Gottesteilchen" aus. Es ist ganz klar, dass da etwas gefunden wurde, aber ob es wirklich das Higgsteilchen ist, kann kein Physiker sagen. Alles ist nur ein Riesenhype, Wunschdenken und Medieninszenierung. Man sehnt sich geradezu nach dem extrem kritischen Journalismus des SPIEGELS in den 80ern, der hier sicher nicht in diese läppischen Lobeshymnen auf jede wissenschaftliche "Sensation" eingestimmt hätte.
Ich verstehe nicht was Sie kritisieren - Sie räumen ein, dass ein neues Teilchen entdeckt wurde - was an sich schon ein wissenschaftliches Ereignis ist. Ob es jetzt das postulierte Higgs oder etwas anderes ist tut doch der Entdeckung keinen Abbruch...
5. Higgs weiter fraglich
bvdlinde 24.12.2012
...lso das Higgs Boson wurde nicht gefunden. Zunaechst ist sogar fraglich, ob ueberhaupt ein neues teilchen gefunden wurde. Ein kritischerer Journalismus waere sicher angebracht.
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DER SPIEGEL

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Die Grundkräfte der Natur
Fundamentale Wechselwirkungen
Sie sind buchstäblich das, was die Welt im Innersten zusammenhält: die Grundkräfte der Natur. Sie sind die Basis aller physikalischen Vorgänge, ohne sie wäre unser Universum nicht denkbar. Die Wissenschaft kennt vier dieser Kräfte, die auch fundamentale Wechselwirkungen genannt werden. Seit Jahrzehnten fahnden Wissenschaftler auch nach einer fünften - bisher allerdings ergebnislos.
Die Gravitation
Isaac Newton hat im 17. Jahrhundert die Schwerkraft erstmals mathematisch beschrieben. Sie besitzt eine unendliche Reichweite, lässt sich - anders als andere Grundkräfte - nicht abschirmen und wirkt vor allem auf große Distanzen. Planeten, Sterne und ganze Galaxien werden maßgeblich von ihr gesteuert. Dennoch ist sie die schwächste aller Fundamentalkräfte. Ein Mensch etwa - obwohl im Vergleich zur Erde winzig klein - kann die Schwerkraft zumindest kurzzeitig spielend mit seiner Körperkraft überwinden.
Die elektromagnetische Kraft
Sie ist neben der Gravitation die zweite Kraft, der schon früh der Rang eines allgemeinen Naturgesetzes gegeben wurde. Auf ihr basieren die meisten Alltagsphänomene: Wenn eine Glühbirne dank Strom Licht erzeugt, wenn Magneten sich anziehen, wenn Substanzen chemisch miteinander reagieren ist die elektromagnetische Wechselwirkung die Basis des Geschehens. Die Teilchen, durch die sie vermittelt wird, sind die Photonen.
Die starke Kernkraft
Die Kernkräfte wurden erst im 20. Jahrhundert mit der Entdeckung von Atomkernen und Radioaktivität beschrieben. Nach dem Standardmodell der Elementarphysik besteht ein Atomkern aus Neutronen und Protonen, die sich wiederum aus Quarks zusammensetzen. Die starke Kernkraft, auch starke Wechselwirkung genannt, hält diese Quarks zusammen - und damit auch die Atomkerne. Sie wird durch Gluonen vermittelt.
Die schwache Kernkraft
Die schwache Wechselwirkung ist die Grundlage einiger radioaktiver Zerfallsprozesse und spielt auch eine Rolle bei der Kernfusion, die etwa im Innern von Sternen abläuft. Sie besitzt wie auch die starke Kernkraft nur eine kurze Reichweite.

Die schwache Kernkraft sagt auch die Existenz des sogenannten Higgs-Bosons voraus, das der Theorie zufolge allen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Der Partikel, auch "Gottesteilchen" genannt, wurde bisher aber noch nicht direkt beobachtet. Weltweit fahnden Forscher intensiv nach dem Teilchen. Mit Hilfe großer Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) in Genf könnte es schon bald nachgewiesen werden.
Die fünfte Kraft
Seit Jahrzehnten fahnden Wissenschaftler nach einer fünften Kraft. Sie soll ähnlich schwach sein wie die Gravitation und auf Objekte aller Art wirken. Doch experimentell ließ sich die fünfte Fundamentalkraft - trotz einiger Versuche insbesondere in den späten achtziger Jahren - nicht schlüssig belegen.
Twitter-Humor zum Higgs-Boson

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Cern: Jagd nach dem Higgs-Teilchen