Higgs-Boson: Teilchenphysikern gelingt Entdeckung des Jahres

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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