Jagd nach dem Higgs-Boson: Das Gottesteilchen zeigt erste Konturen

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Das ominöse Higgs-Boson soll Materie Masse verleihen - entdeckt hat es bisher jedoch keiner. Teilchenphysiker des US-Forschungszentrums Fermilab haben jetzt immerhin dessen eigene Masse weiter eingegrenzt: Die Daten legen sogar nahe, dass es leichter sein könnte, als Wissenschaftler bisher dachten.

Gottesteilchen: Überraschend leicht Fotos
Fermilab

1964 reichte der schottische Physiker Peter Higgs einen Fachartikel beim Fachblatt "Physical Review Letters" ein. Er war ganze anderthalb Seiten lang. Mit einem mathematischen Kniff wollte der bis dahin unbekannte Forscher ein Problem aus der Theoretischen Physik lösen: Was verleiht Materie eigentlich Masse?

Ein halbes Jahrhundert später werten Teilchenphysiker auf der ganzen Welt Milliarden von Kollisionen aus, die sie in gigantischen Beschleunigern erzeugt haben. Der LHC am Kernforschungszentrum Cern in Genf wurde nicht zuletzt deshalb gebaut, um das ominöse Higgs-Boson nachzuweisen. Nach großen Startschwierigkeiten läuft der Beschleuniger inzwischen zwar. Allerdings muss er 2012 noch einmal abgeschaltet und technisch verbessert werden, um die geplante Energie von 7 TeV (Teraelektronenvolt) zu erreichen.

Womöglich stiehlt jedoch ein älterer Beschleuniger aus den USA dem LHC bald die Show: Physiker haben nämlich nun Daten von zwei Experimenten am Tevatron-Beschleuniger des Fermilab in der Nähe von Chicago ausgewertet. Dadurch konnten sie mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit ausschließen, dass die Masse des Higgs-Bosons im Bereich zwischen 158 und 175 GeV/c2 liegt. Wegen der bekannten Beziehung E=m*c2 kann Masse statt in Kilogramm auch in Energie dividiert durch Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat angegeben werden.

Aus früheren Experimenten war bereits bekannt, dass die Masse des Gottesteilchens größer als 114 und kleiner als 185 GeV/c2 sein muss. 100 GeV/c2 entsprechen etwa der 107-fachen Masse eines Protons.

Der Theorie zufolge verleiht das Higgs-Boson den fundamentalen, nicht weiter teilbaren Teilchen wie Elektronen, Quarks und Z-Bosonen Masse. Protonen bestehen aus Quarks und Gluonen, ihre Masse, und damit auch die praktisch aller uns umgebenden Materie, besteht aus der Bindungsenergie der Gluonen.

Dank der neuen Fermilab-Daten können die Forscher nun etwa ein Viertel des bisherigen Higgs-Masse-Intervalls mit 95-prozentiger Zuverlässigkeit ausschließen. Vorgestellt wurden die neuen Ergebnisse zur Higgs-Bosonen-Masse auf der International Conference on High Energy Physics in Paris.

Mega-Experiment mit 1000 Forschern

"Wir produzieren aufregende Ergebnisse und machen große Fortschritte bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen", sagte Dennis Kovar, Direktor des Office for High Energy Physics in Washington. Dimitrij Denisov, Sprecher des Tevatron-Experiments DZero erklärte: "Wir sind kurz davor, ein Higgs-Boson mit großer Masse vollständig auszuschließen." Vor drei Jahren habe das niemand für möglich gehalten.

Die Eingrenzung der Masse des Higgs-Teilchens beruht auf Daten von über 500 Milliarden Protonen-Antiprotonen-Kollisionen, die am Tevatron seit 2001 stattgefunden haben. Die Forscher hatten die Aufzeichnungen der beiden Detektoren DZero und CDF zunächst separat ausgewertet - und dann miteinander kombiniert. Über 1000 Wissenschaftler aus 19 Ländern waren an den Messungen und der aufwendigen Analyse beteiligt.

"Unser Ergebnis beruht auf doppelt so vielen Daten als vor anderthalb Jahren", sagte Stefan Söldner-Rembold von der University of Manchester, Sprecher von DZero. Der deutsche Teilchenphysiker glaubt, dass am Tevatron der Nachweis des Gottesteilchens gelingen könnte - auch ohne den deutlich leistungsstärkeren LHC-Beschleuniger. "Wenn wir weiterhin Daten sammeln und auswerten, dann werden wir entweder das Higgs Boson im gesamten Massebereich ausschließen oder aber erste Hinweise auf seine Existenz finden."

Higgs und die Cocktail-Party

Wie das Higgs-Boson Teilchen Masse verleiht, hat der englischer Physiker David Miller in einem Cocktailparty-Gleichnis veranschaulicht:

Die Teilnehmer einer politischen Feier sind gleichmäßig im Raum verteilt. Plötzlich kommt Margaret Thatcher herein. Sie läuft durch die Menge, sofort bildet sich eine Traube um sie. Dadurch erhält sie eine größere Masse. Wenn sie weiterläuft, treten Partyteilnehmer, denen sie sich nähert, auf sie zu. Andere, von denen sie sich entfernt, wenden sich von ihr ab und wieder ihren ursprünglichen Gesprächspartnern zu.

"In drei Dimensionen und mit allen Komplikationen der Relativität ist das der Higgs-Mechanismus", schreibt Miller. Um Teilchen Masse zu verleihen, werde ein Hintergrundfeld erfunden, das lokal verbogen werde, sobald ein Teilchen sich durch das Feld bewege.

Das Higgs-Boson vergleicht der Physiker mit einem Gerücht, das die Runde durch den Partyraum macht: Der Raum selbst ist das Higgs-Feld. Das Gerücht beginnt in einer Ecke, Leute stecken die Köpfe zusammen, um es zu hören. Dann wandert es in Richtung der anderen Ecke - als Zusammenballung von Menschen. Solche das Gerücht weitertragenden Zusammenballungen waren es letztlich auch, die Ex-Premierministerin Thatcher Masse verliehen haben. Thatcher war ein Teilchen, das Masse bekam. Das Gerücht, Symbol des Higgs-Bosons, bildet ebenfalls Cluster und muss demnach eine Masse haben.

Im Wettstreit der Teilchenbeschleuniger Tevatron und LHC konnte der Ring in Genf bisher nicht punkten, obwohl er mit einer deutlich höheren Energie arbeitet als der Ring am Fermilab. Auf der Konferenz in Paris berichteten Wissenschaftler, dass man am LHC bisher nur frühere Ergebnisse anderer Experimente habe reproduzieren können.

"Alles passiert so schnell"

Am Fermilab ist man ohnehin überzeugt, dass die Energie bei seltenen subatomaren Prozessen wie der Entstehung von Higgs-Partikeln mit relativ niedriger Masse ohnehin nicht so entscheidend ist. Wichtiger sei vielmehr eine möglichst große Zahl von Kollisionen.

"In erster Linie zählt die Statistik", sagte Söldner-Rembold im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Im Moment haben wir am Tevatron etwa 100.000-mal mehr Kollisionen aufgezeichnet als am LHC." Wichtig sei zudem, die Detektoren gut zu kennen. "Auch da haben wir einen kleinen Vorteil gegenüber dem LHC", meint der Physiker und verweist auf die jahrelange Laufzeit des Experiments am Fermilab.

Nach bisheriger Planung soll der Tevatron im September 2011 stillgelegt werden, eine Verlängerung des Betriebs bis 2014 wird aber bereits diskutiert. Mehr Laufzeit bedeutet mehr Daten - und dies wiederum könnte die Chancen erhöhen, das Higgs-Boson am Tevatron mit hoher statistischer Sicherheit nachzuweisen, sofern es existiert.

Giovanni Punzi von der Universität Pisa, Sprecher des CDF-Experiments, blickt gespannt auf die nächsten Auswertungen der Tevatron-Daten: "Es wird faszinierend sein zu sehen, was Mutter Natur für uns bereithält. Womöglich werden wir feststellen, dass das Higgs-Boson unerwartete Eigenschaften hat und völlig neue Einblicke in den Ursprung der Materie bekommen."

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