Entdeckung des Higgs-Bosons: Neuer Blick auf unsere Welt

Von Markus Becker

Das Higgs-Boson, das viel beschworene Gottesteilchen, ist gefunden - das steht so gut wie fest. Bestätigt es die bisherige Theorie vom Aufbau unserer Welt? Forscher schüren bereits die Hoffnung auf eine neue Physik, die sogar die rätselhafte Dunkle Materie erklären könnte.

AFP

Hamburg - Ja, auch Partikelphysiker können schwärmen. "Das ist für die Teilchenphysik der größte Tag seit 30 Jahren", sagt der Hamburger Forscher Johannes Haller, nachdem er am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg die Live-Übertragung aus dem Forschungszentrum Cern in Genf gesehen hatte.

In der Schweiz wurde, kaum gebremst von letzten Restzweifeln, die Entdeckung des seit Jahrzehnten gesuchten Higgs-Bosons verkündet. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Messfehler vorliegt und es das Boson am Ende doch nicht gibt, wird mit rund eins zu 1,6 Millionen angegeben.

Zwar liegt das haarscharf unter der Schwelle, ab der Physiker offiziell von einer Entdeckung sprechen. Doch es scheint kaum noch einen Wissenschaftler zu geben, der noch ernsthafte Zweifel an der Entdeckung hegt. "Diese Messungen wurden von zwei Gruppen durchgeführt und bestätigt", sagt einer der Physiker bei der Feier im Desy.

Unsicherer ist dagegen, ob das Boson jenes Higgs-Teilchen ist, das vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wird. Das, so glauben die an den Cern-Experimenten beteiligten Forscher, werde man in den nächsten drei bis vier Monaten herausfinden. Die größte Hoffnung ist nicht etwa, dass die Messungen die Vorhersagen des Standardmodells bestätigen. Im Gegenteil: "Sollte sich das Teilchen anders verhalten, wäre das super", sagt Haller. "Wir hätten dann einen konkreten Hinweis auf eine Physik jenseits des Standardmodells."

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Cern: Jagd nach dem Higgs-Teilchen
Das Standardmodell beschreibt eine Art Baukasten für das Universum. Er enthält zwölf Elementarteilchen, aus denen sämtliche Atome der uns vertrauten Materie bestehen. Jedes der Teilchen besitzt ein sogenanntes Antiteilchen, das die entgegengesetzte elektrische Ladung trägt.

Dieses Modell wurde in zahllosen Experimenten geprüft und hat sich dabei als äußerst zuverlässig erwiesen. Dennoch es ist an einigen Stellen lückenhaft. So spricht es Teilchen beispielsweise keine Masse zu, obwohl ohne Masse alle Partikel schnell wie das Licht wären. Es gäbe keine Zusammenballungen - keine Atome, keine Sterne, Planeten oder Menschen.

Die Realität ist offensichtlich anders. Der britische Physiker Peter Higgs und Kollegen ersannen deshalb einen Mechanismus, der den Teilchen ihre Masse verleiht. Er wird oft verglichen mit einer Party, auf der ein bekannter Politiker erscheint.

Wie ein Gerücht

Die Partygäste bilden dabei das Higgs-Feld. Will der Politiker den Raum durchqueren, scharen sich sofort viele Gäste um ihn und bremsen ihn ab - er gewinnt gewissermaßen an Masse. Das Higgs-Teilchen ist in diesem Bild das Gerücht, ein Prominenter durchquere den Raum: Sofort sammeln sich Gäste an seinem vermeintlichen Aufenthaltsort. Das Gerücht pflanzt sich durch den Raum fort und verursacht so eine wandernde Zusammenballung.

Wollte man die Existenz des Higgs-Feldes beweisen, musste man das Boson finden - und das ist nun offenbar gelungen. Damit aber sind die offenen Fragen noch längst nicht beantwortet. Denn das Standardmodell hat nicht nur bei der Masse der Teilchen Ärger gemacht, sondern frustriert auch auf kosmischer Ebene, indem es beispielsweise keinerlei Erklärung für die Existenz der sogenannten Dunklen Materie bietet.

Die Dunkle Materie macht immerhin geschätzte 20 Prozent des Universums aus. Weitere drei Viertel bestehen aus Dunkler Energie und nur vier bis fünf Prozent aus normaler Materie. Aus Beobachtungen wissen Forscher, dass die Dunkle Materie mit ihrer Anziehungskraft existieren muss. Galaxien etwa drehen sich so schnell, dass sie schlicht auseinanderfliegen müssten, bestünden sie nur aus normaler Materie.

Kandidaten für Dunkle Materie

Doch direkt beobachtet wurden bisher weder die Dunkle Energie noch die Dunkle Materie. "Im Standardmodell gibt es keinen Kandidaten für ein entsprechendes Teilchen", sagt Haller, der jahrelang am Large Hadron Collider (LHC) des Cern tätig war und inzwischen an der Uni Hamburg an der Analyse der LHC-Daten mitarbeitet. "Auch deshalb sind wir sicher, dass es etwas jenseits des Standardmodells geben muss."

Unklar ist, wie genau dieses Etwas aussieht. "Vielleicht werden die Experimente der nächsten Monate weitere Hinweise liefern", sagt Haller. Die Masse des neuen Bosons von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) könnte für die sogenannte Supersymmetrie sprechen, denn dafür müsse sie unterhalb von 135 GeV liegen.

Die Supersymmetrie besagt, dass es alle im Standardmodell enthaltenen Teilchen quasi doppelt gibt. Das würde gleich mehrere Probleme auf elegante Art lösen. So gäbe es viele neue Partikel zu entdecken - "darunter vielleicht eines, das als Bestandteil der Dunklen Materie in Frage kommt", so Haller. Auch tauchten in den Berechnungen zum Standardmodell immer wieder Unendlichkeiten auf. "Sie würden sich aufheben, wenn alle Partikel doppelt vorhanden wären", erklärt Kerstin Borras, Leiterin der Desy-Arbeitsgruppe am CMS-Experiment des LHC.

Mit Erbsen und Tennisbällen

Für die genaue Vermessung des neuen Teilchens sei der LHC allerdings weniger geeignet - obwohl er die komplizierteste Maschine ist, die Menschen je gebaut haben. Am LHC werden Protonen, die aus Quarks und Gluonen bestehen, aufeinander geschossen und zerlegen sich bei den Kollisionen in ihre Bestandteile. "Das ist so, als würde man mit Erbsen gefüllte Tennisbälle aufeinander schießen", sagt Borras. "Nicht nur die Tennisbälle, auch die Erbsen kollidieren miteinander."

Das Ergebnis seien zahlreiche Streuungen und Wechselwirkungen. "Der LHC ist eine Entdeckungsmaschine, keine Präzisionsmaschine", so die Physikerin. Zur genauen Vermessung einzelner Teilchen sei ein sogenannter Linearbeschleuniger geeigneter. "Dort werden nur punktförmige Elektronen auf Positronen aufeinander abgeschossen."

Das Problem: Einen solchen Beschleuniger gibt es derzeit nirgendwo auf der Welt. Damit hätten die Partikelphysiker ihr nächstes Großprojekt. Haller schätzt, dass der Bau eines Linearbeschleunigers etwa fünf bis zehn Milliarden Euro kosten und zehn Jahre dauern würde. Zum Vergleich: Der Bau des LHC hat rund drei Milliarden Euro gekostet.

Die Planungen für die Mega-Maschine laufen bereits. Ein Projekt ist der International Linear Collider. Er soll eine mehr als 30 Kilometer lange, gerade Beschleunigerstrecke besitzen und alle früher existierenden Linearbeschleuniger in Sachen Leistungsfähigkeit weit übertreffen. Ob und wo er gebaut wird, ist allerdings unklar - und auf eine Wahrscheinlichkeitsrechnung lassen sich die Physiker selbst in ihrer momentanen Hochstimmung nicht ein.

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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.

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