Standort: science.ORF.at / Meldung: "Die Jagd nach dem Higgs-Boson läuft"

Mathematische Formeln auf stufenförmigen Tafeln

Die Jagd nach dem Higgs-Boson läuft

Mit "extrem viel Glück" werde bis Jahresende eine neue Physik entdeckt. Das sagte Martin Aleksa, Forscher am Genfer Kernforschungszentrum (CERN). Der Österreicher sprach im ORF.at-Interview über die ersten Erfolge mit dem Large Hadron Collider (LHC) und darüber, dass bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen der US-Beschleuniger Tevatron dem LHC die Show stehlen könnte.

CERN 01.11.2010

Die CERN-Wissenschaftler hatten kürzlich Grund zum Feiern: Enorme Fortschritte am Teilchenbeschleuniger LHC sorgten dafür, dass die für 2010 geplante Luminosität - also die Anzahl der Kollisionen - bereits Mitte Oktober erreicht wurde. Damit wächst auch die Hoffnung, schneller an neue Erkenntnisse zu gelangen. Denn in den USA ist der Beschleuniger Tevatron bereits seit zwanzig Jahren in Betrieb, und auch sein nächstes Ziel ist, das Higgs-Boson zu finden.

Marin Aleksa, wissenschaftlicher Mitarbeiter beim ATLAS-Experiment am CERN

ORF.at/Claudia Glechner

Aleksa ist seit vierzehn Jahren als Wissenschaftler am CERN tätig. Bei ATLAS, einem der vier großen Experimente mit dem LHC-Teilchenbeschleuniger, ist er für die Datenerfassung zuständig.

Links:

Was bringt den österreichischen Bürgern die Beteiligung am CERN?

Martin Aleksa: Grundlagenforschung ist Teil unserer Kultur. Wir haben uns immer Fragen gestellt, woher kommen wir, wohin gehen wir, wie entsteht unser ganzes Universum. Das zeichnet unsere abendländische Zivilisation aus. Die Grundlagenforschung hat dadurch an sich schon eine Daseinsberechtigung. Allein wenn es nur Wissen ist über unsere Welt, über unser Universum und wie es funktioniert, hat das schon Wert.

Dadurch, dass wir die Grenzen der Wissenschaft erweitern wollen, brauchen wir auch Maschinen und Detektoren, die an die Grenzen des technisch Machbaren gehen, diese Grenzen werden durch solche wissenschaftlichen Großprojekte ausgeweitet.

Das beste Beispiel ist das Silicon Valley. Es entstand nach der Apollo 11, also nach der Mondlandung. Viele Leute haben versucht, mir zu erklären, warum es wissenschaftlich wichtig ist, auf den Mond zu fliegen. Ich habe es noch nie verstanden, und ich glaube, die meisten Wissenschaftler teilen meine Meinung. Aber die USA haben damals viel Geld reingesteckt, damit sie alle ihre Schaltkreise minimieren. Sie haben damit sozusagen die ersten Chips entwickelt. Dieser Vorsprung an Technologie hatte und hat sehr großen Nutzen für die USA. Solche Spin-offs gibt es auch beim LHC, den LHC-Experimenten und bei allen wissenschaftlichen Großprojekten.

Was ist das Higgs-Teilchen?

Das Higgs-Teilchen wurde in den 70er Jahren vom schottischen Wissenschaftler Peter Higgs postuliert. Die Physik kennt viele Teilchen, auch jene, die für Wechselwirkungen zwischen anderen Teilchen verantwortlich sind. Was man jedoch nicht weiß, ist, warum sie Masse haben und warum sie unterschiedliche Massen haben. Eine Möglichkeit, um das zu erklären, wäre, ein neues Teilchen zu postulieren. Durch die Wechselwirkung mit diesem Teilchen, dem Higgs-Boson eben, würden die anderen Teilchen zu Masse kommen.

Was zeichnet den LHC gegenüber dem US-Projekt Tevatron am Fermilab aus?

Aleksa: Wir können zu höheren Energien und höheren Teilchenraten kommen. Was wir im nominellen Betrieb in einem Monat aufnehmen werden, ist in etwa das, was Tevatron in den vergangenen zwanzig Jahren aufgenommen hat - und wir können viel weiter gehen. Bei Tevatron gibt es jetzt natürlich einen gewissen Druck, noch etwas zu finden. Die Entdeckung des Top-Quarks 1995 war ein toller Erfolg, aber sie haben nicht viele Chancen, das Higgs-Teilchen zu finden.

In der Teilchenphysik gilt eine Entdeckung nur als solche, wenn das Signal eine sehr hohe Signifikanz über dem Untergrundsignal hat. Wir sind diesbezüglich sehr konservativ. Tevatron kann mit der ihnen zur Verfügung stehenden Anzahl an Kollisionen diese sehr hohe Signifikanz, die für eine Entdeckung des Higgs-Teilchens notwendig wäre, nicht erreichen. Wenn allerdings die Medien schreiben, Tevatron hat "strong hints", also Anzeichen mit geringerer Signifikanz für ein Higgs-Teilchen, dann würde uns das schon ziemlich die Show stehlen. Und wenn alles gut geht, wenn sie noch ein Jahr laufen, könnten sie solche Anzeichen sehen.

Sind die USA als Konkurrenz anzusehen, weil somit quasi die Jagd auf das Higgs-Boson läuft?

Ö1-Sendungshinweis

Physikalische Soiree, Jeden ersten Montag im Monat, 20:30 Uhr

Die Ö1-Kinderuni, Sonntag, 07. November 2010, 17:10 Uhr
Wann beamen wir uns hoch? Über Star Trek, den Weltraum und die Physik.

Aleksa: Ich wäre sehr erfreut, wenn etwas Spannendes an einem anderen Beschleuniger gefunden würde, weil das einfach interessant ist. Ich glaube, so denken alle Physiker. Wir sind wohl Mitbewerber, aber keine wirklichen Konkurrenten. Aber die Gründe, warum wir den LHC-Beschleuniger brauchen, sind vielschichtig. Es gibt in der Physik viele offene Fragen und der LHC kann uns hoffentlich einige Schritte weiterbringen, aber vielleicht auch endgültige Antworten finden.

Es ist aber schwierig zu erklären, wenn man für 20 verschiedene Forschungsstudien Geld haben will. Deshalb hat man damals, als man den LHC bauen wollte, die am wichtigsten erscheinende Studie - das war das Higgs-Teilchen - herausgepickt und gesagt, wir brauchen den Beschleuniger, um endgültig zu entscheiden, ob es das Teilchen gibt oder nicht - auch, um das momentane Standardmodell der Teilchenphysik zur Gänze zu erklären. Tevatron kann vielleicht Anzeichen dafür finden, nur die einzige Maschine, die das Higgs-Teilchen findet oder mit Sicherheit ausschließen kann, ist der LHC.

Darüber sind sich alle einig?

Aleksa: Ja. Wenn es am LHC nicht gefunden wird, dann gibt es das Higgs-Teilchen in dieser Form nicht. Diese starke Konzentration auf das Higgs-Teilchen birgt natürlich die Gefahr eines Rechtfertigungsproblems, wenn Tevatron Anzeichen für dieses Teilchen findet, weil sich die Frage stellt, was machen wir jetzt? Das ist natürlich nur in erster Näherung so, weil in zweiter Näherung gibt es viele weitere offene Fragen wie die String-Theorie, die Supersymmetrie voraussetzt, oder die Suche nach der dunklen Materie.

Gibt es Modelle, welche Anwendungen mit dem Higgs-Teilchen vorstellbar wären?

Aleksa: Eine unmittelbar Anwendung fällt mir nicht ein, doch das hat man am Beginn der Erforschung der Elektrizität im 19. Jahrhundert auch gesagt. Aber die Detektoren, die wir jetzt bauen, die Beschleuniger, auch das Computing, wie das WWW, wurden für solche Hochenergiephysikexperimente erfunden. Sachen, die für die Grundlagenforschung entwickelt werden, werden schnell woanders implementiert.

Die Technologie des Detektors wird bereits anderwärtig eingesetzt?

Aleksa: Die Beschleunigungsprinzipien, wie man Teilchenstrahlen beschleunigt, wurden damals am CERN erforscht und werden jetzt für die Krebstherapie verwendet. In Österreich wird gerade "MedAustron" gebaut, ein Beschleuniger, der Protonen- und Ionenstrahlen erzeugt, um Krebspatienten zu behandeln. Das ist die neueste Anwendung, die mir einfällt.

ATLAS-Experiment am LHC

ATLAS ist neben CMS einer der beiden großen Teilchendetektoren am LHC. Unter anderem soll damit erstmals das Higgs-Boson nachgewiesen werden. Gemeinsam mit mehreren europäischen Universitäten arbeitet das österreichische Bundesministerium für Unterricht, Kunst und Kultur (BMUKK) an dem EU-Projekt AL@CERN. Die Abkürzung steht für Learning with ATLAS@CERN. Ziel ist die Errichtung eines Internetportals mit pädagogischen Lernmaterialien für Schulen und Universitäten im Bereich Physik und Teilchenphysik.

Eine andere Entwicklung sind unsere Detektoren - genau die, die wir hier unten in ATLAS haben. Die können verwendet werden, um einzelne Photonen zu messen. Bei herkömmlichen Röntgenbildern braucht man sehr viele Strahlen, um einen Film zu belichten. Es gibt aber bereits Röntgenapparate, sehr ähnlich den von uns entwickelten Detektoren, die mit einzelnen Photonen funktionieren, sprich mit einem Hundertstel der Dosis. Damit werden Röntgenaufnahmen für den menschlichen Körper viel weniger belastend.

Was waren die bisherigen Erkenntnisse?

Aleksa: Es gab in den ersten Wochen schon die ersten Teilchen, die man wieder entdeckt hat, die man schon seit dem frühen 20. Jahrhundert kennt, wie etwa die Pionen. Die kennt man seit Jahrzehnten, aber wir haben sie wieder gefunden. Dann geht es weiter zur Physik der 80er und 90er Jahre, wie die W-Bosonen und die Top-Quarks. Wir gehen hier natürlich sehr rasch durch. Binnen weniger Monate sind wir beim Jahr 2000.

In den letzten Wochen war der Fortschritt so enorm, dass wir vor einer Woche das Ziel an Luminosität für 2010 schon erreicht haben. Wir haben das mit einer Flasche Champagner gefeiert. Wenn wir extrem viel Glück haben, dann könnten wir schon Ende dieses Jahres neue Physik finden. Momentan sieht es so aus, als würde der Beschleuniger nächstes Jahr alle bisherigen Erwartungen übertreffen.

Wurde bereits auch etwas "Neues" gefunden?

Aleksa: Vor einer Woche gab es eine Publikation von CMS. In der Datenanalyse wurde eine Korrelation zwischen den Spuren verschiedener Teilchen gefunden, wenn bei Zusammenstößen besonders viele Teilchen produziert werden. Das ist jedoch nicht eine Entdeckung eines neuen Teilchens, sondern eine unerklärte Verteilung von Teilchenspuren. Das ist ein erstes Ergebnis, wo jeder sagt, eigenartig, das hätte man überhaupt nicht erwartet. Was da rauskommt, ob das jetzt eine wichtige Entdeckung ist oder ob man das bald wieder vergisst, das kann kein Mensch sagen.

Der LHC hat seine Höchstleistung noch nicht erreicht, wie geht es weiter?

Aleksa: Nach dem Unfall vor zwei Jahren laufen wir dieses Jahr nur auf halber Energie. Momentan haben wir das Ziel von 30 Millionen Kollisionen pro Sekunde noch nicht erreicht, derzeit sind es etwa drei Millionen. Aber täglich werden mehr Pakete in den Beschleuniger gegeben. Wir gehen in langsamen Schritten hinauf, aber wir haben jetzt schon fünfmal so viele Teilchen im Beschleuniger wie etwa Tevatron.

2012 gibt es einen Shutdown, eine einjährige Konsolidierungsphase, und 2013 geht es mit höherer Energie weiter. Das vorläufige Maximum wird, wenn die Konsolidierung 2012 erfolgreich ist, 2013 erreicht sein. Dann werden drei Jahre lang mit hoher Intensität, in etwa um den Faktor 100 mehr als jetzt, und bei doppelter Energie Daten genommen. Dann gibt es ein erstes Upgrade, also eine Verbesserung der Maschine und der Detektoren und damit eine weitere Erhöhung in der Luminosität, der Anzahl der Kollisionen, um einen Faktor zwei bis vier. Dann läuft es wieder ein paar Jahre. Danach gibt es Ideen, um zu höheren Energien oder wieder zu höherer Intensität zu gehen.

Claudia Glechner, ORF.at

Mehr zum Thema: