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Detailaudnahme des Teilchenbeschleunigers LHC am CERN

Higgs-Teilchen: Physikalisches ABC

Was das Higgs-Boson ist oder tut, hängt nicht zuletzt von der Frage ab, welche Theorie es korrekt beschreibt. Eine kurze Einführung zum Thema Elementarteilchen und Detektoren.

Hintergrund 13.12.2011

Masse: Der Popstar-Faktor

Physiker haben in jahrzehntelanger Forschung eine Art Rezept für das Universum zusammengetragen. Es wird als Standardmodell bezeichnet und enthält als Zutaten etwa Quarks und Elektronen, aus denen sämtliche Atome der uns vertrauten Materie bestehen.

Jedes der insgesamt zwölf Elementarteilchen besitzt ein sogenanntes Anti-Teilchen, das die entgegengesetzte elektrische Ladung trägt. Im gegenwärtigen Standardmodell haben die Teilchen keine Masse. Ohne Masse wären jedoch alle Partikel schnell wie das Licht, es gäbe keine Zusammenballungen - keine Atome, keine Sterne, Planeten oder Menschen.

Um dieses Dilemma zu lösen, ersannen der britische Physiker Peter Higgs und Kollegen einen Mechanismus, der den Teilchen ihre Masse verleihen soll. Er wird oft verglichen mit einer Party, auf der ein Popstar erscheint. Die Partygäste bilden dabei das Higgs-Feld. Will der Popstar den Raum durchqueren, scharen sich sofort viele Fans um ihn und machen ihn damit langsamer - der Star gewinnt gewissermaßen an Masse.

Standard oder SUSY?

Das Higgs-Teilchen ist in dieser Analogie das Gerücht, ein Popstar durchquere den Raum: Sofort sammeln sich Fans am vermeintlichen Aufenthaltsort des Stars. Dieses Gerücht pflanzt sich durch den Raum fort und verursacht damit eine wandernde Zusammenballung. Mittlerweile haben Theoretiker verschiedene Varianten dieses Mechanismus ersonnen. Es könnte sein, dass es ein Higgs-Teilchen gibt, das die letzte Leerstelle im Standardmodell der Elementarteilchenphysik besetzt.

Es könnte aber auch sein, dass das Teilchen Teil einer übergeordneten, umfassenderen Theorie ist. Sollte das Higgs-Partikel etwa als Teil der Supersymmetrie-Theorie, kurz SUSY, auftreten, dann hätte es auch ein (noch nachzuweisendes) Partnerteilchen. Und letzteres könnte theoretisch in verschiedenen Massenbereichen existieren. Es gibt also noch genug zu tun für die Physiker vom Kernforschungszentrum CERN.

Nachweis: Die Detektoren ATLAS und CMS

Im Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) prallen Protonen mit hoher Energie an vier Stellen des Beschleunigerrings aufeinander. Dabei entstehen enorm viele neue Teilchen, die in alle Richtungen fliegen und die mit Hilfe von Detektoren vermessen werden.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) und CMS (Compact Muon Solenoid) sind die beiden Universaldetektoren am LHC im Grenzgebiet der Schweiz und Frankreichs nahe Genf. Messungen, die der ATLAS-Detektor vorgenommen hat, können am CMS-Experiment überprüft werden - und umgekehrt. Je rund 3.000 Forscher aus knapp 40 Ländern arbeiten an den beiden Detektoren.

ATLAS ist mit etwa 46 Metern Länge und 25 Metern Durchmesser der größte der vier LHC-Detektoren. Er wiegt mit rund 7.000 Tonnen allerdings nur etwa halb so viel wie CMS. Beide Detektoren messen in ähnlicher Weise Spuren, Energien und Identität der Teilchen, die bei den Kollisionen entstehen. Die Technik und die Bauweise ihrer Magnete unterscheidet sich aber deutlich.

Hauptmerkmal von ATLAS ist ein ringförmiges Magnetsystem aus acht 25 Meter langen supraleitenden Magnetspulen, die zylinderförmig um ein im Innern liegendes Strahlrohr angeordnet sind. Das erzeugte magnetische Feld lenkt die aus den Kollisionen stammenden Teilchen ab.

science.ORF.at/dpa

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