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Partikel und Feld, schematische Darstellung

Higgs-Teilchen: "Fünf Prozent Zufall"

Vorsicht ist die Mutter der Experimentalstatistik: Das "Gottesteilchen" wurde möglicherweise gefunden, festlegen will sich in der Fachgemeinde jedoch niemand. Christian Fabjan vom Institut für Hochenergiephysik erklärt, warum - ein Gespräch über Higgs-Familien, Wettquoten und störende Zufälle.

Physik 15.12.2011

science.ORF.at: Am Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN gab es vorgestern eine Pressekonferenz zur Frage: Existiert das Higgs-Teilchen? In vier Worten zusammengefasst: Hinweis ja, Nachweis nein.

Christian Fabjan: Das hauptsächliche Ergebnis der diesjährigen Versuche ist ja eigentlich ein anderes: Wir konnten große Massebereiche bei unserer Suche ausschließen, nämlich die 140 bis 640-fache Masse des Protons. Dort gibt es das Higgs-Teilchen mit großer Wahrscheinlichkeit nicht.

Das Interessante an den Hinweisen auf die Existenz des Higgs-Teilchens ist: Sie liegen bei rund 125 bis 130 Protonenmassen bzw. genauer ausgedrückt: Gigaelektronenvolt - das ist genau jener Bereich, wo viele Theoretiker das Higgs-Teilchen auch erwarten.

Warum ist das Higgs-Teilchen so wichtig?

Christian Fabjan

HEPHY

Christian Fabjan ist Direktor des Instituts für Hochenergiephysik der Akademie der Wissenschaften. Er hat das ATLAS-Experiment mitentwickelt und ist gegenwärtig am CMS-Experiment beteiligt - beide Versuche am CERN sollen das lang gesuchte Higgs-Teilchen durch Protonenkollisionen nachweisen.

Wir haben in den letzten 30 Jahren eine sehr komplette Beschreibung der Materie gefunden. Das sogenannte Standardmodell der Physik zeigt, woraus die Materie besteht und wie diese Teilchen miteinander wechselwirken. Allerdings benötigt man in diesem Modell einen Mechanismus, der die Masse erzeugt. Das ist das sogenannte Higgs-Feld, das das ganze Universum durchzieht:

Die Teilchen haben deswegen Masse, weil sie mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung treten. Zumindest bevorzugen die meisten Physiker diese Lösung. Ob das die Natur tatsächlich so macht, wissen wir noch nicht.

Higgs-Teilchen und Higgs-Feld sind unterschiedliche Sprechweisen über die gleiche Sache?

Ja, das gilt für das Higgs-Teilchen wie für alle anderen Teilchentypen auch, Photonen beispielsweise. Das Feld ist die fundamentale Beschreibung und das dazugehörige Teilchen ist eine lokale Manifestierung des Feldes.

Man sagt, das Higgs-Feld sei für die Materie so ähnlich wie Sirup, weil es alle Teilchen abbremst und ihnen auf diese Weise Masse gibt. Ist das ein korrektes Bild?

Ich halte das für eine vernünftige Metapher. Man könnte auch sagen: Das Teilchen "fühlt" das Feld und je nach Stärke der Wechselwirkung wird es mal stärker, mal schwächer abgebremst. Dieser Satz mag ein wenig esoterisch klingen, aber es gibt lange bekannte Phänomene, die auf diese Weise erklärt werden.

In der Supraleitung sehen wir ein ähnliches Phänomen. Hier erhalten die an sich masselosen Photonen über einen ähnlichen Mechanismus Masse. Dadurch kann das elektromagnetische Feld, zu dem das Photon gehört, nicht in den Supraleiter eindringen. Diese Idee war übrigens ein Vorläufer des in den 60er Jahren vorgeschlagenen Higgs-Mechanismus.

Das Higgs-Teilchen verleiht nicht nur Masse, es hat auch selbst eine. Wodurch?

Das Higgs-Teilchen ist eine Fluktuation des Higgs-Feldes und erhält dadurch seine Masse. 125 Gigaelektronenvolt würden etwa der Masse von zwei Kupferatomen entsprechen - falls das Higgs-Teilchen in diesem Bereich existiert.

Die Hinweise könnten sich auch in Luft auflösen. Was wäre, wenn das Higgs-Boson doch nicht existiert?

Die meisten Physiker würden sagen: Das wäre noch interessanter. Dann müsste es einen alternativen Mechanismus geben, der die Masse in die Welt bringt.

Was könnte das sein?

Eine Möglichkeit wäre eine Kraft namens Technicolor, die sich laut Theorie allerdings erst in einem Bereich ab ca. Tausend Protonenmassen zeigt - also etwa im Bereich von Teraelektronenvolt. Um diese Bereiche seriös überprüfen zu können, benötigen wir die nächste Ausbaustufe des Teilchenbeschleunigers LHC: Ab 2014 wird der LHC mit ausreichend Energie für solche Versuche laufen.

Das Higgs-Teilchen könnte es auch in einer komplizierteren Variante geben: Nämlich als Teil einer umfassenderen Theorie namens Supersymmetrie. Was würde das bedeuten?

In der simpelsten Form dieser Theorie hätte das Higgs-Teilchen noch vier weitere Partner, die sich erst in höheren Massebereichen zeigen würden. Insgesamt gäbe es dann also fünf Higgs-Teilchen.

Sprechen wir über die aktuell laufenden Versuche am LHC, bei denen Protonen mit extrem hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen. Wie kann man aus diesen Kollisionen etwas über das Higgs-Teilchen erfahren?

Bei jeder Kollision werden hunderte Teilchen erzeugt. Die meisten sind instabil und zerfallen wieder - das gilt auch für das Higgs-Teilchen. Es kann beispielsweise in zwei Photonen zerfallen, was allerdings sehr selten passiert, nämlich ein Mal pro ungefähr zehn Billionen Kollisionen.

Das Problem ist, dass Photonen auch bei sehr vielen anderen Zerfällen entstehen - man muss also die richtigen Photonen herausfischen, die Spreu vom Weizen trennen. Und das ist wiederum nur dann möglich, wenn man alle anderen Reaktionen, die Photonen erzeugen, sehr genau kennt.

Bislang wurden 500 Billionen Kollisionen erzeugt. Das bedeutet, dass man 2011 - wenn überhaupt - maximal 50 Higgs-Teilchen beobachtet hat. Nächstes Jahr soll sich die Datenmenge vervierfachen, dann wären das 200 Higgs-Teilchen. Kann man mit so geringen Zahlen überhaupt Statistik betreiben?

Die Zahlen sind so klein, da haben Sie recht. Allerdings kann das Higgs-Teilchen auch auf insgesamt acht Arten zerfallen. Das Interessante an den bisherigen Experimenten ist: Es deuten gleich mehrere Zerfallskanäle auf eine Masse von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) hin.

Statistische Absicherung erhält man also durch die Kombination aller Zerfallsarten?

So ist es.

Auf welchem Niveau befindet sich die Statistik zurzeit?

Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Signale Zufall sind, beträgt etwa fünf Prozent.

Und Ende 2012?

Wenn wir beide Experimente, ATLAS und CMS, kombinieren, sollten wir eine Fehlerquote von eins zu einer Million haben.

Ganz ist der Zufall ja nie auszuschalten. Wäre das nicht ein Treppenwitz der Physikgeschichte, wenn sich die Ergebnisse zuletzt dennoch als extrem unwahrscheinlicher Spuk entpuppen würden?

Wenn wir 2012 sagen würden: "Wir haben das Higgs-Boson gefunden", wäre das nicht das Ende der Physikgeschichte. Denn dann würden wir später auch die Eigenschaften des Higgs-Bosons mit noch höheren Energien untersuchen. Die statistische Sicherheit würde sich also weiter erhöhen.

Vielleicht gibt es Buchmacher, die Physik-Wetten annehmen: Ihr Tipp für 2012?

Ich glaube, wir werden das Higgs-Teilchen sehen. Ich wette eine Kiste guten österreichischen Rotweins.

Ich getraue mich leider nicht dagegen zu halten.

Schade.

Angenommen, das Higgs-Teilchen wird nachgewiesen: Dann ist der Nobelpreis fällig, oder?

Ja. Vermutlich würden ihn die drei prominentesten Forscher bekommen, die den Mechanismus entwickelt haben. Ob gleich im nächsten Jahr oder im Jahr darauf ist schwer zu sagen. Aber auf jeden Fall schnell.

Interview: Robert Czepel

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