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„Eine absolute Sensation“

Professor Schulz-Coulon erläutert den Fund des Higgs-Teilchens

Feynman-Diagramm des Zerfalls eines Higgs-Bosons in zwei Photonen / Grafik: Wikimedia

Proton-Proton-Kollision im CMS-Detektor / Foto: CERN

Mit großer Faszination verfolgte die Öffentlichkeit bislang die Suche nach dem Higgs-Boson. Wissenschaftler vom europäischen Kernforschungszentrums CERN gaben nun bekannt, das zum Gottespartikel stilisierte Teilchen vermutlich gefunden zu haben. 

Das Gespräch führte Paul Eckartz

Herr Schulz-Coulon, als Teil der Heidelberger ATLAS-Arbeitsgruppe waren Sie an Planung, Umsetzung und nun am Betrieb des ATLAS-Teilchendetektors am CERN wesentlich beteiligt. Wonach wird in diesem gigantischen Experiment geforscht?

Es wird nach vielen Dingen geforscht. Am Large Hadron Collider (LHC), wo Atlas als eines von vier Experimenten steht, werden bei hohen Energien Protonen auf Protonen geschossen und diese Energien in Materie umgewandelt. Dabei wird versucht, neue Teilchen und Phänomene zu erforschen. Und eine der wesentlichen Fragen ist eben die nach dem Higgs-Teilchen.

Was genau ist dieses berüchtigte Higgs?

Das Higgs-Teilchen, oder das Higgs-Hintergrundfeld, gibt nach dem Standardmodell der Teilchenphysik den Elementarteilchen Masse. Das kann man sich so vorstellen: das Higgs selbst ist eine Anregung eines omnipräsenten Hintergrundfelds und die Elementarteilchen bewegen sich durch dieses Feld ähnlich wie ein Löffel durch Honig. Und durch die Wechselwirkung mit diesem Hintergrundfeld werden die Teilchen träge, so wie ein Löffel auch schwerer durch Honig zu bewegen ist als durch ein Vakuum.

Am 4. Juli gab das CERN bekannt, dass sowohl ATLAS, als auch der CMS-Detektor vermutlich ein neues Teilchen entdeckt haben - womöglich das Higgs-Boson. Was hat es damit auf sich?

Das Higgs-Feld kann Anregungen haben, die dann speziell zerfallen. Und diese Anregungen nennen wir Higgs-Teilchen. Wir haben jetzt Zerfallssignaturen gefunden, die darauf hinweisen, dass wir ein neues Teilchen gefunden haben. Das Higgs zerfällt zum Beispiel in zwei Photonen. Diese Photonen sieht man als Energieeinträge in unserem Detektor. Und in einem Bereich, der einer Masse von etwa 126 Gigaelektronenvolt entspricht, sieht man einen kleinen Überschuss an Ereignissen über einem relativ großen Hintergrund. Dieser Überschuss ist so hoch, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um eine rein zufällige Fluktuation handelt, etwa eins zu zehn Millionen beträgt. Beide Experimente haben eine solche Signatur gefunden und gesagt: das ist etwas Neues. Das sagt natürlich noch nichts über die Eigenschaften des Teilchens, das da zerfällt, aus. Vom Higgs-Boson erwarten wir zum Beispiel, dass es keinen Spin hat. Um herauszufinden, ob es sich um das Higgs handelt, wie wir es erwarten, braucht man noch mehr Statistik.

Dies bedeutet also keineswegs das Ende der Forschung. Was wird sie in Zukunft beschäftigen?

Man weiß nie so genau, was die Forschung bringt. Auch wenn das Higgs jetzt gefunden wurde, gibt es in der Physik eine Reihe offener Fragen, die wir im Rahmen des Standardmodells nicht erklären können. Da ist die Frage nach der Dunklen Materie. Was ist das eigentlich? Es gibt Theorien, die vorhersagen, dass diese Dunkle Materie aus neuen, supersymmetrischen Teilchen besteht. Die sind noch nicht gefunden worden. Der LHC soll noch einmal repariert werden, um die geplante Energie von 14 Terraelektronenvolt (TeV) zu erreichen. Mit diesem Mehr an Energie und Mehr an Statistik hofft man, neue Phänomene jenseits des Standardmodells zu finden. Wer weiß, was die Physik bringt?

Was genau ist Ihre Aufgabe in der Heerschar der Wissenschaftler, die für dieses Experiment kooperieren?

Die Gruppe, die ich hier in Heidelberg leite, hat schon mit meinem Kollegen Herrn Meier über 15 Jahre den Trigger entwickelt. Dazu muss man vielleicht ein bisschen ausholen. Am LHC werden Protonen auf Protonen geschossen und zwar fünfzig Millionen Mal pro Sekunde. Dabei gibt es jedes Mal ein bis fünfundzwanzig Kollisionen. Die sind natürlich nicht alle interessant. Das Higgs-Teilchen findet man in einer aus einer Milliarde Kollisionen. Nun kann man nicht alle Kollisionen abspeichern: Jede einzelne hat eine Größe von 1,5 Megabyte. Deshalb muss man diese Daten vorselektieren. Diese Vorselektion, die während des Betriebs direkt geschieht, ist das, was der Trigger macht. Er schaut zum Beispiel, ob es zwei Energieeinträge im Detektor gibt, die nach zwei dieser Photonen aussehen, in die das Higgs zerfällt. Und speziell diesen Teil des Triggers, den sogenannten Pre-Prozessor, der 128 Mal am CERN steht, hat Heidelberg in Zusammenarbeit mit Engländern, Schweden, Amerikanern und anderen deutschen Instituten gebaut. Trotzdem ist diese Kollaboration relativ klein.

Ist diese enorm kleinschrittige Arbeit an einem derart großen Experiment nicht frustrierend?

Nein. Die Atlas-Gruppe besteht aus etwa 20 Leuten hier in Heidelberg und jeder hat seine kleine Aufgabe. Also auch im Rahmen einer Diplomarbeit kann jemand zum Beispiel die richtige Zeit-Synchronisation des Triggers einstellen. Eine Detailfrage, über die man aber sehr detailliert und interessant reden kann. Und die Daten werden durchaus auch gesehen. Natürlich nicht von allen dreieinhalbtausend Physikern, aber von den fünfzig, sechzig, die am Trigger mitarbeiten. Auch ein Diplomand kann also sehr wohl seinen eigenen Beitrag leisten. Und für mich ist das genauso. Die Gruppe als solche leistet zu diesem Experiment wesentliche, kleine Beiträge, die aber individuell sichtbar sind.

Was bedeutet denn nun die Entdeckung des Higgs für die Physik und den Rest der Welt?

Ich denke es ist eine absolute Sensation, wenn 1964 ein Modell aufgestellt wird und sich dann zehntausende von Wissenschaftlern zusammensetzen und ein Gerät von der Dimension des LHC bauen, weil wir sonst die Welt der Teilchenphysik nicht verstehen. Wenn es das Higgs nicht gegeben hätte, hätten wir ein ganz klares Defizit im Verständnis unserer Welt. Ich glaube allein die Tatsache, dass die Menschheit einer solchen Sache fähig ist – sie zu erdenken, sie zu bauen und das Higgs dann tatsächlich zu finden – ist bemerkenswert.

Herr Schulz-Coulon, vielen Dank für das Gespräch.

Das Higgs-Boson und die jahrzehntelange Suche danach

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die heute gängige Beschreibung der Elementarteilchen, aus denen die Materie aufgebaut ist, und der Wechselwirkungen zwischen ihnen. Trotz einiger Unvollkommenheiten ist es als physikalische Theorie insofern recht ausgereift, als dass die meisten seiner Vorhersagen durch Experimente bestätig wurden. Die dem Modell zugrunde liegende Mathematik fordert allerdings, dass einige Elementarteilchen, deren Masse  bereits experimentell nachgewiesen wurde, eigentlich keine Masse besitzen dürften.

Zur Auflösung dieses Widerspruchs dient ein im Jahr 1964 von drei unabhängigen Arbeitsgruppen, denen auch der britische Physiker Peter Higgs angehörte, formulierter theoretischer Mechanismus: ursprünglich masselose Teilchen erhalten demnach durch die Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld dennoch eine Masse. Dieser nach Higgs benannte Mechanismus sagt unter anderem die Existenz eines weiteren Teilchens, des Higgs-Bosons, vorher. Dessen experimenteller Nachweis wäre somit eine fundamentale Bestätigung des Standardmodells.

Bereits 1994 beschloss das europäische Kernforschungszentrum CERN den Bau eines neuen Teilchenbeschleunigers, dessen Ziel neben einer Präzisierung bereits bestehender Messungen und Experimenten zur Physik jenseits des Standardmodells vornehmlich die Suche nach dem Higgs sein sollte. Zehn Jahre nach dem Baubeginn des LHC (Large Hadron Collider) im Jahr 1998 passierten am 10. September 2008 die ersten Protonenstrahlen den unterirdischen Beschleunigerring von fast 27 Kilometern Umfang.

Bei den Kollisionen dieser Strahlen werden bislang Energien von sieben Terraelektronenvolt erreicht, sodass die Protonen beinahe mit Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Diese enorme Energie ist nötig, um Higgs-Bosonen zu erzeugen, deren Zerfallsprodukte dann von den Detektoren des LHC beobachtet werden können. Zu diesen zählt auch ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus- also in etwa „Wulstförmiger LHC-Apparat“), an dem die Uni Heidelberg mit einer Forschungsgruppe beteiligt ist.