CERN: Neuer Higgszerfall entdeckt

2012 war es die Sensation: Erstmals wiesen Forschende am CERN das seit Jahrzehnten vorhergesagte Higgsteilchen nach. Nun wurde eine weitere Vorhersage bestätigt: Das winzige Elementarteilchen zerfällt auch in zwei Bottom-Quarks.

Alles, was wir sehen, Menschen, Pflanzen oder Planeten, besteht aus Materieteilchen. Doch die Welt der kleinsten Teilchen ist hochkomplex. Aus grundlegenden Fragen zu den Gesetzen und Bedingungen in diesem Teilchenkosmos hat sich über die Jahre das anerkannte Standardmodell der Teilchenphysik herausgebildet. Es fasst unser Verständnis der Elementarteilchen zusammen und hat bis heute Bestand. Das Higgsteilchen stellt darin ein wichtiges Puzzleteil dar. Die Entdeckung vor sechs Jahren am Large Hadron Collider (LHC) – dem weltweit größten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger – eröffnete den beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ein reichhaltiges Forschungsprogramm rund um die Eigenschaften des exotischen Elementarteilchens.

Unabhängiger Nachweis durch zwei Forschungsgiganten

Der Namensgeber des Higgs-Teilchens Peter Higgs, der das Teilchen zusammen mit Kollegen Robert Brout und François Englert vorhergesagt hatte, beim Besuch am ATLAS-Detektor. © ATLAS-Kollaboration/CERN

Jetzt ist es zwei unabhängigen Forscherteams am LHC geglückt, den Higgszerfall in zwei sogenannte Bottom-Quarks nachzuweisen. Die Experimentgruppen ATLAS und CMS gaben kurz hintereinander diese Entdeckung aus der Physik der kleinsten Teilchen bekannt.

Schon vor dem konkreten Nachweis hatten Theoretikerinnen und Theoretiker seit längerem den Zerfall in Bottom-Quarks vorhergesagt. Doch obwohl es sich demnach um ein häufiges Zerfallsmuster handelt – es tritt in 58 Prozent der Fälle auf –, ist es den Teams erst jetzt gelungen, die Teilchenbruchstücke eindeutig auf das Higgsteilchen zurückzuführen. Da sich diese Reaktion nicht direkt beobachten lässt, rekonstruieren die Forscherinnen und Forscher stattdessen die Zerfallsprodukte der Teilchenkollisionen im LHC. Hierzu nutzen sie hochpräzise Nachweisgeräte von der Größe eines Mehrfamilienhauses. Die Herausforderung dabei: Das auftretende Muster ähnelt anderen, weitaus häufiger auftretenden Zerfällen, bei denen das Higgsteilchen gar nicht beteiligt ist. Entsprechend wichtig sei die Anzahl der aufgezeichneten Kollisionsereignisse: „Der Zeitpunkt der Entdeckung ergab sich im Wesentlichen aus dem Umfang der zur Verfügung stehenden Datenmenge, die erst jetzt für die Entdeckung ausreichend war“, betont Lutz Feld, Professor an der RWTH Aachen und Verbundsprecher der deutschen CMS-Beteiligung. Genauso wichtig sind moderne Hardware, mit denen die Forscherinnen und Forscher die Teilchenbruchstücke präzise vermessen können, und leistungsfähige Analysetechniken basierend auf maschinellem Lernen.

Quarks erhalten ihre Masse über den Higgsmechanismus

An der Datenanalyse haben sich deutsche Gruppen wesentlich engagiert. „Es ist fantastisch, dass wir endlich den bei weitem häufigsten Higgszerfall nachgewiesen haben“, fasst Volker Büscher, Professor an der Johannes Gutenberg-Universität und Verbundsprecher der deutschen ATLAS-Beteiligung, das neue Ergebnis in Worte. Das Bottom-Quark ist eines von den Elementarbausteinen, aus denen Materie besteht. Die neue Entdeckung bestätigt die Vermutung, dass auch die Quarks über den sogenannten Higgsmechanismus ihre Masse erhalten.

Entdeckung war auch dank deutschen Forschenden möglich

Deutsche Forschergruppen leisten über von Deutschland (BMBF, HGF und MPG) finanzierte Forschungsprojekte einen maßgeblichen Beitrag zu neuesten Erkenntnissen aus der Welt der kleinsten Teilchen. Im ATLAS- und CMS-Experiment entwickeln sie zum Beispiel Detektorkomponenten weiter, erarbeiten neue Analysemethoden und stellen komplexe Algorithmen für die Forschung am LHC zur Verfügung. „Sehr große Verantwortung haben die deutschen Gruppen auch für den Silizium-Pixeldetektor im innersten Zentrum des Detektors übernommen, der insbesondere für diese Messung sehr wichtig war. Auch das geplante LHC-Upgrade erfordert einen Umbau, damit die Detektoren mit den höheren Belastungen umgehen können“, ergänzt Verbundsprecher Büscher. Er verweist damit auf den zweistufigen Leistungsausbau des Large Hadron Collider. In der Folge wird sich ab 2026 die Kollisionsrate auf ein Rekordniveau von rund fünf Milliarden Teilchenreaktionen pro Sekunde erhöhen.

Informationen zu den Forschungsprojekten

Verteilt auf das ATLAS- und CMS-Experiment beteiligen sich insgesamt rund 5.600 internationale Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Higgsforschung. Zusätzlich sind sie auf der Suche nach Phänomenen wie Dunkler Materie, die sie am LHC unter Laborbedingungen produzieren und studieren wollen. Der deutsche Anteil liegt bei ATLAS bei rund 11 Prozent und CMS bei rund sieben Prozent. Für die LHC-Forschungsprojekte, zu denen die vier Experimente ATLAS, CMS, LHCb und ALICE zählen, stellt das BMBF jährlich rund 20 Millionen Euro für die universitären Gruppen zur Verfügung. Die Forschungsprojekte sind Teil der Verbundforschung, welche das Bundesforschungsministerium schon seit vielen Jahren mit erheblichen Mitteln finanziert. Zusätzlich unterstützt der Bund das CERN und damit auch die Forschung am LHC über die institutionelle Förderung, die bei rund 20 Prozent des CERN-Gesamthaushaltes liegt. Das neue BMBF-Rahmenprogramm ErUM (Erforschung von Materie und Universum) bildet seit Sommer 2017 den strategischen Rahmen für die physikalische Grundlagenforschung.