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Seit mehr als 30 Jahren fahnden Physiker nach dem Higgs-Boson.
Seit mehr als 30 Jahren fahnden Physiker nach dem Higgs-Boson.(Foto: dpa)

Das Higgs - und was nun?: "Ich denke, wir haben es"

Es ist die wichtigste wissenschaftliche Entdeckung des Jahres - zumindest, was die weltweite öffentliche Aufmerksamkeit anbelangt: Physiker haben ein neues Teilchen entdeckt. Doch ist es wirklich das "Higgs", der letzte unbekannte Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik? Und wenn ja, was nun?

"Gottesteilchen entdeckt!", titelt ein großes deutsches Medium im Sommer dieses Jahres. Die Forscher am europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf sind vorsichtiger. "Wir haben in unseren Daten klare Anzeichen auf ein neues Teilchen", verkündet die Physikerin Fabiola Gianotti am 4. Juli. Sie ist Sprecherin eines der beiden Forscherteams, die am weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC nach dem Higgs-Teilchen fahnden.

Auch der 83-jährige britische Professor Peter Higgs, der 1964 zusammen mit Kollegen die nach ihm benannte Theorie aufstellte, ist eigens nach Genf gereist, um in einem Hörsaal den hochphysikalischen Erläuterungen der Cern-Forscher zu lauschen - und ist zu Tränen gerührt. Weltweit hören nach Cern-Angaben 270.000 Menschen die Präsentation live per Internet.

Namensgeber des "Gottesteilchens": Peter Higgs.
Namensgeber des "Gottesteilchens": Peter Higgs.(Foto: picture alliance / dpa)

Das Wort "Gottesteilchen" lehnt Gianotti zwar wie die meisten Physiker ab. Aber das sogenannte Higgs-Boson ist immerhin der letzte unbekannte Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik, das den Aufbau aller uns bekannten Materie erklären soll.

Komplizierte Analyse der Daten

"Als Laie würde ich nun sagen: Ich denke, wir haben es", resümiert Cern-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer später vor demselben Auditorium. Als Wissenschaftler genügt ihm das jedoch nicht. Er braucht mehr Sicherheit. Das Team vom sogenannten Atlas-Detektor hat zwar die wissenschaftlich wichtige Signifikanzschwelle von 5 Sigma erreicht. Doch das Bruder-Experiment CMS (Compact Muon Solenoid) am selben Teilchenbeschleuniger kommt nur auf eine Signifikanz von 4,9 Sigma.

Ein paar Monate und Milliarden ausgewertete Daten nach dieser Präsentation sprechen nun auch Physiker von einer wissenschaftlich gesicherten Entdeckung eines neuen Teilchens. "Noch immer ist aber nicht klar, ob es "das Higgs" ist", sagt Teilchenphysiker Joachim Mnich, der am Beschleunigerzentrum Desy in Hamburg und am Cern arbeitet. "Die Analyse der Daten ist jetzt doch ein wenig komplizierter, als man sich das vorgestellt hat."

Ein Higgs oder mehrere Higgse?

Mit weiteren Daten, die bis zum Frühjahr nächsten Jahres ausgewertet werden sollen, lasse sich sicher entscheiden, ob die Entdeckung ein Higgs-Teilchen sei, erläutert Mnich: "Ob es das einzige Higgs ist, das im Standardmodell vorausgesagt wurde, oder ob es noch mehrere Higgse gibt - ich glaube, diese Frage wird uns noch mehrere Jahre beschäftigen."

Denn längst blicken die Forscher über das Standardmodell der Physik hinaus. "Wenn die Daten Abweichungen vom vorhergesagten Higgs ergeben sollten, könnte es eines aus der Supersymmetrie sein oder ein ganz anderes", erläutert Mnich. Die Supersymmetrie, kurz Susy, besagt, dass jedes bekannte Teilchen einen Gegenpart hat.

Der Teilchenbeschleuniger LHC im CERN.
Der Teilchenbeschleuniger LHC im CERN.(Foto: picture alliance / dpa)

Sie baut auf das Standardmodell auf. Dieses beschreibt zwar bekannte Phänomene, hat aber Schwächen. "Die bekannte Materie bildet nur etwa vier Prozent des Energieinhalts des Universums", erläutert Mnich. Das Standardmodell erklärt weder die Dunkle Materie noch die Dunkle Energie, die den Großteil ausmachen.

Supersymmetrie soll Mängel des Standardmodells erklären

Wenn nun mehrere Higgs-Teilchen nachgewiesen werden, könnte dies das Modell der Supersymmetrie belegen, meint Mnich. "Das wäre eine Revolution, wie damals, als die Antimaterie entdeckt wurde." Im Jahr 1932 wurde das erste Anti-Teilchen nachgewiesen. Heute ist bekannt, dass es für jedes Materie-Teilchen ein solches physikalisches Spiegelbild gibt. Nun würde sich die Zahl der bekannten Teilchen abermals vergrößern. Mit dem Theoriegebäude der Supersymmetrie lasse sich auch erklären, warum das nun entdeckte Teilchen eine viel kleinere Masse habe als theoretisch für das Higgs erwartet.

"Die Supersymmetrie wurde erfunden, um einige Mängel des Standardmodells zu erklären", erläutert Teilchenphysikerin Sandra Kortner vom Max-Planck-Institut für Physik in München die Daten des Atlas-Experimentes auswertet. "Am Cern-Teilchenbeschleuniger LHC suchen wir nicht nur nach dem Higgs-Teilchen des Standardmodells, sondern seit Jahren auch nach supersymmetrischen Teilchen", so Kortner.

"Diese müssten, da sie noch nicht beobachtet wurden, etwas schwerer sein als die bislang nachgewiesenen Teilchen. Die meisten sollten über 1000 GeV (Giga-Elektronenvolt) haben." Zum Vergleich: Das nun entdeckte Teilchen liegt etwa bei 125 GeV. Ihr Team warte schon auf den weiteren Ausbau des Beschleunigers LHC, damit Teilchen mit höherer Energie aufeinander geschossen werden können. So könne man auch schwerere Teilchen nachweisen.

Nachweis für Dunkle Materie

Das leichteste Teilchen, das im Theoriegebäude der Supersymmetrie denkbar ist, nennen Physiker Neutralino. "Das ist ein sehr guter Kandidat für die Dunkle Materie", sagt Kortner. Von dieser kennen Physiker bislang nur Auswirkungen.

"Wir wissen, die Dunkle Materie ist da, aber wir können sie nicht nachweisen, weil sie keine oder nur eine sehr schwache Wechselwirkung mit den bekannten Materieteilchen hat", erläutert Kortner.

Daher sei sie sehr schwer zu erkennen. "Das ist ähnlich wie bei den Neutrinos aus dem All, die permanent unbemerkt durch die Erde schießen." Bislang gebe es nur indirekte Nachweise der Dunklen Materie. "Wir sehen, dass sich Galaxien an den Außenrändern schneller bewegen, als mit der gewöhnlichen Materie erklärbar ist", so die Expertin. "Es muss daher eine Masse geben, die diese hohen Rotationsgeschwindigkeiten ermöglicht."

Die Supersymmetrie widerspreche dem Standardmodell nicht, sondern sei eine Ergänzung, erläutert Mnich. "Das ist wie bei Albert Einstein, als er die Relativitätstheorie erfunden hat. Die war zumeist konsistent mit der alten Theorie von Newton, nur eben nicht in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit", meint Mnich.

Unterschied zwischen Materie und Antimaterie

Bleibt noch die Frage, warum es überhaupt Materie gibt. Nach den derzeitigen Vorstellungen hat es beim Urknall genauso viel Materie wie Antimaterie gegeben. Doch beide hätten sich dann eigentlich gegenseitig vernichten müssen. "Es ist aber ein Überschuss an Materie geblieben - etwa Eins zu Zehnmilliarden", erläutert Mnich und hat zwei Erklärungen. "Irgendjemand hat da einen kleinen Überschuss am Anfang eingebaut - oder Materie und Antimaterie sind eben nicht ganz exakte Spiegelbilder voneinander."

Joachim Mnich forscht in Hamburg und am Cern.
Joachim Mnich forscht in Hamburg und am Cern.(Foto: picture alliance / dpa)

Physiker haben zwar schon einen kleinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie gefunden. "Aber der ist so klein, dass er als Erklärung nicht ausreichen würde für das, was wir heute im Universum beobachten", meint Mnich. "Es muss noch einen anderen Grund jenseits des Standardmodells geben, der für den Überschuss an Materie verantwortlich ist."

Der Teilchenbeschleuniger LHC wird in den kommenden zwei Jahren keine weiteren Daten liefern. Die Maschine wird gewartet und darauf vorbereitet, dass sie positiv geladene Teilchen, Protonen, mit der fast doppelten Energie wie bislang aufeinanderprallen lässt.

Die dann möglichen 14 TeV (Teraelektronenvolt) wurden an Teilchenbeschleunigern noch nie erreicht. "Der Energiebereich wird mehr Higgs-Teilchen produzieren können", hofft Mnich. Zudem sei es dann möglich, die Suche nach supersymmetrischen Teilchen weiter auszudehnen, etwa auf höhere Massen für diese Teilchen.

Später soll der LHC dann weiter ausgebaut werden und bis mindestens zum Jahr 2030 Daten liefern. "Von der endgültigen Ausbaustufe haben wir derzeit etwa ein Prozent erreicht, gemessen an der Zahl der Proton-Proton-Kollisionen. Wir stehen erst am Anfang des experimentellen Programms", sagt Mnich. Was kommt am Ende? "Das weiß ich nicht, aber ich glaube, wir werden noch sehr viele Überraschungen vom LHC erhalten in den nächsten 20 Jahren."

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Quelle: n-tv.de

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