Das Higgs-Boson

Das Higgs-Boson ist das einzige Teilchen des Standardmodells, das noch nicht vollständig nachgewiesen ist – folge diesem Link für weitere Details. Dennoch haben die beiden LHC-Experimente ATLAS und CMS im Juli 2012 die Entdeckung eines neues Bosons bei einer Masse von ungefähr 125 GeV bekanntgegeben. Dieses Teilchen ist vereinbar mit dem sehnsüchtig erwarteten Higgs-Boson.

Das Standardmodell trifft keinerlei Aussage über die Masse des Higgs-Bosons. Gibt man die Masse dieses Teilchens jedoch vor, so sagt diese Theorie erstaunlicherweise vorher, mit welcher Häufigkeit es in Teilchenkollisionen erzeugt und in welche bekannten Teilchen es zerfallen wird. Die folgende Grafik fasst zusammen, wie häufig ein 125 GeV Higgs-Boson in verschiedene bekannte Teilchen zerfällt.

Solch ein Higgs-Boson ist sehr massiv, sogar massiver als das Z-Boson und hat dadurch eine sehr kurze Lebensdauer. Dadurch kann es auch nur extrem kurze Distanzen zurücklegen, bevor es zerfällt. Dadurch kann es auch nicht direkt mit dem ATLAS-Detektor oder irgendeinem anderen Teilchendetektor nachgewiesen werden.

Das Higgs-Boson kann bei hochenergetischen Proton-Proton-Kollisionen im LHC (4 TeV pro Proton) erzeugt werden. ATLAS und CMS haben Zerfälle eines neues Bosons in

  1. zwei Z-Bosonen (führt zu zwei Paaren von elektrisch geladenen Leptonen),
  2. zwei Photonen und
  3. zwei W-Bosonen (führt zu zwei elektrisch geladenen Leptonen und zwei Neutrinos)
beobachtet.

In dieser Messung wirst Du die Möglichkeit haben in den ersten beiden Zerfallskanälen (i und ii) nach dem Boson zu suchen und dadurch nachvollziehen, was die Physikerinnen und Physiker am CERN geschafft haben.

Du magst Dich vielleicht fragen, warum die CERN-Entdeckung von einem Higgs-ähnlichen Teilchen spricht und nicht vom Higgs-Teilchen. Die Ursache ist rein wissenschaftlich. Obwohl Zerfälle dieses Bosons in den Zerfallskanälen ZZ, W+W- und γγ beobachtet worden sind, blieben die Zerfälle in Paare von Quarks und Leptonen bisher noch unbewiesen (speziell: b-Quark-Paare und Paare aus Tauon und Antitauon).

Doch woran liegt es, dass solch „seltene“ Zerfallskanäle (wie H→γγ mit einer Häufigkeit von lediglich 0,2%) beobachtet werden können, während sich die „häufigen“ Zerfallskanäle (wie H→bb̅ mit 57%) einer Beobachtung entziehen? Der letztgenannte Zerfallskanal führt zur Ausbildung von zwei Jets. Diese Signatur ist wesentlich schwieriger von der viel häufiger auftretenden Produktion von gewöhnlichen (nicht vom Zerfall des Higgs-Bosons stammenden) Jets aus Prozessen der starken Wechselwirkung zu unterscheiden.

In zukünftigen Masterclasses wirst Du vielleicht in der Lage sein diese „schwierigen“ Higgs-Zerfälle studieren zu können. Für den Moment viel Glück mit Deiner Suche nach dem Higgs-ähnlichen Teilchen, welches in entweder zwei Z-Bosonen oder zwei Photonen zerfällt.

Ist es nicht schön, dass Du bereits ein paar Monate nach der Bekanntgabe dieser Entdeckung die Möglichkeit besitzt, selbst ein Auge auf diese Dinge werfen zu können?

Möchtest Du mehr über das Higgs-Teilchen wissen, so folge diesem Link.