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Die Entdeckung des Higgs-Teilchens

Zur Zeit lese ich im Rahmen eines Buchclubs „Die Vermessung des Universums“ von der amerikanischen Physikerin Lisa Randall. Es geht um moderne Grundlagenforschung und auch ein wenig Wissenschaftstheorie. Ein Hauptthema ist der Large Hadron Collider (LHC), der vor allem durch die Suche nach dem Higgs-Teilchen und der damit verbundenen Frage, warum Teilchen überhaupt eine Masse haben,  einer breiteren Öffentlichkeit bekannt geworden ist, obwohl dies nur ein Forschungsziel unter vielen ist.

Inzwischen wurde das Higgs-Teilchen tatsächlich gefunden, und da das Kapitel dazu nur in den aktuelleren Auflagen des Buches zu finden ist, habe ich dieses für die anderen Leser zusammengefasst, die ein älteres Exemplar haben. Und weil in letzter Zeit abgesehen von meinen bescheidenen Zeichnungen ohnehin wenig auf diesem Blog erschienen ist und dieser Text auch ohne den Rest des Buches zu kennen von Interesse sein könnte, habe ich mich entschlossen, ihn hier auch zu veröffentlichen. Bei der FAZ habe ich eine Rezension gefunden, dem Fazit dort würde ich bisher durchaus zustimmen, ich habe es aber noch nicht ganz fertig gelesen, der rote Faden wird aber wohl auch in den letzten Kapiteln nicht mehr auffindbar sein.

 

Zusammenfassung

Diese Woche stand das als Anhang in den neueren Auflagen des Buches beigefügte Zusatzkapitel auf dem Programm, das in der deutschen Ausgabe den Titel „Die Higgs-Entdeckung. Die Macht des leeren Raumes.“ trägt.

Wie immer beginnt Lisa Randall mit einer persönlichen Anekdote, sie war am 4. Juli 2012 gerade auf Urlaub in Griechenland, wo sie die offizielle Bekanntgabe der Entdeckung des Higgs-Teilchen erreichte, aber kurz darauf die Internetanbindung in die Knie ging.

Einige Tage später sollte sie bei einem Radiosender über die Entdeckung sprechen, und wollte allgemeinverständliche Worte finden, nachdem Dennis Overbye in der New York Times am Tag der Bekanntgabe schon mal schön formuliert hatte: „Wie Omar Sharif, der sich in Lawrence von Arabien in der flimmernden Wüste als Mann auf einem Kamel materialisiert, trat das schwer zu fassende Boson seit dem letzten Winter langsam in den Blick …“.

Sie verglich dann die Jagd auf das Higgs-Teilchen mit der Suche nach einem Freund in einem vollen und lauten Stadion, man versucht, die bekannte Stimme in der allgemeinen Geräuschkulisse herauszuhören, und da man die Suche einschränken kann (man weiß ja einiges über den Freund, vielleicht hat er beispielsweise einen bevorzugten Sektor, so wie man vorher auch einige Eigenschaften des Higgs-Bosons abschätzen konnte), und so wie man mit diesen Informationen den Freund unter tausenden Personen in einem Stadion finden kann, konnte man die Higgs-Teilchen-Signatur eben auch im Hintergrundrauschen der Kollisionsdaten finden.

Am 4. Juli waren die Forscher mit der Analyse der Daten schließlich soweit, dass die Entdeckung bekannt gegeben werden konnte, in der Fachsprache spricht man von einem 5-Sigma-Niveau, was bedeutet, dass die Daten mit einer Wahrscheinlichkeit von 1,7 Millionen : 1 auf das vorhergesagte Higgsteilchen hindeuten.

Es folgt eine erneute Beschreibung des Higgs-Mechanismus, -Feldes und -Teilchens, welche im Wesentlichen noch mal die Sachen zusammenfasst, die wir schon aus anderen Kapiteln kennen.

Das Higgs-Feld ist, im Unterschied beispielsweise zu elektromagnetischen Feldern, nicht lokal begrenzt sondern füllt den gesamten Raum aus, und durch die Interaktion mit diesem Feld erhalten alle Elementarteilchen (natürlich mit Ausnahme der masselosen) ihre Masse, je größer diese ist, desto stärker wechselwirken sie mit dem Higgsfeld.

Randall beschreibt das Feld als Träger einer Art von Ladung, die mit der schwachen Kernkraft verknüpft ist und die wir nicht direkt „empfinden“ können, weil sie eine so kurze Reichweite hat, aber beispielsweise den Betazerfall von Neutronen (in ein Proton, Elektron und ein Neutrino) ermöglicht. Weil jedes Teilchen auf seine individuelle Art mit dem Higgsfeld wechselwirkt, entsteht das breite Spektrum der verschiedenen Teilchenmassen. Und falls man sich fragt, warum eigentlich das Higgs-Teilchen selbst eine Masse hat, wird das hier auch beantwortet, weil es nämlich auch selbst mit dem Feld wechselwirkt.

An dieser Stelle wirft die Autorin eine noch ungelöste Frage auf, über die wir uns vielleicht Gedanken machen können:

Sie können nun fragen, ob das Higgs-Feld auch ein Träger von Energie ist. Wir kennen die Antwort nicht, da alles, was man messen kann, der Gravitationsenfluss der Nettoenergie aller Felder des Universums ist. Diese Energie hat einen von Null verschiedenen Wert, der als dunkle Energie bezeichnet wird, die selbst ein reichhaltiges und faszinierendes Thema ist. Die dunkle Energie ist ebenfalls mit dem leeren Raum verknüpft – sie ist die Energie, die der leere Raum besitzt. Einstein hat uns gelehrt, dass jede Energiequelle Folgen für die Schwerkraft hat, u. a. auch für die absolute Energie eines leeren Universums. Tatsache ist, dass der leere Raum nicht wirklich leer ist. Er kann Energie und Ladung aufweisen, nur eben keine Materie.

Über den leeren Raum hat Martin Bäker auch etwas Informatives geschrieben, wenn jemand das Thema vertiefen will.

Dann werden nochmal die Zerfallsarten des Higgs-Bosons kurz beschrieben, wobei es eben hauptsächlich in Bottomquarks und -antiquarks zerfällt, welche aber bei den LHC-Kollisionen nur schwer von durch andere Prozesse entstehende Bottomquarks zu unterscheiden sind. Deshalb beruht die Entdeckung in erster Linie auf zwei anderen Zerfallsmodi, nämlich diejenigen, bei denen Photonen erzeugt werden (was in 0,2% der Fälle passiert) oder bei denen virtuelle schwache Eichbosonen entstehen, wobei noch mal kurz darauf eingegangen wird, dass dieser Zerfallsprozess nicht klassisch beschrieben werden kann (die Summe der Energien von zwei W- oder Z-Bosonen beträgt 160 bzw. 182GeV, der Grundsatz der Energieerhaltung wäre also verletzt), ist also nur quantenmechanisch über virtuelle Teilchen zu verstehen. Wie das mit den virtuellen Teilchen im Detail funktioniert (und noch einiges mehr) hat wiederum Martin Bäker in einer Artikelserie erläutert.

Es werden dann noch die Monate vor der endgültigen Bekanntgabe der Entdeckung geschildert, dass man auf einem guten Weg war wurde für Randall im Dezember 2011 klar, als die ATLAS-Daten ein mögliches Signal zeigten, die CMS-Daten aber noch nicht eindeutig waren. Es folgen ein paar Anekdoten über einen CERN-Besuch und eine Konferenz im März, wo noch das „Überlichtgeschwindikeitsneutrino“ Thema war, welches sich ja auf ein defektes Kabel zurückgeführt werden konnte. Ein paar Details aus dem Leben von Peter Higgs und Francois Englert, die zusammen mit Robert Brout, Gerald Guralnik, Carl R. Hagen und Tom Kibble den sogenannten Higgsmechanismus entwickelten, runden die Geschichte ab.
Einige der Beteiligten hätten wohl erhofft, das man das Higgs-Teilchen nicht in der vorhergesagten Form finden würde, denn dann hätte man nach etwas noch Überraschenderem und Interessanterem Ausschau halten müssen, das sich widerspruchsfrei in das Standardmodell einfügt. Es ist vielleicht vergleichbar mit dem Gefühl, das man selber hat, wenn man kurz vor dem Abschluss eines größeren Projekts steht, und dann fällt einem noch dieses und jenes ein, was man noch besser machen könnte, bevor man sein „Baby“ aus der Hand gibt.

Zwischen März und Juli wurden noch intensiv weitere Daten ausgewertet und am 4. Juli folgten schließlich die begeistert aufgenommenen Vorträge von Joe Incandela und Fabiola Gianotti, Sprecher der CMS- und ATLAS-Experimente. An beiden Detektoren war eine Entdeckung gemacht, die höchstwahrscheinlich mit dem Higgs-Mechanismus verknüpft war, von der man aber noch nicht wusste, ob es das einfache Art des Higgs-Bosons war oder etwas Komplizierteres, das dieselbe Rolle spielt, und dies werden die Daten aus weiteren Teilchenkollisionen zeigen. Es wurde beschlossen, den LHC noch etwas länger als ursprünglich geplant laufen zu lassen, bevor die Wartungs- und Aufrüstungsphase begann, um die Eigenschaften des gefundenen Teilchens noch etwas genauer zu bestimmen. Am 14. Februar 2013 wurde der LHC schließlich vorläufig abgeschaltet, das genaue Datum hat aber nicht mehr den Weg ins Buch gefunden, ich habe es dort nachgelesen.

Es folgt ein Ausblick auf offene Fragen, die mit Hilfe des LHC weiter erforscht werden sollen, beispielsweise ob das gefundene Teilchen die einzige Higgs ist oder ob es noch andere Varianten gibt, die auf einen noch komplexeren Mechanismus zurückzuführen wären. Randall sagt, dass es höchstwahrscheinlich Teil eines größeren Sektors neuer Teilchen ist, und sie erwähnt noch das Hierarchieproblem, die dunkle Materie und die Supersymmetrie, nach der jedes bekannte Teilchen einen sogenannten Superpartner mit gleicher Ladung aber anderem Spin hätte. Diese Themen werden auch in den nächsten regulären Buchkapiteln besprochen, weshalb ich auf jeden Fall weiter lesen werde, flapsig gesagt gehören diese Themen zum „heißen Scheiß“ der Grundlagenforschung, und die Autorin ist da mitten drin.

Ein paar Sätze unter der Überschrift „Religion, Nutzen und dergleichen…“ schließen den Anhang ab, das geflügelte Wort Gottesteilchen hat natürlich nichts mit Religion zu tun, wenn ich mich richtig erinnere geht das auf die Formulierung gottverdammtes Teilchen zurück, die daher stammt, dass es so schwer zu finden sein würde, die Formulierung war aber zu pointiert für einen Buchtitel oder ähnliches, und deshalb wurde dann das mediengerechte Gottesteilchen daraus. Der praktische Nutzen aus der Entdeckung lässt sich noch nicht abschätzen, immerhin hat das CERN das World Wide Web hervorgebracht und das, was die Entdeckung des Elektrons und der Quantenmechanik ermöglicht haben, wie beispielsweise den Bildschirm, auf dem der Text hier gerade gelesen wird, war vor 100 Jahren auch noch nicht erfunden.

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