Die jahrzehntelange Suche nach den Higgs

Vor etwas mehr als zwei Jahren startete der Large Hadron Collider seine Suche nach dem Higgs-Boson. Die Jagd nach den Higgs begann jedoch vor Jahrzehnten mit der Verwirklichung eines zu lösenden Puzzles, bei dem es nicht nur um die Higgs ging.

Eine faszinierende Asymmetrie

Die Suche begann mit Symmetrie, der ästhetisch ansprechenden Vorstellung, dass etwas umgedreht werden kann und trotzdem gleich aussieht. Es ist eine Frage der alltäglichen Erfahrung, dass die Kräfte der Natur auf die gleiche Weise wirken, wenn links mit rechts getauscht wird. Wissenschaftler fanden heraus, dass dies auch auf subatomarer Ebene zutrifft, um die Plusladung gegen die Minusladung zu tauschen und sogar um den Zeitfluss umzukehren. Dieses Prinzip schien auch durch das Verhalten von mindestens drei der vier Hauptkräfte, die die Wechselwirkungen von Materie und Energie steuern, unterstützt zu werden.

Mit der Entdeckung des wahrscheinlich massenschenkenden Higgs-Bosons ist die Familie der fundamentalen Teilchen, die das Verhalten von Materie und Energie bestimmen, nun vollständig. Bildnachweis: SLAC Infomedia Services.

Im Jahr 1956 veröffentlichten Tsung-Dao Lee von der Columbia University und Chen-Ning Yang vom Brookhaven National Laboratory ein Papier, in dem sie fragten, ob eine bestimmte Form der Symmetrie, die als Paritäts- oder Spiegelsymmetrie bezeichnet wird, für die vierte Kraft gilt, die die schwachen Wechselwirkungen beherrscht Kernzerfall verursachen. Und sie schlugen einen Weg vor, es herauszufinden.

Der Experimentalist Chien-Shiung Wu, ein Kollege von Lee in Columbia, nahm die Herausforderung an. Sie nutzte den Zerfall von Cobalt-60, um zu zeigen, dass die schwachen Wechselwirkungen tatsächlich zwischen Partikeln unterschieden, die sich nach links und rechts drehten.

Dieses Wissen, kombiniert mit einem weiteren fehlenden Teil, würde Theoretiker veranlassen, ein neues Teilchen vorzuschlagen: die Higgs.

Woher kommt die Masse?

1957 kam ein weiterer Hinweis aus einem scheinbar nicht verwandten Bereich. John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer schlugen eine Theorie vor, die die Supraleitung erklärte, mit der bestimmte Materialien Elektrizität ohne Widerstand leiten können. Ihre BCS-Theorie, benannt nach den drei Erfindern, enthielt jedoch auch etwas, das für Teilchenphysiker von Wert war. Supraleiter enthalten Elektronenpaare, die das Metall durchdringen und Photonen, die sich durch das Material bewegen, tatsächlich Masse verleihen. Die Theoretiker schlugen vor, dass dieses Phänomen als Modell verwendet werden könnte, um zu erklären, wie Elementarteilchen Masse aufnehmen.

Im Jahr 1964 veröffentlichten drei Gruppen von Theoretikern drei verschiedene Artikel in Physical Review Letters, einem renommierten Physikjournal. Die Wissenschaftler waren Peter Higgs; Robert Brout und Francois Englert; und Carl Hagen, Gerald Guralnik und Tom Kibble. Zusammengenommen zeigten die Arbeiten, dass spontanes Brechen der Symmetrie tatsächlich zu einer Masse der Partikel führen kann, ohne die spezielle Relativität zu verletzen.

Im Jahr 1967 stellten Steven Weinberg und Abdus Salam die Stücke zusammen. Ausgehend von einem früheren Vorschlag von Sheldon Glashow entwickelten sie unabhängig voneinander eine Theorie der schwachen Wechselwirkungen, die als GWS-Theorie bekannt ist, die die Spiegelasymmetrie einbezieht und allen Teilchen Massen durch ein Feld verleiht, das den gesamten Raum durchdringt. Dies war das Higgs-Feld. Die Theorie war komplex und wurde mehrere Jahre lang nicht ernst genommen. 1971 lösten Gerard `t Hooft und Martinus Veltman jedoch die mathematischen Probleme der Theorie und plötzlich wurde es die führende Erklärung für die schwachen Wechselwirkungen.

Nun war es Zeit für die Experimentatoren, sich an die Arbeit zu machen. Ihre Mission: ein Teilchen zu finden, das Higgs-Boson, das nur existieren kann, wenn dieses Higgs-Feld tatsächlich das Universum umspannt und Teilchen Masse verleiht.

Die Jagd beginnt

Konkrete Beschreibungen der Higgs und Ideen, wo man danach suchen sollte, wurden 1976 veröffentlicht. Beispielsweise schlug der SLAC-Physiker James Bjorken vor, die Higgs in den Zerfallsprodukten des Z-Bosons zu suchen, die theoretisiert worden waren, aber erst entdeckt wurden 1983.

Einsteins bekannteste Gleichung, E = mc2, hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Teilchenphysik. Dies bedeutet im Grunde, dass Masse gleich Energie ist. Für Teilchenphysiker bedeutet dies jedoch, dass je größer die Masse eines Teilchens ist, desto mehr Energie wird benötigt, um es zu erzeugen, und desto größer ist die Maschine, um es zu finden.

In den 80er Jahren blieben nur die vier schwersten Teilchen übrig: der Top-Quark und die W-, Z- und Higgs-Bosonen. Der Higgs war nicht der massivste der vier - diese Ehre geht an den Top-Quark -, aber er war am schwersten zu fassen und würde die energischsten Kollisionen erfordern, um herauszufiltern. Teilchenbeschleuniger wären dem Job nicht lange gewachsen. Aber sie begannen, ihren Steinbruch mit Experimenten zu erkunden, die verschiedene mögliche Massen für die Higgs auszuschließen begannen und den Bereich, in dem sie existieren könnten, einschränkten.

1987 führte der Cornell Electron Storage Ring die ersten direkten Suchvorgänge nach dem Higgs-Boson durch, wobei ausgeschlossen wurde, dass es eine sehr geringe Masse aufwies. In Experimenten an SLAC und CERN wurden 1989 Präzisionsmessungen der Eigenschaften des Z-Bosons durchgeführt. Diese Experimente untermauerten die GWS-Theorie schwacher Wechselwirkungen und schränkten den möglichen Massenbereich für die Higgs stärker ein.

1995 fanden die Physiker von Fermilab's Tevatron den massereichsten Quark, die Spitze, und ließen nur die Higgs übrig, um das Bild des Standardmodells zu vervollständigen.

Einsperren

Während der 2000er Jahre wurde die Teilchenphysik von der Suche nach den Higgs mit allen verfügbaren Mitteln dominiert, aber ohne einen Kollider, der die erforderlichen Energien erreichen konnte, blieben alle Blicke auf die Higgs genau das - Blicke. Im Jahr 2000 suchten Physiker am Large Electron-Positron Collider (LEP) des CERN erfolglos nach den Higgs bis zu einer Masse von 114 GeV. Dann wurde LEP abgeschaltet, um Platz für den Large Hadron Collider zu machen, der Protonen mit viel höheren Energien als je zuvor in Frontalkollisionen lenkt.

In den 2000er Jahren haben die Wissenschaftler des Tevatron heldenhafte Anstrengungen unternommen, um ihren energetischen Nachteil durch mehr Daten und bessere Betrachtungsweisen zu überwinden. Als der LHC 2010 sein offizielles Forschungsprogramm aufnahm, gelang es dem Tevatron, die Suche einzugrenzen, nicht jedoch die Higgs selbst zu entdecken. Als der Tevatron 2011 stillgelegt wurde, blieben den Wissenschaftlern riesige Datenmengen übrig, und umfangreiche Analysen, die Anfang dieser Woche angekündigt wurden, gaben einen etwas genaueren Blick auf ein noch weit entferntes Higgs.

Im Jahr 2011 hatten Wissenschaftler der beiden großen LHC-Experimente ATLAS und CMS angekündigt, dass sie sich auch den Higgs nähern würden.

Gestern Morgen hatten sie eine weitere Ankündigung zu machen: Sie haben ein neues Boson entdeckt - eines, das sich nach weiteren Untersuchungen als die lang ersehnte Signatur des Higgs-Feldes erweisen könnte.

Die Entdeckung der Higgs wäre der Beginn einer neuen Ära in der Physik. Das Puzzle ist viel größer als nur ein Partikel. Dunkle Materie und dunkle Energie sowie die Möglichkeit der Supersymmetrie werden den Suchenden auch nach Fertigstellung des Standardmodells noch auffordern. Da das Higgs-Feld mit allen anderen Rätseln verbunden ist, können wir sie erst lösen, wenn wir ihre wahre Natur kennen. Ist es das Blau des Meeres oder das Blau des Himmels? Ist es Garten oder Weg oder Gebäude oder Boot? Und wie verbindet es sich wirklich mit dem Rest des Puzzles?

Das Universum wartet.

von Lori Ann White

Neuauflage mit Genehmigung des SLAC National Accelerator Laboratory.