Ein neues Teilchen wurde entdeckt – Wahrscheinlich ist es das Higgs-Boson

 

 

Die lange und komplizierte Reise zur Entdeckung des Higgs-Teilchens, die vor etwa 25 Jahren begann, hat vielleicht endlich ihr Ziel erreicht. Dies haben Wissenschaftler des LHC-Teilchenbeschleunigers im Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik im CERN bei Genf heute mitgeteilt.

 

Das Higgs-Boson ist der letzte Baustein, der im „Standardmodell“, welches die Struktur der Masse im Universum beschreibt, noch fehlte. Das Higgs-Boson kombiniert zwei Kräfte der Natur und zeigt, dass sie eigentlich unterschiedliche Aspekte einer noch fundamentaleren Kraft sind. Das Teilchen ist auch für die Existenz der Masse in den Elementarteilchen verantwortlich.

 

Wissenschaftler des Weizmann Instituts waren von Anfang an prominent an dieser Forschungsstudie beteiligt. Über mehrere Jahre war Prof. Giora Mikenberg Leiter der Forschungsgruppe, die im OPAL-Experiment des CERN nach dem Higgs-Boson suchte. Er leitete damals das ATLAS-Muon-Projekt, eines von zwei Experimenten, das schließlich das Teilchen enthüllte. Prof. Ehud Duchovni leitet das Team am Weizmann Institut, das andere Kernfragen an der Großforschungseinrichtung CERN untersucht. Prof. Eilam Gross ist derzeit Leiter der ATLAS-Higgs-Physik-Gruppe. Im Weizmann-Team sind drei Wissenschaftlergenerationen vertreten: Mikenberg war Duchovnis Doktorvater, der wiederum der Doktorvater von Gross war.

 

Gross: „Dies ist für mich der größte Tag in meinem Leben. Ich habe das Higgs gesucht, seit ich in den 80er Jahren Student war. Selbst jetzt nach 25 Jahren war es dann aber doch eine Überraschung. Egal wie man das jetzt beschreiben will, auf jeden Fall suchen wir jetzt nicht mehr das Higgs, sondern messen seine Eigenschaften. Obwohl ich daran geglaubt habe, dass es gefunden wird, habe ich nicht im Traum daran gedacht, dass es geschieht, während ich eine so führende Rolle in diesem globalen Forschungsteam inne habe.“

 

Die meisten von uns erleben die Welt als einen vielfältigen und komplexen Ort. Aber die Physiker unter uns geben sich mit der visuellen Realität nicht zufrieden. Sie streben danach, der Bedeutung dieser Realität auf den Grund zu gehen und herauszufinden, ob sie, wie sie meinen, auf einer durch das frühe Universum dargestellten absoluten Einfachheit basiert.. Sie wollen eine Vielfalt von Teilchen beobachten, die unterschiedliche „Ensembles“ weniger Elementarteilchen sind. Die Wissenschaftler hoffen, eine Vereinigung der vier fundamentalen Kräfte der Natur zu sehen, die auf diese Teilchen einwirken (die schwache Kraft verantwortlich für Radioaktivität, die elektromagnetische Kraft, die starke Kraft verantwortlich für die Existenz von Protonen und Neutronen und die Gravitation).

 

Der erste Schritt im Bestreben diese Kräfte zu vereinigen, wurde mit der so gut wie eindeutigen Entdeckung des Higgs-Teilchens abgeschlossen: Die Vereinigung von zwei Kräften – die elektromagnetische und die schwache Kraft, aus der eine elektroschwache Kraft entstand.

 

Ein Aspekt des Higgs-Bosons, das nach dem schottischen Physiker Peter Higgs benannt ist, manifestiert sich in der Verteilung von Masse an die Träger der schwachen Kraft – die „W“- und „Z“-Teilchen. (Der Träger der elektromagnetischen Kraft, das Photon, bleibt masselos.)

 

Die größte Maschine der Welt

Bei den Bemühungen, das Higgs-Boson zu entdecken, die fundamentalen Kräfte zu vereinen und die Herkunft der Masse im Universum zu verstehen, haben die Wissenschaftler die größte Maschine der Welt gebaut: einen Teilchenbeschleuniger, der sich in einem 27-km-langen Kreistunnel befindet, 100 Meter unter der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz, im Europäischen Kernforschungszentrum CERN in der Nähe von Genf.

 

In diesem Beschleuniger, genannt LHC (Large Hadron Collider) werden Protonen mit einer Geschwindigkeit von 99.999998% der Geschwindigkeit des Lichts beschleunigt. Auf der Grundlage der Relativitätstheorie wird damit ihre Masse um 7,500 Mal ihrer normalen ruhenden Masse gesteigert. Der Beschleuniger zielt seine Strahlen direkt aufeinander ab, wodurch Kollisionen bewirkt werden, die soviel Energie erzeugen, dass die Protonen dabei explodieren. In dem Teilchenbeschleuniger lassen sich Bedingungen erzeugen, die denen der ersten Sekunden nach dem Urknall im Universum ähneln.

 

Dabei werden Teilchen mit Masse in Energie umgewandelt, entsprechend der berühmten Gleichung von Albert Einstein, welche die Umwandlung von Masse in Energie beschreibt: E=mc². Die Energie breitet sich dann durch den Raum aus und das System kühlt sich ab. (Ähnliches ereignete sich in der frühen Evolution des Universums.) Dadurch verwandelt sich die Energie wieder zurück in Teilchen mit Masse und der Ablauf wird wiederholt solange bis Teilchen entstehen, die in Realität so vorkommen, wie wir sie kennen.

 

Die Kollisionen produzieren energiegeladene Teilchen, von denen einige nur sehr kurze Zeit existieren. Der einzige Weg um ihre Existenz genau zu erkennen, führt über die Identifzierung der von ihnen hinterlassenen Spuren. Für diesen Zweck werden diverse Teilchendetektoren entwickelt, von denen jeder darauf optimiert wird, bestimmte Arten von Teilchen zu erfassen.

 

Statistik

Die Wahrscheinlichkeit, ein Higgs-Boson in nur einer Kollision zu schaffen, kommt einem zufälligen Versuch gleich, eine spezifische lebende Zelle aus dem Blatt einer Pflanze aus allen auf der Erde wachsenden Pflanzen zu extrahieren. Um die Aufgabe zu bewerkstelligen, haben Wissenschaftler des Weizmann Instituts unter Leitung von Prof. Mikenberg einzigartige Teilchendetektoren entwickelt, die am Weizmann Institut, in Japan und in China gebaut wurden. Die Detektoren wurden angepaßt, um die Muon-Teilchen zu entdecken. Die Entdeckung solcher Muone liefert den Beweis für die Existenz des Higgs-Teilchens.

 

Die Wissenschaftler analysierten Daten von tausend Billionen Proton-Kollisionen, in denen Higgs-Bosone und noch viele andere Teilchen entstehen. Die mögliche Existenz von Higgs-Teilchen läßt sich bei der Suche nach Anomalien in den gesammelten Daten finden (im Vergleich mit erwarteten Daten, falls ein solches Teilchen nicht existiert). Diese Suche konzentriert sich auf die geschätzte Masse des Teilchens: 126 Billionen Elektronenvolt (Gev). Sobald es die Wissenschaftler schaffen, solche Anomalien zu finden, müssen sie sogleich die Möglichkeit ausschließen, dass dies mit statistischen Schwankungen zusammenhängt.

 

Die Berechnungen, welche die Wissenschaftler in den letzten Wochen durchführten und in denen Prof. Gross eine wichtige Rolle spielte, haben mit einem hohen Grad an statistischer Signifikanz ein neues Teilchen mit einer Masse enthüllt, die der zu erwartenden Masse des Higgs-Teilchens entspricht. Man drückt sich hierzu absichtlich äußerst vorsichtig aus, um der Möglichkeit Raum zu lassen, dass es sich doch um ein anderes neues Teilchen und nicht um Higgs handelt. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich aber wirklich um ein neues Teilchen handelt, scheint sehr gering. (Falls es aber doch wirklich ein anderes Teilchen sein sollte, meinen einige Physiker, werde es erst "richtig interessant".)

 

CERN

CERN-Wissenschaftler haben die Computersprache und grundlegende Konzepte erfunden und entwickelt, die später als Grundlage für die Entstehung des Internets dienten. Eigentlich wurde die erste Dateneingabeeinheit des "World Wide Web" im CERN eingesetzt, damit alle Wissenschaftler überall auf der Welt, die an lokal durchgeführten Experimenten arbeiteten, miteinander kommunizieren können. Die Organisation diente auch als Modell für die Errichtung der Europäischen Union und der Einfluss auf Europas Technologie und Wirtschaft läßt sich mit dem amerikanischen Weltraumforschungsprogramm vergleichen.

 

Der große Hadronen-Speicherring (LHC) basiert auf supraleitenden Magneten, die bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten: weniger als zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 271° Celsius). Er kreiert etwa eine Milliarde Teilchenkollisionen pro Sekunde: Wenn es Menschen wären, wäre es so, als würde jede einzelne Person auf dem Planeten alle sechs Sekunden mit jedem einzelnen der sechs Milliarden Menschen auf der Erde zusammen treffen. Die Berechnung und Analyse der Daten dieser Kollisionen ist wie wenn man verstehen möchte, was alle Einwohner der Welt sagen, während jeder von ihnen gleichzeitig zwanzig Telefonate führt.

 

Dieses experimentelle System schließt die größten supraleitenden Elektromagneten ein, die in Zusammenarbeit mit israelischen Firmen gebaut wurden. Das gesamte Gerät schließt 10,000 Strahlendetektoren ein, die in Millimeterabständen voneinander angeordnet sind, hat ein Volumen von 25,000 Kubikmetern und ist mit einer halben Million elektronischen Kanälen ausgestattet. Die meisten Muon-Strahlendetektoren wurden aus in Israel hergestellten Teilen hergestellt. Ein einzigartiges Lasersystem verfolgt die genaue Position der Detektoren mit der Genauigkeit von 25 Mikrometern (halb so dick wie ein menschliches Haar).

 

 

Prof. Ehud Duchovnis Forschungsarbeit wird finanziert von den Freunden des Weizmann Instituts in Gedenken an Richard Kronstein, dem Nella and Leon Benoziyo Center for High Energy Physics und dem Yeda-Sela Center for Basic Research. 

Prof. Duchovni hält den Professor-Wolfgang-Gentner-Lehrstuhl in Atomphysik inne.

Prof. Eilam Gross´ Forschungsarbeit wird finanziert von den Freunden des Weizmann Instituts in Gedenken an Richard Kronstein.

Prof. Giora Mikenbergs Forschungsarbeit wird finanziert von dem Nella and Leon Benoziyo Center for High Energy Physics, das er selbst leitet.
Prof. Mikenberg hält den Lady-Davis-Lehrstuhl für Experimentelle Physik inne.

Die folgenden Personen waren an der Finanzierung des Mexico Building Laboratory for Development & Construction des Teilchenbeschleunigers beteiligt: Lazaro Becker, Mauricio Gerson, Abraham und Rebeca Itzkovich, Armando und Maria Jinich, Abraham und Elena Kahn, Robert Kazdan, Benito Lasky, Ramon und Rebecca Marcos, Stella und Rafael Rayek, die bereits verstorbenen Leon Schidlow und Lily Schidlow und Luis und Miriam Stillmann.