TEILCHENPHYSIK
Neue Messungen des Higgs-Teilchens
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Zürich
astronews.com
23. Juni 2014

Durch Auswertung von Daten des CMS-Experiments am Large Hadron Collider des CERN haben Wissenschaftler weitere Hinweise dafür gefunden, dass sich das 2012 entdeckte Teilchen tatsächlich so verhält, wie von der Standardtheorie der Physiker für das Higgs-Teilchen vorausgesagt. Die Forscher konnten nämlich erstmals seinen direkten Zerfall in zwei Fermionen nachweisen.

Simulation des Zerfalls eines Higgs-Teilchens im CMS-Experiment am Large Hadron Collider am CERN in Genf. Bild: CERN

Wissenschaftlern des CMS-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf ist es erstmals gelungen, den direkten Zerfall des Higgs-Teilchens in Fermionen nachzuweisen. Bisher konnte das Higgs-Teilchen erst durch den Zerfall in Bosonen nachgewiesen werden.

"Wir sind damit einen wichtigen Schritt weiter gekommen", erklärt Prof. Vincenzo Chiochia vom Physik-Institut der Universität Zürich, dessen Gruppe an der Auswertung der Daten mitgearbeitet hat. "Wir wissen nun, dass das Higgs-Teilchen sowohl in Bosonen, wie auch in Fermionen zerfallen kann. Damit können wir gewisse Theorien ausschließen, die davon ausgingen, dass das Higgs-Teilchen nur in bestimmte Arten von Teilchen zerfällt."

Die Fermionen bilden als eine Gruppe der Elementarteilchen die Materie, während Bosonen als Träger von Kräften zwischen den Fermionen vermitteln. Gemäß des Standardmodells der Teilchenphysik muss sich die Stärke der Wechselwirkung der Fermionen mit dem Higgs-Feld proportional zu ihrer Masse verhalten. "Diese Voraussage wurde bestätigt", so Chiochia. "Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass sich das 2012 entdeckte Teilchen tatsächlich wie das in der Theorie postulierte Higgs-Teilchen verhält."

Für ihre Studie analysierten die Wissenschaftler die Daten, die von 2011 bis 2012 am Large Hadron Collider gesammelt wurden. Sie kombinierten dabei die Auswertungen zu Zerfällen des Higgs-Teilchens in Bottom-Quarks und in Tau-Leptonen, die beide zur Teilchen-Gruppe der Fermionen gehören.

Die Ergebnisse zeigen, dass es im Masse-Bereich des Higgs-Teilchens von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) zu einer Häufung dieser Zerfälle kommt, und zwar mit einer Signifikanz von 3,8 Sigma. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit, dass die Häufung allein auf Grund zufälliger Hintergrundprozesse zustande kommt, liegt bei etwa eins zu 14.000. In der Teilchenphysik geht man ab einer Signifikanz von fünf Sigma von einer bestätigten Entdeckung aus.

Untersucht wurden drei verschiedene Zerfallsprozesse, wobei in Zürich der Zerfall des Higgs-Teilchens in Taus analysierte. Weil das Higgs-Teilchen extrem kurzlebig ist, kann es nicht direkt, sondern nur durch seine Zerfallsprodukte nachgewiesen werden. Die Bottom-Quarks und Taus haben eine genügend lange Lebensdauer, um im Pixel-Detektor des CMS-Experiments direkt gemessen werden zu können.

Der CMS-Detektor am Large Hadron Collider misst mit sehr hoher Genauigkeit die Energie und den Impuls von Photonen, Elektronen, Myonen und anderen geladenen Partikeln. Innerhalb des 12.500 Tonnen schweren Detektors sind verschiedene Messinstrumente in Lagen angeordnet. Am Bau und Betrieb des CMS-Detektors sind weltweit 179 Institutionen beteiligt.

Die Theorie über das Higgs-Teilchen ist ein zentraler Bestandteil des sogenannten Standardmodells der Teilchenphysiker, das den fundamentalen Aufbau unserer Welt beschreibt. Die Theorie war im vergangenen Jahr mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet worden. Die Entdeckung eines Partikels, bei dem es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um das Higgs-Teilchen handelt, war 2012 am CERN gelungen.

Die Wissenschaftler haben inzwischen die Daten der ersten Betriebsphase des Large Hadron Colliders in Sachen Higgs-Teilchen nahezu vollständig ausgewertet. Sie warten daher gespannt auf die Wiederinbetriebnahme des Beschleunigers für eine weitere dreijährige Experimentierphase. Die Vorbereitungen dafür laufen bereits, mit dem Beginn des Betriebs ist Anfang 2015 zu rechnen.

Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher jetzt in der Wissenschaftszeitschrift Nature Physics.