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TEILCHENPHYSIK
Higgs-Teilchen zerfällt in Quarks
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bonn
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3. September 2018

Am Forschungszentrum CERN in Genf ist es nun gelungen, den Zerfall des Higgs-Teilchens in bottom-Quarks zweifelsfrei nachzuweisen. Die beteiligten Forscher sprechen von einem wichtigen Schritt, da dadurch der Higgs-Mechanismus der Massenerzeugung auch für Quarks nachgewiesen wurde, also für die Materie, aus der unsere Umwelt besteht.

Kollision

Kollision zweier Protonen im CERN-Beschleuniger LHC, bei der das Higgs-Boson kurzzeitig erzeugt wird und dann in zwei (bottom) Quarks zerfällt. Bild: CERN [Großansicht]

Das vor einigen Jahren am CERN entdeckte Higgs-Teilchen, manchmal aufgrund seiner Andersartigkeit irreführend "Gottesteilchen" genannt, hält die Grundlagenforscherwelt seitdem in Atem. Von dem Elementarteilchen wird vermutet, dass es eine bedeutende Rolle in der Physik des Allerkleinsten spielt, die auch für den Ablauf der Entstehung des Universums kurz nach dem Urknall entscheidend verantwortlich ist. Dadurch konnte die Welt so entstehen, dass wir in ihr leben können. "Bereits kleine Änderungen der 'Stellschrauben' zu ganz frühen Zeiten würden ein Universum erzeugen, das kein Leben erlaubt", sagt Professor Norbert Wermes vom Physikalischen Institut der Universität Bonn.

Der sogenannte Higgs-Mechanismus soll - so die Theorie - für die Masse der Elementarteilchen verantwortlich sein - und zwar durch Wechselwirkung mit einem Higgs-Feld. Dies kann man sich ähnlich vorstellen, wie ein Mensch, der durch ein Meer aus Honig laufen muss und sich dadurch richtig "schwer" fühlt.  Die Entdeckung des zum Higgs-Feld gehörenden Higgs-Bosons gelang 2012 durch seinen Zerfall in Teilchen, die nur indirekt für den Aufbau unserer materiellen Welt verantwortlich sind. Die kleinsten Bausteine der uns umgebenden Materie (und von uns selbst) heißen Quarks, aus denen Atomkerne und zusammen mit Elektronen schließlich Atome, Moleküle, anorganische und organische Materie aufgebaut sind.

Eine entscheidende Frage bei der Higgs-Entdeckung war daher, ob der Massengebungsmechanismus auch für "unsere" Materie gilt, das heißt auch für Quarks. Nicht verwunderlich ist es, dass die Experimente, die am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Genf durchgeführt wurden, sich das schwerste Quark für ihre Suche aussuchten, in welches das Higgs zerfallen kann: in ein Paar sogenannter bottom-Quarks oder b-Quarks.

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Die Interaktion des schwersten Quarks mit dem Higgs muss laut Theorie stärker als mit den anderen Quarks sein. "Sechs Jahre intensiver Analyse der Messdaten mit immer mehr verfeinerten Computer-Algorithmen hat es gedauert, bis die beiden Experimente ATLAS und CMS den Erfolg ihrer Suche publizieren konnten", so Wermes. Grund für die lange Dauer der Untersuchung ist, dass es hoher Experimentierkunst bedarf, den trotz der Stärke der Higgs-Interaktion immer noch recht seltenen Zerfall des Higgs in zwei b-Quarks zu finden. Er wird nämlich milliardenfach von anderen Reaktionen überdeckt, die sich nur unwesentlich von dem Suchobjekt unterscheiden.

Eine wichtige Voraussetzung für den Nachweis war, dass die b-Quarks eine Billionstel Sekunde lang mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegen, bevor sie selbst auch zerfallen. In dieser Zeit legen sie eine winzige Flugstrecke zurück, wodurch sie sich von den überdeckenden Reaktionen unterscheiden. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet des maschinellen Lernens lieferten schließlich den Durchbruch. An den Analysen war maßgeblich die Arbeitsgruppe um Dr. Tatjana Lenz, Dr. Götz Gaycken und Prof. Wermes vom Physikalischen Institut der Universität Bonn beteiligt.

In den Experimenten ist es gelungen, den Zerfall des Higgs in bottom-Quarks zweifelsfrei nachzuweisen. Das bedeutet: Die Wahrscheinlichkeit, dass die Entdeckung durch eine statistische Fluktuation vorgetäuscht wurde, ist in jedem der beiden Experimente kleiner als eins zu zehn Millionen. "Damit ist gezeigt, dass der Mechanismus der Massenerzeugung mithilfe des Higgs-Teilchens auch für die Massen 'unserer' Materie, das heißt von Quarks, verantwortlich ist – und zwar genau so, wie es die Theorie von Higgs, Brout und Englert vorhersagt, für die es 2013 den Nobelpreis gab", so Wermes.

Die Ergebnisse lassen hoffen, dass noch weitere Eigenschaften des Higgs und seine Rolle bei der Entwicklung des Universums am LHC experimentell geklärt werden können. "Es ist ein großer Erfolg einer langen und intensiven Forschung, die nur mit modernsten Techniken und Methoden möglich war", sagt Wermes. "Ich bin froh, dass es gelungen ist, und sehe den weiteren Experimenten, dieses ominöse Teilchen besser zu verstehen, mit großer Erwartung entgegen."

Über die Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physics Letters B erscheinen soll.

Hinweis: Dieser Beitrag wurde nach Hinweisen in unserem Forum leicht geändert. Originalzitate von Wissenschaftlern wurden dabei nicht verändert.

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siehe auch
Large Hadron Collider: Seltene Reaktion des Higgs-Teilchens entdeckt - 6. Juni 2018
Large Hadron Collider: Zerfällt Higgs-Teilchen in Quarks? - 17. August 2017
Teilchenphysik: Neue Messungen des Higgs-Teilchens - 23. Juni 2014
Teilchenphysik: Physik-Nobelpreis für Englert und Higgs - 8. Oktober 2013
CERN: Higgs-Teilchen am LHC entdeckt? - 4. Juli 2012
CERN: Physiker kreisen Higgs-Teilchen ein - 13. Dezember 2011
CERN: First Beam am Large Hadron Collider - 10. September 2008
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
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