Am 4. Juli war der Jubel groß. In allen Medien war das Thema präsent.
Das lang ersehnte Higgs-Teilchen sei endlich gefunden worden, oder zumindest ein neues Teilchen. Forscher am europäischen Kernforschungszentrums CERN verkündeten die vermeintliche Sensation.

Zuvor waren in sämtlichen Blogs im Internet bereits Gerüchte kursiert, dass an dem besagten Tag die Entdeckung des Higgs-Teilchens verkündet werden würde.

Das Higgs-Teilchen oder Higgs-Boson wurde erstmals 1964 postuliert, wobei das zugehörige Higgs-Feld als maßgeblich dafür angesehen wird, dass alle Teilchen ihre Masse erhalten. Letztlich steht und fällt das Standardmodell der Teilchenphysik mit der Existenz oder Nichtexistenz des Higgs-Bosons.
Daher war es auch von Anfang an eins der primären Ziele der Wissenschaftler am weltgrößten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, einen experimentellen Nachweis für die Existenz des Higgs-Bosons zu finden.

Bei einem Seminar, das am 4. Juli am CERN abgehalten wurde, dem Tag, an dem auch in Melbourne in Australien die diesjährige Internationale Konferenz über Hochenergiephysik ICHEP2012 begann, präsentierten Forscher des ATLAS und des CMS Experiments auf einer Pressekonferenz ihre neuesten Ergebnisse in der Suche nach dem lang ersehnten Higgs-Teilchen.

So erklärte die Sprecherin der ATLAS Kollaboration Fabiola Gianotti.:
“Wir beobachten in unseren Daten deutliche Signale eines neuen Teilchens
im Signifikanzbereich von 5 Sigma in der Masseregion um 126 Gigaelektronenvolt (GeV). …. Aber es ist noch etwas mehr Zeit vonnöten, um die Ergebnisse zur Veröffentlichung vorzubereiten.”

Joe Incandela, der Sprecher des CMS Experiments, äußerte sich ähnlich.:
“Die Ergebnisse sind vorläufig, aber das Signal, das wir bei 5 Sigma um 125 GeV herum beobachten, ist überwältigend. Dabei handelt es sich tatsächlich um ein neues Teilchen.
Wir wissen, dass es ein Boson ist, und es ist das schwerste jemals gefundene Boson.”

Doch was bedeutet es, wenn die Forscher von einem deutlichen Signal bei 5 Sigma sprechen?

In der Wissenschaft ist es üblich, einen Effekt als nachgewiesen zu betrachten, wenn ein bestimmtes Sigma-Niveau (oder “Signifikanz-Niveau”) erreicht ist.

Es geht dabei um die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Besonderheit, die in den Daten auftritt oder die man in seinen Daten zu sehen glaubt, eben nicht auf einen neuen Effekt oder auf das Vorhandensein eines neues Teilchens zurückzuführen ist, sondern lediglich auf statistische Fluktuationen.
Im Fall von 5 Sigma liegt diese Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei dem beobachteten Ergebnis nur um eine statische Fluktuation des Untergrunds handelt, bei nur 0.00006%.

Die ATLAS-Kollaboration formuliert es folgendermaßen.: Eine Signifikanz des Signals bei 5 Sigma bedeutet,
“dass nur ein Experiment in 3 Millionen ein offensichtliches Signal dieser Stärke in einem Universum ohne Higgs sehen würde.”

Auch wenn die Forscher zwar den Nachweis eines Teilchens verkündet haben, so
hielten sie sich dennoch mit der Äußerung noch zurück, dass es sich tatsächlich bei dem neuen Teilchen um das Higgs handelt.
Nach dem Debakel mit den überlichtschnellen Neutrinos, welches sogar zum Rücktritt des Leiters der OPERA-Kollaboration geführt hatte, ist man offenbar etwas vorsichtiger geworden.
So heißt es einhellig, es seien noch weitere Daten und weitergehende Untersuchungen vonnöten, um die Eigenschaften des neuen Teilchens zu bestimmen.
Die Ergebnisse basieren auf Daten, die 2011 und 2012 aufgenommen wurden, wobei die Daten von 2012 noch analysiert werden.

Bis dahin lässt sich die zentrale Botschaft des CERN am 4. Juli nur so beschreiben, dass ETWAS entdeckt wurde. Ob es sich dabei tatsächlich um das lang ersehnte Higgs-Teilchen handelt, steht noch in den Sternen.

Die Erhöhung der Kollisionsenergie führt zu einer Maximierung des Entdeckungspotenzials des LHC, wie es Sergio Bertolucci, CERNs Forschungsdirektor, formuliert. Die Wahrscheinlichkeit, gewisse hypothetische Teilchen nachzuweisen, soll so erhöht werden, die bei den höheren Energien in größerer Vielzahl entstehen könnten.
Sowohl die sog. supersymmetrischen Teilchen (zu jedem Teilchen des Standardmodells existiert laut der Theorie der Supersymmetrie ein supersymmetrisches Partner-Teilchen) könnte dies betreffen, aber auch das lang gesuchte Higgs-Teilchen, über dessen Existenz oder Nichtexistenz man noch in diesem Jahr genaue Aussagen machen will.

Der LHC soll noch bis Ende dieses Jahres laufen, bis er dann schließlich für längere Zeit abgeschaltet wird, um ihn Ende 2014 mit noch höherer Energie pro Teilchenstrahl von 6.5 TeV betreiben zu können und auf seine Maximalmarke von 7 TeV pro Teilchenstrahl hochzufahren.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Seit Sommer letzten Jahres heißt es immer wieder, der Nachweis des Higgs-Teilchens stehe kurz bevor.
Bei der Teilchenphysik-Konferenz, der „Europhysics Conference on High Energy Physics“, Ende Juli 2011 in Grenoble, Frankreich, z. B. wurde dies vollmundig verkündet.
Die Detektoren des LHC am CERN in der Schweiz, des weltgrößten und leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers, und auch des Tevatrons am Fermilab in den USA, des zweitgrößten Teilchenbeschleunigers, der bis Ende September letzten Jahres noch in Betrieb war, hatten ähnliche Hinweise auf das Higgs-Teilchen entdeckt.
Auf einer Konferenz Ende August 2011, dem Lepton Photon Meeting in Mumbai, Indien, wurden dagegen ganz andere Töne laut. Von dort verlautete es, dass das Higgs-Boson vielleicht überhaupt nicht existiert.

Spuren des Higgs

Möchte man dem renommierten britischen Physiker Stephen Hawking Glauben schenken, wird das Higgs-Teilchen tatsächlich niemals gefunden werden. Stephen Hawking hatte vor ein paar Jahren gewettet, dass weder der LHC noch irgendein anderer Teilchenbeschleuniger jemals das Higgs-Teilchen finden werden.
Als er diese für viele Physiker provokante Äußerung kundtat, wurde er belächelt. Hat der renommierte Physiker vielleicht recht?

Die Suche nach dem Higgs geht weiter, aber wahrscheinlich nicht mehr allzu lange!
Wenn sich herausstellen sollte, dass das Higgs-Teilchen nicht existiert, würde dies zu weitreichenden Konsequenzen führen.
Das Standardmodell der Elementarteilchen ist zwar eine sehr erfolgreiche Theorie, würde dann aber nicht als Prototyp für eine umfassendere und vollständigere Theorie der Materie Verwendung finden können.

Eine Nichtexistenz des Higgs-Teilchens würde das Standardmodell als hinreichende Theorie für viele Phänomene ausschließen, z. B. kann ein Standardmodell ohne Higgs nur Gültigkeit für masselose Teilchen haben. Somit wäre etwa die Existenz eines das gesamte Sein durchdringenden Higgs-Feldes ausgeschlossen, was auch weitreichende Konsequenzen für die Kosmologie hätte.

Im Dezember letzten Jahres waren die Ergebnisse der Kollaborationen des ATLAS und des CMS-Detektors, zwei der Detektoren, die Bestandteil des LHC sind und in denen die Elementarteilchen zur Kollision gebracht werden, bei einem Seminar präsentiert worden.
Nun wurden die Ergebnisse zur Veröffentlichung im Journal „Physics Letters B“ eingereicht. Laut dieser soll das Higgs-Boson, sollte es existieren, eine Masse im Bereich von 116 bis 131 GeV gemäß ATLAS-Experiment und 115 bis 127 GeV gemäß CMS-Experiment aufweisen.
Beide Experimente hatten bereits Hinweise auf das Higgs-Teilchen im Massenbereich von 124 bis 126 GeV gefunden, aber diese seien nach Aussage der beteiligten Wissenschaftler noch nicht aussagekräftig genug, um die Entdeckung wirklich dingfest zu machen.

Higgs-Bosonen sind, sollten sie existieren, sehr kurzlebig und können in vielen verschiedenen Weisen wieder zerfallen. Die Entdeckung würde darauf beruhen, dass man die Teilchen beobachtet, in die das Higgs-Teilchen zerfällt, eher als das Higgs-Teilchen selbst.

Auch CERNs Forschungsdirektor Sergio Bertolucci äußerte sich erwartungsvoll für die nahe Zukunft.:
„Unsere Analyse des Standardmodell-Higgs mit Daten, die bisher aufgenommen wurden, lässt uns für das Jahr 2012 in einer sehr spannungsvollen Position zurück. Mit den Daten, die wir dieses Jahr noch aufnehmen werden, werden wir definitiv in der Lage sein, ein Standardmodell-Higgs zu bestätigen oder auszuschließen.“

Dieses Jahr wird es sicherlich spannend werden, so oder so!

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Lesen Sie weitere Artikel über den LHC in der Kategorie Teilchenphysik !

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Lesen Sie weitere Artikel über den LHC in der Kategorie Teilchenphysik !

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Es wird lediglich eine kurze Pause Ende dieses Jahres geben zur technischen Überprüfung. Anfang 2012 geht es dann wieder los, und man wird dann wie auch schon in diesem Jahr gespannt sein dürfen, welche neue Physik der Ausnahmebeschleuniger bescheren wird.

Lesen Sie weitere Artikel über den LHC in der Kategorie Teilchenphysik !

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Dem geheimnisvollen Higgs-Teilchen oder Higgs-Mechanismus, welcher den Teilchen des Standard-Modells seine Masse verleihen soll, sind Physiker auf der ganzen Welt schon lange fieberhaft auf der Spur.
Immer noch hofften die Physiker am Tevatron bei der Suche nach dem Higgs mithalten zu können. Zu verlockend ist nicht nur die Aussicht auf wissenschaftlichen Ruhm, sondern auch auf einen Nobelpreis, der dem- oder denjenigen sicher scheint, die das Higgs-Teilchen entdecken.
Ursprünglich hatte das Fermilab beschlossen, den Tevatron im Herbst dieses Jahres abzuschalten, doch dann hatte das Fermilab doch noch darum gekämpft, die Genehmigung für den Betrieb seines Tevatrons über September 2011 hinaus bis 2014 verlängert zu bekommen.
Doch auf der Suche nach dem Higgs wird der Tevatron Ende dieses Jahres nun doch aussteigen.
Am 10. Januar (siehe auch Nature Beitrag) verkündete das US Department of Energy, dass die Vereinigten Staaten das Tevatron noch dieses Jahr schließen wollen, und zwar Ende 2011.
26 Jahre lang war der Tevatron in Betrieb, der weltgrößte Proton-Antiproton-Beschleuniger, mit seiner Hilfe wurde 1995 das Top-Quark entdeckt, das schwerste unter den Elementarteilchen.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Seit gestern, nur wenige Tage, nachdem die Protonenkollisionen im LHC beendet wurden, kreisen nun Bleiionen (Bleiatome, die ihrer Elektronen beraubt wurden) im Beschleuniger.
Der LHC ist in eine neue Phase eingetreten.
Mit der Umstellung auf Blei wird beabsichtigt, Materie in einem Zustand zu erforschen, wie er in den Anfängen unseres Universums kurz nach dem Urknall vorlag. Ein sog. Quark-Gluon-Plasma soll erzeugt werden, um so einen tieferen Einblick in die starke Wechselwirkung, eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen der Natur, zu erhalten, die die Quarks in Protonen und Neutronen zusammenhält.

Mit Aufnahme der Bleiionenkollisionen am 7. November wurde nun ein nächster Rekord im LHC aufgestellt, ein Temperatur- und Dichterekord.
Die Forscher erzeugten subatomare, zehn Milliarden Grad heiße “Mikro-Feuerbälle”.
Laut David Evans von der Universität Birmingham, der am ALICE-Detektor des LHC arbeitet, habe man hiermit die “höchsten Temperaturen und größten Dichten, die jemals in einem Experiment erreicht worden sind” erzeugt.
Durch den “Mini-Urknall” erhoffen sich die Wissenschaftler Einblicke in die ersten Mikrosekunden nach dem Urknall.
Bei den erreichten Temperaturen schmelzen sogar Protonen und Neutronen, die Bausteine, aus denen Atome zusammengesetzt sind und die wiederum aus Quarks bestehen. Folge ist ein heißes Plasma aus Quarks und Gluonen, ähnlich wie es im Universum kurz nach dem Urknall vorhanden war.

Voraussichtlich bis zum 6. Dezember werden noch Bleikollisionen stattfinden.
Nach einer Wartungspause des LHC sollen dann ab Februar 2011 wieder Protonenexperimente stattfinden.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Kollisionen im CMS-Detektor

Ein großer Tag für die Teilchenphysik. Hiermit beginnt nun das eigentliche Forschungsprogramm am LHC, der seit mehr als 15 Jahren der Traum vieler Physiker ist und bisher weit mehr als 4 Milliarden Euro verschlungen hat.

Die Forscher hatten am Dienstag drei Anläufe gebraucht, bis kurz nach 13 Uhr die lang ersehnte Kollision bei 7 TeV in allen vier Detektoren zustande kam.
Über die folgenden Stunden konnten die beiden Teilchenstrahlen stabil auf ihrer Bahn im 27 km langen Beschleunigerring gehalten werden und immer wieder kollidieren.
Über Live Webcast und auf Twitter konnte man die Ereignisse verfolgen.
Um 6:30 Uhr hieß es auf Twitter:

“Die Experimente haben nun eine halbe Million Ereignisse geliefert! Mehr als drei
Stunden stabile und kollidierende Teilchenstrahlen. WOW!”

Um 6:54 Uhr wurden die Energien schließlich wieder heruntergefahren, und man verabschiedete sich für den Tag.

Kollision im ATLAS-Detektor

Videos zu den Ereignissen am Dienstag, die mit großer Begeisterung und Jubel aufgenommen wurden, und zur Pressekonferenz sind auf der CERN-Webseite zu finden.

Nun sind Tür und Tor geöffnet für neue Physik: die Entdeckung des Higgs-Teilchens etwa, welches allen Teilchen des Standard-Modells seine Masse verleiht und welches schon so lange von Physikern auf der ganzen Welt gesucht wird, oder anderer neuer Teilchen wie den supersymmetrischen Teilchen oder weiterer Raumdimensionen über die uns bekannten drei hinaus. Auch die Bedingungen kurz nach dem Urknall könnten uns bald in ganz neuem Licht erscheinen, ebenso die geheimnisvolle Dunkle Materie, die den Großteil der Materie im Universum ausmacht, deren Ursprung wir aber nicht kennen, ganz zu schweigen von der Suche nach einer großen vereinheitlichten Theorie der Physik.

Doch bevor uns oder vielmehr den Wissenschaftlern die Ergebnisse klar vor Augen liegen, wird noch einige Zeit vergehen, denn zunächst müssen in den nächsten 18-24 Monaten bei der Kollisionsenergie von 7 TeV riesige Mengen Daten aufgenommen werden, und diese zu analysieren und auszuwerten, wird einige Zeit in Anspruch nehmen.

Nach einer Pause im Jahr 2012 wird der LHC dann erst 2013 auf seine höchstmögliche Kollisionsenergie von 14 TeV hochgefahren.
Einige fundamentale Ergebnisse werden so wohl noch eine Weile auf sich warten lassen müssen.

[Blogbeitrag von A. Ewers]