Physiker am Kernforschungszentrum CERN haben eine neue Möglichkeit entdeckt, das Higgs-Teilchen ins Leben zu rufen. Das berühmte Elementarteilchen, für dessen Vorhersage unter anderem der Schotte Peter Higgs 2013 den Physik-Nobelpreis erhielt, entsteht bei der Kollision extrem energiereicher Atomkerne in der 27 Kilometer langen Vakuumröhre des Large Hadron Collider (LHC) unter Genf. Bei diesen Mikrokarambolagen wird gemäß Albert Einsteins berühmter Formel E=mc² Energie in Masse umgewandelt, konkret entsteht ein ganzer Schwall von Partikeln, die meist rasch in andere Teilchen zerfallen.

Bisher konnten die Wissenschaftler drei verschiedene Kaskaden von Elementarteilchen nachweisen, die für kurze Zeit das Higgs-Teilchen hervorbringen. Da ist zum Beispiel jene subatomare Reaktion, bei der sich ein Paar aus einem Top-Quark und seinem Antimaterie-Pendant Energie aus dem Vakuum leiht und sich kurz darauf selbst vernichtet. Die dabei frei werdende Energie ruft regelmäßig ein Higgs auf den Plan, das wiederum eine Zerfallskette anstößt, an deren Ende zwei charakteristische Lichtteilchen stehen. Diese Photonen sind vergleichsweise leicht in den Detektoren des LHC nachweisbar, weshalb dies die Reaktion war, mit der die Physiker das berühmte Teilchen 2012 erstmals nachwiesen.

Here are a bunch of diagrams (complements of ETHZ) describing how #Higgs bosons are produced at the by @LHCproton and friends at #LHC. a-c have already been observed @CMSexperiment (see @1cRebeca's tweets) is claiming observation of d. Congrats to all involved for the hard work! pic.twitter.com/pVGt0Tfroe

Eine vierte Teilchenkaskade

Seitdem konnten die Forscher auch zeigen, dass ebenfalls so genannte W- und Z-Bosonen das Higgs hervorbringen können, und zwar auf zwei verschiedene Arten und Weisen. Nun kommt ein vierter Weg hinzu: Offenbar entsteht das Higgs auch in einer Reaktion, die gleichzeitig zwei eng an das Higgs gekoppelte Top-Quarks freisetzt. Das berichten Forscher des CMS-Detektors zumindest in einem noch nicht von unabhängigen Gutachtern geprüften Online-Aufsatz, für den sie alle seit 2011 vom LHC aufgezeichnenten Daten nach entsprechenden Signaturen durchpflügt haben.

Top-Quarks sind die Schwergewichte im Zoo der Elementarteilchen. Bisher konnten Physiker nur darüber spekulieren, ob sie sich gerne gemeinsam mit dem Higgs-Teilchen zeigen. Aus Sicht der Forscher war das äußerst plausibel, schließlich liegt dem Higgs ein Energiefeld zu Grunde, das anderen Partikeln ihre Ruhemasse gibt. Und Top-Quarks müssten wegen ihres großen Gewichts besonders stark an diesem Feld reiben.

Schlechte Nachrichten für exotische Teilchen

Die jüngste Messung ist somit eine weitere Bestätigung des Standardmodells der Teilchenphysik, das Regelbuch, mit dem die Physiker seit Jahrzehnten die Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen beschreiben. Sie schließt den Forschern zufolge auch eine Lücke für exotischere Phänomene im Mikrokosmos: Bisher habe man nicht ausschließen können, dass bei der 2012 beobachteten Higgs-Reaktion auch bisher unbekannte Partikel eine Rolle spielen.

Diese Unbekannten hätten den Zusammenstoß von Top und Anti-Top verändern können, so die Argumentation der Wissenschaftler, ohne dass man das gemerkt hätte. Da man nun aber erstmals direkt gemessen habe, wie Higgs und Top-Quark aufeinander reagieren, und dies in Einklang ist mit der Vorhersage des Standardmodells, erscheine diese Möglichkeit zunehmend unwahrscheinlich.

Die jüngste Studie ist Teil eines langwierigen Messprogramms, mit dem Physiker die Eigenschaften des Higgs-Teilchens genau bestimmen wollen. Sie hoffen, dabei eine Teilchenkaskade zu finden, die von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht, was ein Hinweis auf Naturgesetze jenseits der etablierten Theorie wäre. Ob der Mikrokosmos solch eine Überraschung bereit hält, ist derzeit allerdings noch völlig offen.