Neues von der Jagd nach dem Higgs-Boson

Neue Ergebnisse der LHC-Experimente ATLAS und CMS

Die Suche nach dem Higgs-Boson - dem letzten bisher unbeobachteten Baustein des sonst so erfolgreichen Standardmodells der Teilchenphysik - ist eine der zentralen Zielsetzungen der Experimente am Large Hadron Collider (LHC) des CERN. Mit dem Ende der Datennahme für 2011 haben die zwei großen LHC-Experimente, ATLAS und CMS, nun einen Datensatz zur Verfügung, der jeweils etwa 500 Billionen Protonenkollisionen entspricht - rund 100 Mal mehr als Ende 2010. Physiker in beiden Kollaborationen arbeiten nun fieberhaft an der Auswertung dieser Daten und der Veröffentlichung der ersten Ergebnisse. In einem Seminar am 13. Dezember 2011 wurde eines der meist erwarteten Resultate, nämlich der neueste Stand der Suche nach dem Higgs-Boson, erstmals öffentlich vorgestellt.

Im so genannten Standardmodell der Teilchenphysik ist das Higgs-Boson für die Erklärung der Massen der schwachen Kraftteilchen Wund Z sowie der Massendifferenzen bestimmter anderer Elementarteilchen nötig; die Stärke seiner Wechselwirkung mit anderen Teilchen steigt mit deren Masse. Dementsprechend können Higgs-Bosonen mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten in Paare von Kraft- bzw. Materieteilchen (Bosonen bzw. Fermionen) zerfallen. Diese Wahrscheinlichkeiten hängen selbst wieder von der Masse des Higgs-Bosons ab. Um Hinweise auf ein Higgs-Boson mit unbekannter Masse zu bekommen, muss daher eine Vielzahl verschiedener Zerfallskanäle untersucht werden. In diesem Seminar sahen auch die Physiker des jeweils anderen Experiments zum ersten Mal die Ergebnisse der Kollegen. Damit soll eine vorzeitige gegenseitige Beeinflussung während der Datenanalyse der beiden Experimente verhindert werden.

Für die im Bild gezeigte maximale mit den Daten verträgliche Produktionsrate eines Higgs-Bosons untersuchte die CMS-Kollaboration fünf verschiedene Zerfallskanäle mit insgesamt 42 verschiedenen Kombinationen von beobachteten Teilchen. Dabei waren auch Beiträge des Instituts für Hochenergiephysik wie z.B. zentrale Elemente des Auswahlsystems, das die Rate von 20 Millionen Ereignissen pro Sekunde auf einige 100 reduziert, von wesentlicher Bedeutung.

Die Darstellung zeigt die obere Grenze der Produktionsrate im Verhältnis zur Vorhersage des Standardmodells. Die CMS-Daten erlauben, Higgs-Bosonen im Massenbereich von 127-600 GeV/c2 auszuschließen. Dies stellt einen substantiellen Fortschritt dar, sogar im Vergleich zu dem kürzlich gezeigten gemeinsamen Resultat der CMS- und ATLAS-Experimente, das auf dem ersten Teil der Daten aus 2011 beruhte. Es verbleibt nur mehr ein sehr kleiner Bereich zwischen der Grenze bei 127 GeV/c2 und den Resultaten von LEP, dem Vorgänger des LHC am CERN, die Higgs-Bosonen mit einer Masse kleiner als 114 GeV/c2 ausschlossen.

Im noch erlaubten Massenbereich bei etwa 120-125 GeV/c2 beobachtete CMS eine interessante Anhäufung von Ereignissen, die mit der Interpretation als Zerfälle von Higgs-Bosonen verträglich sind. Dies drückt sich durch eine Abweichung der beobachteten Kurve vom Ergebnis eines "durchschnittlichen" Experiments aus. Der Überschuss entspricht etwa der Vorhersage des Standardmodells, jedoch ist die Anzahl der beobachteten Ereignisse zu klein, um eine genaue Aussage zu treffen: so kann dieser Überschuss auf statistischen Schwankungen beruhen oder aber auch ein erster Hinweis auf ein Higgs-Boson sein. Von besonderem Interesse ist, dass das zweite große LHC Experiment ATLAS ebenfalls eine unerwartet hohe Anzahl von Kandidaten im selben Massenbereich beobachtet. Bis Ende 2012 erwartet man in beiden Experimenten eine 3- bis 4-fach höhere Datenmenge. Damit sollte die Frage der Existenz oder auch der Nicht-Existenz des Higgs-Bosons endgültig beantwortet werden.


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