Der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN ist weltbekannt. 2012 entdeckten Teilchenphysiker/innen dort das lang gesuchte Higgs-Boson. Seither wurden weltweit enorme Anstrengungen unternommen, um Experiment und theoretische Vorhersage mit möglichst hoher Präzision zu vergleichen. Jetzt wurde in der Erforschung des Higgs-Bosons ein weiterer experimenteller Erfolg erzielt: Erstmals wurde die Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit dem Myon nachgewiesen. Die Entdeckung haben die Physiker/innen im Rahmen der ICHEP 2020, der größten Teilchenphysikkonferenz des Jahres, präsentiert.
„Bisher haben wir an der Oberfläche, dem oberen Ende des Spektrums, gekratzt und die Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit den schweren Teilchen der 3. Generation untersucht. Jetzt ist es wichtig, dass wir uns Teilchen mit kleineren Massen ansehen“, erklärt Wolfgang Adam, Teilchenphysiker am Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Im Interview berichtet er, warum das Ergebnis früher als erwartet kam und auf welche Weise das Institut für Hochenergiephysik dafür mitverantwortlich ist, dass diese Ereignisse aufgezeichnet werden konnten.
Was genau wurde bei dieser experimentellen Messung am CERN herausgefunden?
Wolfgang Adam: Seit das Higgs-Teilchen 2012 am Large-Hadron-Collider (LHC) gefunden wurde, haben wir uns im Wesentlichen mit Messungen seiner Zerfälle in schwere Teilchen beschäftigt. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Higgs-Feld und den Teilchen kann die Masse der Teilchen beschrieben werden. Wir wissen, dass diese Wechselwirkung umso stärker ist, je schwerer diese Teilchen sind. Jetzt konnten wir erstmals die Wechselwirkung mit einem Myon nachweisen. Insofern ist das ein großer Durchbruch: Zum ersten Mal haben wir den Zerfall in Teilchen einer anderen „Generation“ von Materieteilchen, mit einer deutlich (mehr als zehnmal) kleineren Masse, beobachtet.
Was bedeutet das?
Adam: Wenn Higgs-Bosonen zerfallen, produzieren sie meistens die schwerstmöglichen Teilchen und weniger oft die leichteren Teilchen. Auf unserem Diagramm kann man sehen, wie stark das Boson mit anderen Teilchen wechselwirkt. Rechts oben sind die schweren Teilchen und dann geht es sozusagen die Leiter hinunter zu den leichten Teilchen. Aber: Um zu überprüfen, ob dieser von der Theorie vorhergesagte Mechanismus konsistent ist, muss er auch für die leichten Teilchen funktionieren – und dafür haben wir jetzt das erste Mal wirklich Anzeichen gesehen.
Wir haben erstmals den Zerfall in Teilchen einer anderen „Generation“ von Materieteilchen, mit einer deutlich kleineren Masse, beobachtet.
Wie wurden diese Messungen gemacht?
Adam: Es gibt verschiedene Arten, wie man Higgs-Bosonen am LHC produzieren kann. Für diese Messung wurden verschiedene Teile verwendet, die jeweils auf gewisse Produktionsprozesse spezialisiert sind. Um Zerfälle des Higgs-Bosons und anderer Teilchen zu unterscheiden, wurden Algorithmen verwendet, die auf künstlicher Intelligenz und neuronalen Netzen beruhen. Denn: Eines der Probleme ist nicht nur, dass die Zerfälle des Higgs-Bosons in zwei Myonen tatsächlich sehr selten – circa im Verhältnis 1:5.000 – auftreten, sondern dass es auch sehr viele andere Quellen für Myonen gibt.
In welcher Weise war das Institut für Hochenergiephysik der ÖAW daran beteiligt?
Adam: Die Messung ist nur möglich, indem man die Energie der Myonen, die aus dem Zerfall der Higgs-Bosonen entstehen, möglichst genau bestimmen kann. Unser Institut leistete dazu mehrere entscheidende Beiträge. Zum einen durch den Spurdetektor, der die Spuren dieser Teilchen mit Silizium-Detektoren – und dadurch die Energie – extrem genau messen kann. Ein Teil dieses Detektors wurde vom Institut für Hochenergiephysik der ÖAW mitentwickelt und gebaut.
Und zum anderen durch ein System, das wir Trigger nennen. Im Experiment entstehen etwa 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde. Wir wollen aber nur die wenigen für uns interessanten Kollisionen herausfiltern. Dieses System ist verantwortlich dafür, dass die wesentlichen Ereignisse aufgezeichnet und später bearbeitet werden können. Dieses System muss Entscheidungen in wenigen millionstel Sekunden treffen. Das Institut für Hochenergiephysik der ÖAW hat hier eine zentrale Verantwortung und hat viele Komponenten entwickelt und betrieben.
Physiker am Institut messen auch eine andere Zerfallsart des Higgs-Bosons, die tau-Leptonen erzeugt – Teilchen, die den Myonen ähnlich, allerdings schwerer sind.
Im Experiment entstehen etwa 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde. Wir wollen aber nur die wenigen für uns interessanten Kollisionen herausfiltern. Das von uns entwickelte System ist verantwortlich dafür, dass die wesentlichen Ereignisse aufgezeichnet und später bearbeitet werden können.
Kam das Ergebnis überraschend?
Adam: Das Ergebnis wurde eigentlich erst später erwartet, weil diese Zerfälle sehr selten vorkommen. Man muss sehr viele Higgs-Bosonen sehen, bis man einige von diesen Zerfällen findet. Dank der hervorragenden Eigenschaften des Detektors und der ständigen Entwicklung der Analysetechniken in Richtung künstliche Intelligenz und neuronale Netze, konnte man die Analyse deutlich verbessern und schon jetzt zu diesem Ergebnis kommen.
Wie ist dieser Schritt einzuordnen?
Adam: Aus Gründen, die wir eigentlich noch nicht genau kennen, ist die Materie in unserem Universum in drei Gruppen geteilt, die wir Generationen nennen. De facto ist alle Materie, die uns hier umgibt, Teil der sogenannten „ersten“ Generation. Dann gibt es zwei schwerere Kopien. Bisher haben wir an der Oberfläche, dem oberen Ende des Spektrums, gekratzt und die Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit den schweren Teilchen der 3. Generation untersucht. Jetzt ist es wichtig, dass wir uns Teilchen mit kleineren Massen ansehen. Anhand des Myons, das Teil der zweiten Generation ist, können wir sehen, ob die Vorhersagen für diese beiden Generationen mit unseren Erwartungen übereinstimmen.
Bisher haben wir die Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit den schweren Teilchen der 3. Generation untersucht. Jetzt ist es wichtig, dass wir uns Teilchen mit kleineren Massen ansehen.
Für das derzeitig gültige theoretische Modell war die Entdeckung des Higgs-Boson ein großer Fortschritt, weil es das letzte fehlende Element war. Seither versuchen wir das Higgs-Boson in allen seinen Eigenschaften so gut wie möglich zu bestimmen. Im Moment sieht so aus, als wäre es kompatibel, also als wäre es genau dieses Boson, das unser Modell vorhergesagt hat. Aber das Interessante ist natürlich, dass es Abweichungen geben könnte, speziell bei sehr seltenen Prozessen. Mit Messungen, die immer präziser und präziser werden, können wir diese Vorhersagen genauer überprüfen. Die Messung des Zerfalls in leichtere Teilchen ist ein wesentlicher Schritt dafür.