Higgs und das Ende der Welt

„Ich denke, wir haben es”, freute sich Rolf-Dieter Heuer, nachdem die Sprecher der ATLAS- und CMS-Forschergruppen ihre Messergebnisse verkündet hatten. Mit „es” meinte der Generaldirektor des Forschungszentrums CERN das bereits 1964 prognostizierte Higgs-Boson. Es ist das Quant des Higgs-Felds, das vielen Elementarteilchen Masse verleiht, und der letzte noch fehlende Baustein des Standardmodells der Materie. Und dieses Teilchen meinen die Physiker entdeckt zu haben (bild der wissenschaft 11/2012, „Higgs Higgs Hurra”). Doch Heuer war vorsichtig genug, seine Begeisterung lediglich als persönliche Meinung zum Ausdruck zu bringen. Denn ein wissenschaftlich akzeptabler Higgs-Nachweis bedeutete die Entdeckung noch nicht. Daraufhin sprachen die Forscher nur von einem „Higgs-ähnlichen Teilchen”.

Das war am 4. Juli 2012. Seither haben die beiden haushohen Detektoren ATLAS und CMS der größten und komplexesten Maschine der Welt – des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN bei Genf – mehr als das 2,5-Fache an Daten gewonnen. Die Physiker konnten damit ihre Analysen verfeinern und ihre Resultate auf eine präzisere und statistisch besser abgesicherte Basis stellen.

Weitere Auswertungen wurden am 14. November 2012 auf dem Hadron Collider Physics Symposium im japanischen Kyoto vorgestellt, am 13. Dezember auf einer Sitzung des CERN Council in Genf, des höchsten CERN-Gremiums, und zuletzt im März 2013 sowohl auf der jährlichen Moriond-Konferenz im italienischen La Thuile als auch auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Dresden. Dort, im größten Hörsaal der Elbestadt, ließ es sich Rolf Heuer nicht nehmen, persönlich den neuesten Forschungsstand zusammenzufassen. Und dann wagte er eine klare Aussage: „Einer muss den Kopf rausstrecken: Ich schlage vor, das ,Higgs-ähnlich‘ ab jetzt zu streichen. Wir haben ein Higgs-Teilchen entdeckt. Ob es das Higgs-Teilchen ist, müssen weitere Forschungen zeigen.”

Diese Unterscheidung ist keineswegs Pedanterie. Denn von den Details hängt nichts weniger ab als Gedeih und Verderb des Standardmodells der Elementarteilchen. Diese bislang glänzend bestätigte Theorie beschreibt alle bekannten Fermionen und Bosonen – also Teilchen mit halb- und ganzzahligem Spin, das heißt einem „inneren” quantenmechanischen Drehimpuls. Die Materie wird von Fermionen gebildet. Das sind einerseits die Quarks, aus denen etwa Proton und Neutron bestehen, die Bausteine der Atomkerne, und andererseits die Leptonen: das Elektron und seine schweren Geschwister Myon und Tauon sowie ihre Vettern, die fast masselosen und lichtschnellen Neutrinos. Die sogenannten Eichbosonen übertragen die Naturkräfte – die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung. Mit dem vom britischen Physiker Peter Higgs prognostizierten Higgs- Boson, das kein Eichboson ist, wäre das Standardmodell komplett.

Diesem zufolge gibt es genau ein Higgs-Boson. Seine Eigenschaften sind exakt spezifiziert. Oft scherzten Physiker daher, dass sie alles über das Higgs-Teilchen wüssten – nur nicht, ob es existiert. Und das war kaum übertrieben, denn das Standardmodell legt tatsächlich bloß eine einzige Größe nicht fest: die Masse des Bosons. Sie lässt sich nicht voraussagen, sondern muss gemessen werden.

Bestätigung mit Bravour

ATLAS und CMS haben mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit ein neues Teilchen entdeckt – ein statistischer Fehler oder Zufall wäre so selten wie 42 Würfe einer Münze, die nacheinander stets die Zahl zeigen.

Das neue Boson besitzt eine Masse von rund 126 Gigaelektronenvolt. Das entspricht etwa der von 135 Protonen oder der eines Iod-Atoms. Ob es das Standard-Higgs ist, hängt allerdings von weiteren Eigenschaften ab. Und deren neue Messungen sowohl von ATLAS als auch unabhängig von CMS haben die Higgs-Hypothese nun signifikant gestärkt.

· Das Boson besitzt sehr wahrscheinlich den Spin 0, also keinen quantenmechanischen Eigendrehimpuls, im Gegensatz zum Spin 1 der Eichbosonen. Daraus folgt, dass das Higgs-Feld keine Richtung haben kann – also ein Skalarfeld ist und kein Vektorfeld wie etwa das elektromagnetische Feld. Genau das sagt das Standardmodell voraus.

· Das Boson hat wohl eine positive Parität. Das heißt, seine Erzeugung und Zerfälle sehen gleich aus, egal ob sie direkt oder in einem hypothetischen Spiegel betrachten werden. Das ist für die meisten bekannten Teilchen der Fall.

· Das Boson tritt umso stärker mit anderen Partikeln in Wechselwirkung, desto größer deren Masse ist.

· Und schließlich stimmen die Art und Häufigkeit seiner Zerfälle mit den Voraussagen des Standardmodells überein (siehe Grafik auf Seite 50, „Signalstärken im Überblick”).

BOMBENFESTE ERGEBNISSE

„Ich denke, die Resultate sind jetzt bombenfest. Meinem Gefühl nach ist es das Standard-Higgs”, meint CMS-Mitglied Thomas Müller. Der Leiter des Instituts für Experimentelle Kernphysik am Karlsruher Institut für Technologie hielt wie Heuer in Dresden einen Higgs-Übersichtsvortrag. „Das letzte Wort ist allerdings noch nicht gesprochen. In den nächsten Monaten wird es weitere Analysen geben. Spätestens Ende des Jahres dürften wir ein klareres Bild haben. Dann werden wir auch die ATLAS- und CMS-Daten kombinieren und gemeinsam einen Wert für die Higgs-Masse publizieren.”

Freilich lassen sich Spin und Parität nicht direkt messen, sondern müssen aus vielen Daten mühsam rekonstruiert werden. Alle Kombinationen sind aber unwahrscheinlicher als diejenige des Standard-Higgs. Spin 0 stimmt also am besten mit den Daten überein. Spin 1 ist fast völlig aus dem Rennen – und Spin 2 für die einfachsten Fälle inzwischen auch. „Kompliziertere Kopplungen sind noch nicht komplett ausgeschlossen, da es hier mehr Freiheitsgrade gibt. Aber mit sehr vielen Freiheitsgraden kann man ohnehin fast alles an die Daten anpassen – auch einen Elefanten”, scherzt Sandra Kortner vom Max-Planck-Institut für Physik in München. „Ich denke schon, dass wir das Standard-Higgs-Boson gefunden haben.”

Noch stimmen die ATLAS- und CMS-Daten nicht exakt überein – doch das ist auch nicht unbedingt zu erwarten, zumal alle Messungen im Rahmen der statistischen und systematischen Unsicherheiten zum Standardmodell passen. „Allerdings sind weitere Tests und genauere Analysen nötig. Und daran arbeiten wir” , sagt Sandra Kortner, die letztes Jahr die Higgs-Analysen im ATLAS-Team mitkoordiniert hatte.

zwei unterschiedliche Massen

Kopfzerbrechen macht den ATLAS- Forschern zum Beispiel, dass die Zerfälle in zwei Photonen beziehungsweise in vier Leptonen auf zwei leicht unterschiedliche Massen für das Higgs- Teilchen schließen lassen. Außerdem wurden mehr Zerfälle in zwei Photonen gemessen als erwartet. Manche Physiker hofften bereits auf Abweichungen vom Standardmodell. Aber das war vorschnell.

„Wir haben viele Untersuchungen gemacht und keinen Grund dafür gefunden, dass irgendwo eine systematische Fehlerquelle steckt.” Sandra Kortner ist nachdenklich: „Ob es sich um eine statistische Fluktuation handelt oder um einen physikalischen Effekt, lässt sich bislang nicht sicher sagen.” Eine zufällige Fluktuation erscheint plausibler, da die jüngsten ATLAS-Messungen einen geringeren Photonen-Überschuss fanden und die letzten CMS-Daten im Gegensatz zu früheren gar keinen mehr.

Inzwischen hat die CMS-Kollaboration auch ein deutliches Signal von Higgs-Zerfällen zu Tauonen gefunden. (ATLAS zwar noch nicht, aber das liegt daran, dass hier bislang nicht der gesamte Datensatz analysiert wurde.) „Das ist wohl das wichtigste Resultat der letzten Monate”, sagt Thomas Müller. „Denn es zeigt auf direkte Weise, dass das Higgs-Boson auch an Fermionen koppelt, nicht nur an W- und Z- Teilchen, für die der Higgs-Mechanismus ursprünglich formuliert wurde.”

Würde das Higgs-Feld nicht mit Fermionen interagieren, hätten diese dadurch keine träge Masse, sondern das wäre nur bei den W- und Z-Bosonen der Fall. Dann wäre zwar die schwache Wechselwirkung erklärt, doch das Standardmodell der Elementarteilchen bliebe trotzdem unvollständig, und der Higgs-Mechanismus wäre nicht wirklich verstanden. Erst die fermionische Higgs-Wechselwirkung, nach dem japanischen Physik-Nobelpreisträger Hideki Yukawa als Yukawa-Kopplung bezeichnet, ermöglicht die Existenz von Atomen.

Zu neuen Ufern

Trotz aller Erfolge: Das Standardmodell kann nicht das letzte Wort in der Elementarteilchenphysik sein. Zwar gibt es bislang keine experimentellen Daten, die ihm widersprechen. Doch es erscheint mit seinen vielen Partikeln als zu kompliziert für eine fundamentale Theorie, es enthält zahlreiche unerklärte Größen (Parameter), und es kann auch die Schwerkraft nicht beschreiben. Daher suchen Physiker nach einer umfassenderen und grundlegenderen Theorie – und hoffen, mit dem LHC einen ersten Zipfel von ihr zu fassen zu bekommen.

Ein Wegweiser dorthin ist das Higgs-Boson. Wenn es auch nur eine Eigenschaft hat, die dem Standard-Higgs widerspricht, oder wenn am LHC noch ein zweites Higgs mit einer anderen Masse auftauchen sollte, dann wäre das eine wissenschaftliche Revolution. Denn dann hätten die Forscher zum ersten Mal eine „ neue Physik” jenseits des Standardmodells entdeckt. Vielleicht bringt das Higgs-Boson diese Wende.

Einen wichtigen Schritt vorwärts haben die Higgs-Daten bereits ermöglicht – auch wenn dieser nicht zu einer neuen Physik geführt hat, sondern im Gegenteil: Mit der nun bestimmten Higgs-Masse lässt sich das Standardmodell auf seine innere Konsistenz hin testen. Da die verschiedenen Parameter in einer mathematischen Beziehung zueinander stehen, ist nicht jede denkbare Kombination „ erlaubt”. Doch eine Higgs-Masse von rund 126 Gigaelektronenvolt passt gut zu den bereits etablierten Daten, insbesondere zu den Massen des W-Bosons und des top-Quarks. Das berichtete Roman Kogler von der Universität Hamburg nach aufwendigen Analysen der Gfitter-Gruppe, eines Zusammenschlusses spezialisierter Theoretischer und Experimentalphysiker.

KEine vierte generation

Mehr noch: Die Higgs-Daten können die Frage beantworten, ob es neben den bekannten drei Generationen von Quarks und Leptonen noch eine vierte Generation gibt. Das ist im Standardmodell nicht von vornherein ausgeschlossen. Tatsächlich enthielt dessen erste Version von 1964 nicht sechs verschiedene Quarks und Antiquarks wie heute, sondern nur drei (up, down und strange genannt). Mit der Entdeckung neuer Partikel in den Teilchenbeschleuniger-Experimenten musste das Modell in den 1970er-Jahren ergänzt werden.

Ein weiterer solcher Schritt ist durchaus denkbar – wobei die Quarks der vierten Generation extrem schwer und kurzlebig sein müssten. Doch sie könnten sich im Bereich der LHC-Energien befinden. Allerdings haben die Messdaten und deren Analysen bereits Teilchen von bis zu 400 Gigaelektronenvolt ausgeschlossen – und für manche Parameter sogar bis zu 600 Gigaelektronenvolt.

Es scheint auch keine weiteren Partikel zu geben. Das zeigten Berechnungen einer Gruppe von Theoretikern um Ulrich Nierste vom Karlsruher Institut für Technologie. „Allein in den letzten zehn Jahren sind über 500 Publikationen zu einer möglichen vierten Quark-Generation erschienen”, resümierte Nierste im März auf der Tagung in Dresden. Doch nach seinen Rechnungen lässt eine kombinierte Analyse der Präzisionsdaten zur elektroschwachen Wechselwirkung und der Higgs-Signalstärken, wie am LHC und Tevatron gemessen, keinen Platz für die Existenz einer vierten Generation. „Wir können diese mit großer Wahrscheinlichkeit ausschließen, genauer: mit 5,3 Sigma”, sagt Nierste. Das entspricht einem statistischen Fehler von 1 zu 10 Millionen. Bleiben die nicht sehr genauen Tevatron-Daten zum Higgs-Zerfall in bottom-Quarks und -Antiquarks unberücksichtigt, beträgt die Wahrscheinlichkeit immer noch 4,8 Sigma – also rund 1 zu 500 000.

„Je schwerer ein Teilchen ist, desto stärker koppelt es an das Higgs-Feld, das für die Massenerzeugung verantwortlich ist. Da bislang unentdeckte schwere Teilchen durch Quanteneffekte zu den am LHC registrierten Higgs-Zerfällen in bekannte Teilchen beitragen würden, hätte eine schwerere vierte Fermionen-Generation die gemessenen Signalstärken verändert”, erklärt Nierste die Argumentation. „Das um eine vierte Generation erweiterte Standardmodell ist das erste populäre Modell einer neuen Physik, das mit dem LHC nun ausgeschlossen werden konnte”, fassen die Forscher ihre Erkenntnisse in der Zeitschrift Physical Review Letters zusammen.

Anzeichen der Apokalypse?

Doch es gibt auch beunruhigende Neuigkeiten: Die Masse des mutmaßlichen Standard-Higgs könnte eine verheerende Konsequenz haben. Sie kündigt womöglich den Untergang des uns vertrauten Universums an – falls keine bislang unbekannten physikalischen Effekte das verhindern.

Solche apokalyptischen Spekulationen gibt es schon länger. Aber die Higgs-Masse und die bislang genauesten Berechnungen des Higgs-Potenzials haben die düsteren Vorahnungen nun bestätigt. Diese Rechnungen wurden von Alessandro Strumia, Universität Pisa, und mehreren Kollegen ausgeführt beziehungsweise kombiniert. Ergebnis: Eine Higgs-Masse von 126 Gigaelektronenvolt und eine Masse des top-Quarks von etwa 175 Gigaelektronenvolt bedeuten, dass der Vakuumzustand unseres Universums auf einem schmalen Grad der Metastabilität balanciert (siehe Grafik auf Seite 52, „Am Rand der Vernichtung”).

Wäre die Higgs-Masse etwas größer (oder die Masse des top-Quarks etwas kleiner), dann würde das Vakuum nicht zerfallen. Wäre es umgekehrt, dann wäre das Universum vollkommen lebensfeindlich und strukturlos. „Und hätte das Higgs-Teilchen eine Masse von mehr als etwa 150 Gigaelektronenvolt, würde es so stark mit sich selbst wechselwirken, dass niemand berechnen kann, was dann geschieht”, sagt Strumia. „Manche Physiker denken sogar, dass die Theorie in diesem Bereich inkonsistent ist.” Vielleicht können solche Universen nicht einmal existieren.

Die faktische Higgs-Masse dient also im Rahmen des Standardmodells gewissermaßen als Indikator eines fernen Weltendes, weil der gegenwärtige Grundzustand des Alls nicht der energieärmste ist. Somit muss er in einem Phasenübergang zerfallen und enorme Energie freisetzen. Das kann im Prinzip jederzeit irgendwo geschehen. Dann würde sich eine lichtschnelle Woge der Vernichtung in alle Richtungen ausbreiten. Alle bestehenden Strukturen würden verschwinden, und selbst die Naturkonstanten hätten andere Werte.

Bis dahin dauert es aber noch lange – vielleicht 10100 Jahre, schätzen Strumia und seine Kollegen. Dann wären ohnehin alle Sterne erloschen und sogar die Schwarzen Löcher durch Quanteneffekte zerstrahlt. Zum Vergleich: Der Urknall ereignete sich vor 13,8 Milliarden Jahren, gegenwärtig ist das Universum also „nur” gut 1010 Jahre alt. Die geschätzte Vakuum-Halbwertszeit von 10100 Jahren ist allerdings ein statistischer Wert – und so lässt es sich nicht ausschließen, dass der Phasenübergang doch schon irgendwo begonnen hat und das Sonnensystem bald ohne jede Vorwarnung erreicht.

„Die gemessene Higgs-Masse ist etwas Besonderes, weil sie so dicht an der Grenze zwischen Stabilität und Metastabilität liegt” , meint Strumia. „Vielleicht hat das einen speziellen Grund. Es gibt viele komplexe Systeme, die sich auf ihre Instabilitätsgrenze hin entwickeln, etwa Sandhaufen oder Finanzmärkte. Möglicherweise verhalten sich die Higgs-Masse und -Wechselwirkung ähnlich – dann wären sie keine Naturkonstanten. Aber das ist nur eine vage und verrückte Idee.”

Fest steht: Über die Metastabilität des Vakuums werden sich noch viele Forscher den Kopf zerbrechen. „Unsere Voraussage lautet: Wenn man das Standardmodell zu höheren Energien extrapoliert, wo es noch nicht getestet wurde, ist das Vakuum nicht völlig stabil”, fasst Strumia zusammen. „Aber niemand weiß, was das bedeutet. Vielleicht ist unsere heutige Theorie einfach noch nicht vollständig.”

Stabilität durch SUSY

Was im Standardmodell als langfristiges Todesurteil für unser Universum erscheint, kann umgekehrt aber auch als Hinweis auf eine neue Physik jenseits dieses Modells interpretiert werden. Physiker argumentieren daher schon seit den 1970er-Jahren für eine Erweiterung des Standardmodells. Dem Szenario der Supersymmetrie (SUSY) zufolge existiert eine tiefe Verwandtschaft zwischen den Materie-Teilchen und den Kraftüberträgern. Das würde mit einem ganzen Bataillon neuer Teilchen einhergehen (bild der wissenschaft 11/2012, „SUSY, Strings und Saurier”).

Diese supersymmetrischen Partikel, Sfermionen und Bosinos genannt, wären nicht nur eine mögliche Erklärung für die ominöse Dunkle Materie im All. Die macht sich durch ihre Schwerkraft bemerkbar, leuchtet aber nicht, und ihre Masse übersteigt die der uns vertrauten Materie um fast das Sechsfache (bild der wissenschaft 12/2011, „Dunkle Materie”). Die SUSY-Teilchen würden das Higgs-Potenzial stabilisieren. Stimmt das, wäre das Universum doch nicht dem Untergang geweiht.

Wenn ein SUSY-Modell die Natur richtig beschreibt, gibt es allerdings nicht nur ein einziges Higgs-Teilchen, sondern mindestens fünf. Das leichteste würde dem Standard-Higgs ähneln – hätte beispielsweise ebenfalls den Spin 0 und eine positive Parität –, aber ein etwas anderes Zerfallsverhalten. Auch deshalb ist es wichtig, die Eigenschaften des neuen Bosons genau zu untersuchen – denn es könnte ein SUSY-Higgs sein. Und das ist der Grund, warum Rolf Heuer auf der Unterscheidung zwischen „einem” und „dem” Higgs-Teilchen beharrt.

Außerdem könnte sich SUSY indirekt zeigen: Aus den Protonen-Kollisionen im LHC entstehen vielleicht supersymmetrische Partikel. Beispiele sind Stop- oder Stau-Teilchen, die SUSY-Pendants von top-Quarks und Tauonen. Danach suchen Physiker fieberhaft. „Manche dachten, sie würden SUSY-Indizien noch vor dem Higgs-Boson finden”, sagt Rolf Heuer. „ Doch so einfach hat es uns die Natur nicht gemacht.” Tatsächlich konnten die LHC-Daten bereits viele der simpelsten SUSY-Modelle ausschließen, die nur wenige freie Parameter besitzen und daher relativ leicht überprüfbar sind. So scheint es keine SUSY-Teilchen unterhalb einer Masse von einem Teraelektronenvolt zu geben.

„Allerdings ist noch viel Spielraum für SUSY”, betont John Ellis vom CERN. Seine Abschätzungen mithilfe der Higgs-Boson-Masse deuten auf Supersymmetrie bei einer relativ niedrigen Energieskala hin – sie wäre dann noch in Reichweite des LHC. Weitere supersymmetrische Higgs-Teilchen müssten auch innerhalb der Teraelektronenvolt-Grenze existieren. „Danach suchen wir bereits”, sagt Thomas Müller. „Für einen Doppelgänger des aufgespürten Higgs-Bosons mit ganz ähnlichen Eigenschaften gibt es in den Daten allerdings keinen Platz mehr.”

TEILE und Extradimensionen

SUSY ist aber nicht die einzige Alternative zu einem Standard-Higgs. Es gibt auch Modelle, bei denen das Higgs- Boson kein fundamentales Elementarteilchen ist, sondern aus kleineren, leichteren Komponenten besteht. In diesem Fall könnten die anderen „Elementarteilchen” ebenfalls zusammengesetzt sein – und das Higgs-Boson wäre der Schlüssel zu einem Reich noch kleinerer Partikel. Wie bei einer ineinander geschachtelten russischen Puppe könnten Physiker so vielleicht bald die nächste Matrjoschka auseinander nehmen.

Noch verrückter erscheint die Vorstellung, dass weitere räumliche Dimensionen neben Höhe, Breite und Tiefe existieren. „ Rechnungen für den dreidimensionalen Raum können zu ganz anderen Ergebnissen führen als beispielsweise für den fünfdimensionalen”, sagt der Theoretische Physiker Joe Lykken vom Fermilab bei Chicago.

Diese Extradimensionen wurden bislang nur nicht entdeckt, weil sie gleichsam aufgerollt und daher winzig klein sind. Im Rahmen der Stringtheorie – einer supersymmetrischen vereinheitlichten Theorie aller Partikel und Kräfte – scheinen sie aber eine unerlässliche Rolle zu spielen (bild der wissenschaft 5/2013, „ Erbsenhirne und verborgene Dimensionen”). Und sie sind vielleicht sogar einige Mikrometer groß. Das könnte erklären, warum die Schwerkraft soviel schwächer ist als alle anderen Naturkräfte – denn im Gegensatz zu diesen könnte die Wirkung der Gravitation in die Extradimensionen hineinreichen.

Auch die Higgs-Masse könnte dann viel größer sein, genau wie es Abschätzungen von Quantenkorrekturen nahe legen. Doch weil sie gleichsam überwiegend in den zusätzlichen Dimensionen steckt, wäre sie in unserem vertrauten dreidimensionalen Raum relativ klein.

All das ist freilich Gedankenspielerei, so lange es keine Indizien für Extradimensionen gibt. Wären zumindest zwei von diesen groß genug, um im LHC messbare Effekte zu erzeugen – bis hin zur temporären Existenz Schwarzer Minilöcher, die sofort wieder zerstrahlen –, dann könnte der LHC eine Hintertür zu einem völlig neuen Teil der Wirklichkeit öffnen. ■

RÜDIGER VAAS ist als Physik-Redakteur von bild der wissenschaft Spezialist für das Allerkleinste. Über die Stringtheorie schrieb er in Heft 5/2013.

von Rüdiger Vaas