Higgs und neue Horizonte

Das Higgs-Feld müsste streng genommen nicht nur nach dem im April 2024 verstorbenen Peter Higgs benannt werden, sondern auch nach François Englert und Robert Brout an der Université Libre de Bruxelles, die es und den zugehörigen Masse-Mechanismus unabhängig und kurz vor Higgs ebenfalls 1964 beschrieben haben, sowie nach Tom Kibble, Carl Hagen und Gerald Guralnik vom Imperial College in London, die im selben Jahr noch ausführlicher darüber publizierten – zunächst auch ohne Kenntnis der anderen Arbeiten. Englert und Higgs teilten sich 2013 den Nobelpreis; Brout war bereits im Mai 2011 gestorben.

Entscheidende Entdeckung

Das Higgs-Feld kann nicht direkt gemessen, aber durch viel Energie angeregt werden, sodass Higgs-Bosonen entstehen. Um diese nachzuweisen und damit das Standardmodell der Elementarteilchenphysik zu komplettieren, war ein neuer Teilchenbeschleuniger nötig: der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf. In ihm werden Protonen fast auf Lichtgeschwindigkeit gebracht. Sie werden zur Kollision gezwungen und erzeugen dann eine Fülle anderer Teilchen. Darunter sind auch Higgs-Bosonen, die – beziehungsweise deren Zerfallsprodukte – mit den beiden LHC-Hauptdetektoren ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) und CMS (Compact Muon Solenoid) nachgewiesen werden können.

Dies ist eine äußerst diffizile Angelegenheit. Doch nach einigen Jahren waren die Daten und deren Auswertung so gut, dass am 4. Juli 2012 der damalige CERN-Generaldirektor Rolf Heuer die Entdeckung eines neuen Bosons bekannt gab, das sehr wahrscheinlich das lange gesuchte Higgs-Teilchen ist (bdw 11/2012, „Higgs Higgs Hurra“ und bdw 6/2013, „Higgs und das Ende der Welt“). Alle seither erfolgten, noch wesentlich genaueren Messungen haben dies bestätigt, obwohl weiterhin alternative Hypothesen möglich sind, die allerdings nicht mit dem Standardmodell zu vereinbaren wären. Hätte man nichts mit dem LHC gefunden, wäre das Standardmodell inzwischen falsifiziert. (Aber dann wären unvorhergesehene Effekte gemessen worden: etwa eine Wechselwirkung zwischen W-Bosonen, um deren Masse zu erklären.)

Der LHC wurde am 20. November 2009 in Betrieb genommen. Nach einigen Verzögerungen lief der erste Forschungslauf (Run 1 genannt) bis Januar 2013 bei zunächst 7 und dann 8 Teraelektronenvolt Schwerpunktsenergie. Nach einer Umbaupause mit vielen Verbesserungen folgte Run 2 von April 2015 bis Dezember 2018, wobei am 10. April 2015 erstmals Protonen-Kollisionen mit 13 Teraelektronenvolt gelangen. Bald darauf stieg auch die Luminosität auf eine neue Rekordmarke – 40 Prozent über der LHC-Design-Vorgabe. Run 3 startete am 5. Juli 2022 mit 13,6 Teraelektronenvolt, die bereits am 25. April 2022 erreicht wurden. Die Messungen sollen noch bis mindestens Ende 2025 laufen.

Luminosität bezeichnet die Strahlungsleistung oder Teilchendichte in Beschleunigern (eine Zahl angegeben pro Quadratzentimeter und Sekunde). Addiert man sie über einen bestimmten Zeitraum, spricht man von Integrierter Luminosität. Als Maß dafür verwenden Teilchenphysiker eine Einheit namens inverses Femtobarn. Es bedeutet die Flächenangabe eines Wirkungsquerschnitts von 10^–39 pro Quadratzentimeter. Damit lässt sich die Produktivität eines Teilchenbeschleunigers charakterisieren.

Die Zahlen sprechen für sich: Im CMS-Detektor gab es bis 2011 bei 7 Teraelektronenvolt 5,1, bei 8 Teraelektronenvolt in der ersten Jahreshälfte bis zur Higgs-Entdeckung 5,3, am Ende von Run 1 19,7 und dann bei 13 Teralektronenvolt in Run 2 insgesamt 138 inverse Femtobarn an integrierter Luminosität. Bei ATLAS waren die Werte sehr ähnlich (139 im Run 2). In Run 3 wurden bis September 2024 bereits rund 140 inverse Femtobarn gewonnen, obwohl es ab 17. Juli 2023 zu einem 50 Tage langen Betriebsstopp kam: Nach einem Stromausfall trat das Kühlmittel Helium aus einem Kryostaten bei den Beschleunigermagneten aus; glücklicherweise konnte der Schaden schnell repariert werden, sonst hätte die Unterbrechung mindestens ein halbes Jahr gekostet.

Beeindruckender Fortschritt

Inzwischen sind die Daten von Run 2 komplett ausgewertet. In dieser Zeit sind bei jeweils rund 100 Billionen Protonen-Kollisionen in ATLAS und CMS je ungefähr acht bis neun Millionen Higgs-Bosonen entstanden. Das entspricht bei einer Luminosität von 2 · 10³⁴ pro Quadratzentimeter und Sekunde etwa einer Higgs-Erzeugung in jeder Sekunde. Davon waren freilich nur 0,3 Prozent experimentell zugänglich. Aber das sind 30-mal so viele Messungen wie bis Mitte 2012. Zu verdanken ist dies der höheren Kollisionsrate und -energie sowie einer bis zu 50 Prozent größeren Signalsensitivität der Detektoren. Die Datenfülle erlaubte viel präzisere Messungen als zuvor sowie neue Tests.

Seit dem höchstwahrscheinlichen Higgs-Nachweis von 2012 sind über 15.000 Fachartikel zu dem Boson und seinem Quantenfeld erschienen; in den letzten drei Jahrzehnten waren es insgesamt sogar mehr als doppelt so viele. Neben der Higgs-Physik sind auch zahlreiche weitere Erkenntnisse gewonnen worden, beispielsweise zu den Hadronen. Das sind aus Quarks zusammengesetzte Partikel, die der Starken Wechselwirkung unterliegen. So konnten bis Anfang 2024 am LHC 72 zuvor nicht nachgewiesene, aber größtenteils vorhergesagte, allesamt kurzlebige Hadronen erzeugt werden (64 davon am LHCb-Detektor), darunter 23 exotische wie Tetra- und Pentaquarks (bdw 10/2015, „Fünf auf einen Streich“).

Beim Higgs-Teilchens sind nun die Messungen seiner Entstehung, Wechselwirkungen und Zerfälle, soweit möglich, fast alle auf 5 bis 20 Prozent akkurat. „Das Herz des Standardmodells schlägt stark“, fasste es Karsten Köneke von der Universität Freiburg in seinem Übersichtsvortrag auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft im März 2024 in Karlsruhe zusammen.

Im Juli 2018 berichteten die ATLAS- und CMS-Teams, dass sie den lange gesuchten Higgs-Zerfall in zwei bottom-Quarks mit einer Signifikanz von mehr als 5 Sigma nachgewiesen hatten, ebenso in Tau-Leptonen. (5 Sigma ist in der Physik das statistische Signifikanzkriterium für eine Entdeckung und bedeutet eine Wahrscheinlichkeit von weniger als 1 zu 3,5 Millionen, dass das Resultat durch Zufallsereignisse nur vorgetäuscht wurde.) Das war nur mithilfe von Mustererkennung durch Maschinenlernen („Künstliche Intelligenz“) bei der Datenanalyse möglich, was auch in der Teilchenphysik immer wichtiger wird. Da inzwischen Dutzende von Protonen-Kollisionen nahezu gleichzeitig stattfinden, rund
40 Millionen pro Sekunde, ist die Datenaufzeichnung und -auswertung eine riesige Herausforderung. Die Detektion dieser Higgs-Zerfälle war ein wichtiger Meilenstein, denn seitdem ist direkt nachgewiesen, dass die gesamte dritte Teilchengeneration des Standardmodells mit dem Higgs-Feld wechselwirkt.

Auch für eine Interaktion mit der zweiten Teilchengeneration gibt es inzwischen erste Hinweise: mit Myonen (über 2 Sigma) und mit charm-Quarks. Eine statistisch signifikante Entdeckung (5 Sigma) wird wohl noch in diesem Jahrzehnt gelingen. Die Wechselwirkung mit den leichtesten Teilchen – dem strange-Quark aus der zweiten Generation sowie mit den up- und down-Quarks und dem Elektron aus der ersten – ist allerdings so selten, dass sich dies mit den gegenwärtigen Methoden nicht beobachten lässt.

Im Juli 2024 ergab die bisher genaueste ATLAS-Analyse, dass das Higgs-Teilchen mit charm-Quarks schwächer interagiert als mit bottom-Quarks, wie vom Standardmodell vorausgesagt. Der Zerfall zu bottom-Quarks ist jetzt mit einer Signifikanz von bis zu 5,3 Sigma entdeckt – ein enormer Fortschritt, waren diese Prozesse doch vor einer Dekade noch überhaupt nicht nachweisbar.

Auch die Eigenschaften des Higgs-Bosons selbst sind inzwischen genauer bekannt. Seine theoretisch errechnete Lebensdauer beträgt nur 1,5 · 10^–22 Sekunden. Die Messungen liegen bei 1,2 bis 4,6 mal 10^–22 Sekunden (Signifikanz etwa 3,2 Sigma, also 1 zu 1.000). Die Higgs-Masse beträgt der neuesten Analyse zufolge 125,11 plus/minus 0,11 Gigaelektronenvolt. In gut einem Jahrzehnt ist sie also auf 0,1 Prozent genau gemessen worden – eine respektable Leistung! Diese bislang präziseste Bestimmung wurde im Dezember 2023 in den Physical Review Letters publiziert. Sie basiert auf den kombinierten ATLAS-Messungen bei 7, 8 und 13 Teraelektronenvolt. Berücksichtigt wurden dabei die Higgs-Zerfälle in Gammaquanten einerseits und in Leptonen andererseits; sie lassen sich am genauesten ermitteln. Der wahre Wert der Higgs-Masse kann dieser Analyse zufolge höchstens um 0,09 Prozent abweichen.

Das Beste kommt noch

„Die Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC hat den Anfang einer neuen Ära der Teilchenphysik markiert. Seither hat die Erforschung des Higgs-Sektors Fortschritte gemacht weit über die ursprünglichen Erwartungen hinaus. Und alle Higgs-bezogenen Messungen sind bislang in Übereinstimmung mit dem Standardmodell, dem einfachsten aller gegenwärtigen Modelle der Teilchenphysik“, resümierten CERN-Physiker um Steven Bass in einem ausführlichen Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift nature physics. „Dieser außergewöhnliche Erfolg ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen: den bemerkenswerten Betrieb des LHC, die Robustheit des Experiments, die Verbesserungen der Messtechniken, die gewaltigen Fortschritte bei den theoretischen Vorhersagen und Simulation der LHC-Prozesse sowie gewissermaßen ein Geschenk der Natur – dass die Masse des Higgs-Bosons genau an der Kreuzung vieler möglichen Zerfallsarten liegt.“

Alle Messwerte werden bald noch genauer. Run 3 soll rund 150 inverse Femtobarn einbringen. „Das wird einen weiteren Schub für unser Verständnis bringen – nicht nur wegen der höheren statistischen Präzision, sondern auch aufgrund des Einfallsreichtums der Menschen“, sagt Karsten Köneke.

Anschließend erfolgt eine große Umbaupause, in der die Detektoren und Analysetechniken noch weiter verbessert werden und die LHC-Leistung erneut gesteigert wird. Das führt zwar allenfalls zu 14 Teraelektronenvolt, aber die Luminosität wird sich mehr als verdoppeln. Der HL-LHC (High Luminosity) soll in den nächsten 15 bis 20 Jahren dann rund 20-mal so viele Daten ermitteln wie seit 2009 insgesamt: bis zu 4.000 inversen Femtobarn.

Das wird es ATLAS und CMS ermöglichen, die Higgs-Wechselwirkungen mit einer Unsicherheit von nur noch wenigen Prozent zu bestimmen. Für die Higgs-Paarproduktion sollte es gute Indizien geben (bis zu 4 Sigma), sodass auch erste Hinweise auf die Higgs-Selbstwechselwirkung in Aussicht stehen. Um noch mehr zu erzielen, bedarf es freilich einer neuen Maschine. Dafür gibt es ambitionierte Pläne, teils im Detail ausgearbeitet, aber noch fehlen die internationalen politischen Beschlüsse und die finanziellen Mittel.

Für die Suche nach neuer Physik, das heißt nach Effekten jenseits des Standardmodells, eröffnet der HL-LHC ebenfalls gute Chancen. Denn mit jeder Vervierfachung der Präzision verdoppelt sich auch die erschließbare Massenskala. Bislang unbekannte Partikel und Wechselwirkungen könnten sich so indirekt bemerkbar machen – etwa durch Quantenfluktuationen und Higgs-Zerfallsraten, die von der Vorhersage des Standardmodells abweichen.

Auch wenn die Entdeckung völlig neuer Teilchen am LHC bislang nicht geglückt ist, im Gegensatz zu Hoffnungen vorab, gibt es weiterhin viel zu tun: Das Standardmodell kann zahlreiche Fragen prinzipiell nicht beantworten (bdw 11/2012, „SUSY, Strings und Saurier“). Hinzu kommen experimentelle Unklarheiten.

Noch ist nicht gesichert, ob das Higgs-Boson einzigartig ist oder gar zusammengesetzt, also ein Komposit aus anderen Teilchen. Es ist rätselhaft, weshalb die drei bekannten Teilchengenerationen so riesige Massenunterschiede haben und ob noch weitere existieren, warum es weitaus mehr Materie als Antimaterie gibt, woher die winzigen Massen der Neutrinos stammen, woraus die ominöse Dunkle Materie im All besteht (oder ob sie eine Illusion ist), was es mit der noch mysteriöseren Dunklen Energie auf sich hat und dem mutmaßlichen Inflaton-Feld, das unser Universum erst groß gemacht haben soll, ob zusätzliche Dimensionen des Raums existieren, warum die Schwerkraft viel schwächer ist als die anderen Kräfte und wie sie sich mit diesen einheitlich beschreiben lässt.

Womöglich hat das Higgs-Feld bei einigen dieser Rätsel ein sprichwörtliches und sogar gewichtiges Wörtchen mitzureden – dann könnte das Higgs-Boson das Fenster zu einer Welt jenseits des Standardmodells sein beziehungsweise dieses aufstoßen helfen (bdw 10/2015, „Das Yin-Yang-Universum“). Fest steht: Die Horizonterweiterung der Teilchenphysik und die durch sie versprechen noch viele Überraschungen.