Das letzte noch unentdeckte Teilchen, dessen Existenz von der Standardtheorie der Teilchenphysik vorausgesagt wird, ist das Higgs-Boson ? oder “Teilchen Gottes”, wie Physiker es nennen, weil es den anderen Teilchen ihre Masse verleiht. Eine verbesserte Berechnung der Masse des Top-Quarks ? des bisher schwersten Elementarteilchens der Standardtheorie ? stärkt jetzt wieder den in letzter Zeit schwindenden Glauben der Physiker an die Existenz des Higgs-Teilchens. Volker Büscher von der Universität Freiburg und seine circa 350 Kollegen der DZero-Gruppe am Fermilab in Batavia, Illinois, stellen ihr Ergebnis im Fachmagazin Nature (Bd. 429, S. 638) vor.
Die Standardtheorie der Teilchenphysik beschreibt viele Eigenschaften der Elementarteilchen und die Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken, sehr gut. Aber sie macht keine Vorhersagen über die Massen der Teilchen. Allerdings stehen die Teilchenmassen untereinander in Beziehung. Insbesondere hängen die Massen des Top-Quarks und des Higgs-Teilchens voneinander ab. Deshalb erleichtert eine genaue Kenntnis der Masse des 1995 am Fermilab entdeckten Top-Quarks die Suche nach dem Higgs-Teilchen.
Es gibt insgesamt sechs Quarks mit den Namen Up, Down, Strange, Charm, Bottom und Top. Hinzu kommen noch die zugehörigen Antiteilchen. Die gewöhnliche Materie unseres Universums besteht nur aus den Up- und Down-Quarks. Jeweils drei dieser Quarks bilden ein Proton oder ein Neutron.
Da die Top-Quarks im Mittel nach einer Tausendstel Trilliardstel Sekunde (10 hoch minus 24 s) zerfallen, sind von den Top-Quarks, die im frühen Universum nach dem Urknall erzeugt wurden, längst keine mehr übrig. Physiker erzeugen deshalb Top-Quarks, indem sie in Teilchenbeschleunigern wie dem Tevatron am Fermilab andere Teilchen mit hoher Geschwindigkeit aufeinander schießen. Wenn die dabei erzeugte Energie ausreicht, kann ein Quark-Antiquark-Paar erzeugt werden.
Mit einem neuen mathematischen Verfahren ist es der DZero-Gruppe nun gelungen, aus derartigen Experimenten, die bereits zwischen 1992 und 1996 am Tevatron durchgeführt worden waren, eine genauere Berechnung der Masse des Top-Quarks zu erhalten. Damit wird der bisherige Wert von 174 auf 178 Gigaelektronenvolt (GeV) korrigiert. Ein GeV (genauer: GeV durch Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat) ist etwa 1,8 Tausendstel Trilliardstel Gramm und entspricht in etwa der Masse eines Protons.
Doch bedeutsamer sind die Konsequenzen für die Masse des Higgs-Teilchens. Der wahrscheinlichste Wert für das Higgs-Teilchen steigt damit von 96 auf 117 GeV. Allen Anhängern der Standardtheorie der Teilchenphysik dürfte damit ein Stein vom Herzen fallen. Denn Werte unter 114 GeV sind bereits experimentell ausgeschlossen worden, was die Existenz des Higgs-Teilchens und damit die Gültigkeit der Standardtheorie der Teilchenphysik grundsätzlich in Frage gestellt hatte. Der (mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit) höchstmögliche Wert für die Masse des Higgs-Teilchens steigt von 219 auf 251 GeV.
“Egal was wir bisher angestellt haben, um die Standardtheorie der Teilchenphysik zu Fall zu bringen, sie biegt und sie windet sich”, sagt der ebenfalls an der DZero-Gruppe beteiligte Thomas Ferbel von der Universität Rochester. “Das ist umso erstaunlicher, weil wir wissen, dass sie nicht ganz richtig sein kann.” Viele Physiker glauben aufgrund einiger Unzulänglichkeiten der Standardtheorie, dass sie durch die Supersymmetrie ersetzt werden wird.
Axel Tillemans
