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Der Ursprung der Masse?

Im Standardmodell der Teilchenphysik ist die Erklärung der Masse der Elementarteilchen mit der Exis­tenz eines neuen und lange gesuchten Teilchens verknüpft: der des Higgs-Bosons.

  • Kerstin Tackmann
  • 09 / 2013 Seite: 53

Die Experimente ATLAS und CMS am Large Hadron Collider (LHC) in Genf haben im Sommer 2012 ein neues Teilchen mit einer Masse von etwa 126 GeV/c2 gefunden, das ein guter Kandidat für das lange gesuchte Higgs-Boson ist. Seit seiner Entdeckung werden die Eigenschaften des neuen Teilchens untersucht.

Das Standardmodell der Teilchenphysik, das die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte beschreibt, erklärt alle bislang in Experimenten beobachteten Phänomene der Teilchenphysik. Um die experimentell nachgewiesenen Massen der W- und Z-Bosonen, zwei Austauschteilchen der elektroschwachen Kraft, theoretisch konsistent zu erklären, geht das Standardmodell von der Existenz eines skalaren Feldes aus, des Higgs-Feldes. Die Massen der W- und Z-Bosonen sowie der Quarks und geladenen Leptonen ergeben sich durch die Wechselwirkung der Elementarteilchen mit dem skalaren Higgs-Feld. Eine Konsequenz dieser Beschreibung ist die Exis­tenz eines angeregten Zustandes dieses Feldes in Form eines neutralen, CP-geraden, skalaren Teilchens, des Higgs-Bosons. Seit der Formulierung dieses Mechanismus im Jahre 1964, bekannt als Brout-Englert-Higgs-Mechanismus, wurde an etlichen Experimenten nach Hinweisen auf die Existenz des Higgs-Bosons ­gesucht. Aus Präzisionsmessungen ergab sich indirekt eine obere Grenze für seine Masse bei 152 GeV/c2. Die Experimente am LEP-Beschleuniger, einem Elektron-Positron-Speicherring am CERN, ergaben, dass die Masse eines Standardmodell-Higgs-Bosons nicht unterhalb von 114,4 GeV/c2 liegen kann. Die Experimente am Teva­tron-Beschleuniger, einem Proton-Proton-Speicherring am Fermilab bei Chicago, konnten ein schmales Massenfenster um 160 GeV/c2 ausschließen.

Die Suche nach dem Higgs-Boson war von vornherein eines der wesentlichen Ziele der Experimente am LHC und beeinflusste wichtige Designentscheidungen bei der Planung der ATLAS- und CMS-Detektoren. 2010 fanden im LHC erstmals Protonkollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV statt, die bis dahin höchste erreichte Schwerpunktsenergie in einem Hadronenbeschleuniger. Im Sommer 2012 verkündeten die ATLAS- und die CMS-Kollaboration zeitgleich die Entdeckung eines neuen Teilchens mit einer Masse von etwa 126 GeV/c2 mit einer statistischen Signifikanz von 5,9 bzw. 5,0 Standardabweichungen. Von allen möglichen Zerfallskanälen des Higgs-Bosons trugen drei maßgeblich zu der Entdeckung bei: der Zerfall des Teilchens in zwei Photonen, in zwei Z-Bosonen (mit einem anschließenden Zerfall der Z-Bosonen in ein Elektron-Positron-Paar bzw. ein Myon-Antimyon-Paar) und der Zerfall in zwei W-Bosonen, die wiederum in ein Elektron bzw. Myon und ein entsprechendes Neutrino zerfallen. Die ersten beiden Kanäle erlauben es, die Masse des Teilchens sehr gut zu bestimmen, da sich die Endzustände vollständig und mit guter Auflösung im Detektor rekonstruieren lassen.

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