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Das Profil des Higgs-Bosons

Im Juli 2012 gaben die Experimente ATLAS und CMS die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt. Was wissen wir heute über die Eigenschaften dieses Teilchens?

  • Karl Jakobs
  • 09 / 2015 Seite: 35

Während der vergangenen Jahre haben Physiker der beiden Experimente ATLAS und CMS am Large Hadron Collider (LHC) den kompletten zwischen 2010 und 2012 aufgezeichneten Datensatz ausgewertet. Dies ermöglichte es, wichtige Eigenschaften des Higgs-Bosons zu bestimmen und ihre Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik zu überprüfen. Passt das neue Teilchen in das Standardmodell oder zeigt es exotische, abweichende Eigenschaften? So sagen Erweiterungen z. B. nicht-elementare, zusammengesetzte oder zusätzliche Higgs-Bosonen vorher.

Das Standardmodell der Teilchenphysik enthält Quarks und Leptonen als fundamentale Fermionen mit Spin 1/2. Sie bilden die Bausteine der Materie. Wechselwirkungen zwischen ihnen werden durch den Austausch von Bosonen mit Spin 1, so genannten Vektorbosonen, vermittelt. Diese ebenfalls elementaren Teilchen sind das Photon für die elektromagnetische Wechselwirkung, die W- und Z-Bosonen für die schwache Wechselwirkung und Gluonen für die starke Wechselwirkung. Um die experimentell be­obachteten Massen der W- und Z-Bosonen zu erklären, enthält das Standardmodell einen in den 1960er-Jahren von Brout, Englert und Higgs sowie von Guralnik, Hagen und Kibble etablierten Mechanismus [1]. Er geht von der Existenz eines skalaren Feldes aus, des Higgs-Feldes, welches das gesamte Vakuum durchdringt. Die Massen der W- und Z-Bosonen sowie der Fermionen ergeben sich durch ihre Wechselwirkung mit diesem Feld. Mit der Existenz des skalaren Feldes ist ein Teilchen mit Spin 0, das Higgs-Boson, verbunden. Der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus bildet einen zentralen Stützpfeiler des Standardmodells, da er theoretisch konsistent erklärt, wie Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Daher beschäftigte die Suche nach diesem Teilchen über Dekaden die Teilchenphysik, und seine Entdeckung im Jahr 2012 war ein Meilenstein [2].

Die Analyse der gesamten von den Detektoren ATLAS und CMS aufgezeichneten Daten (Abb. 1, 2) ermöglichte es, das „Profil“ des neuen Bosons bereits überraschend gut zu bestimmen. Dazu haben auf experimenteller Seite neben der großen Datenmenge auch verbesserte Analysemethoden und eine verbesserte Kalibration der Detektoren beigetragen. Darüber hinaus sind präzise Berechnungen, z. B. der Produktionsraten, für den Vergleich mit den Vorhersagen des Standardmodells wichtig. ...

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