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Wissenschaftlern des CMS-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist es erstmals gelungen, den direkten Zerfall des Higgs-Teilchens in Fermionen nachzuweisen. Die Fermionen bilden als eine Gruppe der Elementarteilchen die Materie, während die Bosonen als Träger von Kräften zwischen den Fermionen vermitteln.
«Wir sind damit einen wichtigen Schritt weiter gekommen», erklärt Vincenzo Chiochia, Physikprofessor an der Universität Zürich, dessen Gruppe an der Auswertung der Daten mitgearbeitet hat. «Wir wissen nun, dass das Higgs-Teilchen sowohl in Bosonen als auch in Fermionen zerfallen kann. Damit können wir gewisse Theorien ausschliessen, die davon ausgingen, dass das Higgs-Teilchen nur in bestimmte Arten von Teilchen zerfällt.»
Gemäss dem Standardmodell der Teilchenphysik muss sich die Stärke der Wechselwirkung der Fermionen mit dem Higgs-Boson proportional zu ihrer Masse verhalten. «Diese Voraussage wurde bestätigt», so Chiochia. «Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass sich das 2012 entdeckte Teilchen tatsächlich wie das in der Theorie postulierte Higgs-Teilchen verhält.»
Die Forschenden analysierten die Daten, die von 2011 bis 2012 am LHC gesammelt wurden. Sie kombinierten dabei die Auswertungen zu Zerfällen des Higgs-Teilchens in Bottom-Quarks und in Tau-Leptonen, die beide zur Teilchen-Gruppe der Fermionen gehören. Die Ergebnisse zeigen, dass es im Masse-Bereich des Higgs-Teilchens von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) zu einer signifikanten Häufung dieser Zerfälle kommt. Daraus kann man mit einiger Bestimmtheit sagen, dass die Zerfälle von einem Teilchen der entsprechenden Masse herrühren. «Die Wahrscheinlichkeit, dass die Häufung allein auf Grund zufälliger Hintergrundprozesse zustande kommt, liegt bei etwa eins zu 14'000», erklärt Chiochia.
Untersucht wurden drei verschiedene Zerfallswege, wobei die Forschenden der UZH den Zerfall der Higgs-Teilchen in Tau-Leptonen analysierte. Weil das Higgs-Teilchen extrem kurzlebig ist, kann es nicht direkt, sondern nur durch seine Zerfallsprodukte nachgewiesen werden. Die Bottom-Quarks und Tau-Leptonen haben eine genügend lange Lebensdauer, damit sie im Pixel-Detektor des CMS-Experiments direkt gemessen werden können. Der von der UZH gemeinsam mit der ETH Zürich und dem Paul-Scherrer-Institut entwickelte Pixel-Detektor ist der innerste Detektor im CMS-Experiment und so am nächsten beim Kollisionspunkt der Teilchen.
Die Herausforderung der Auswertung liegt darin, aus der riesigen Datenmenge signifikante Signale herauszufiltern. Denn die untersuchten Taus können auch durch andere Zerfälle produziert werden. Deshalb muss zunächst ermittelt werden, mit welcher Häufigkeit die Teilchen aufgrund solcher Hintergrundprozesse entstehen. «Nur wenn man dies möglichst genau weiss, kann man sich auf die Suche nach Bereichen machen, die aus diesem Hintergrundrauschen herausstechen», so Chiochia. Seine Gruppe fokussiert ihre Suche dabei auf Ereignisse, bei denen das Higgs-Teilchen in Zusammenhang mit einem W-Boson erzeugt wurde. «Diese Teilchen sind sehr vielversprechend, weil hier das Hintergrundrauschen und die signifikanten Signale einfacher unterschieden werden können.»
Die bisherigen Erkenntnisse zum Higgs-Teilchen bestätigen das vom Standardmodell vorausgesagte Verhalten. Dennoch ist nicht auszuschliessen, dass es sich bei dem Teilchen doch nicht um das Higgs-Teilchen des Standardmodells handelt oder dass es noch weitere Higgs-Teilchen gibt, die bisher noch nicht entdeckt wurden. Deshalb geht es nun darum, die Eigenschaften des Teilchens möglichst umfassend und präzise studieren zu können. «In unseren jetzigen Messungen haben wir eine mögliche Abweichung von rund 30 Prozent», erklärt Chiochia. «Das Ziel ist es, mit den Daten, die wir in Zukunft sammeln, diese Abweichung auf 20 oder 10 Prozent herunterzubringen.»
Der LHC befindet sich im Moment in einer Revisionsphase und wird für eine nächste Runde von Teilchenkollisionen aufgerüstet. Dann soll die Energie, mit welcher die Teilchen aufeinanderprallen von zuletzt 8 Teraelektronenvolt (TeV) auf bisher noch nie erreichte 13 bis 14 TeV erhöht werden. Dadurch kann eine noch grössere Anzahl von Kollisionen erzeugt werden, die präzisere Aussagen ermöglichen. Die Wiederaufnahme des Betriebs ist für 2015 geplant.
Neben genaueren Aussagen zu den bereits bekannten Teilchen hoffen die Forschenden auch neue Teilchen zu finden, die bisher noch nicht durch Theorien vorhergesagt wurden. «Beim Higgs-Teilchen wussten wir sehr genau, was wir suchten», so Chiochia, «und wir waren relativ sicher, dass wir es finden werden.» Was der LHC für die Physiker sonst noch bereithalten wird, liegt im Ungewissen. «Es ist wie eine Expedition ins Unbekannte. Denn es gibt noch vieles, das wir nicht wissen. So haben wir zum Beispiel noch keine klare Vorstellung davon, was dunkle Materie ist, die einen wesentlichen Teil unseres Universums ausmacht.»
