Das Higgs-Teilchen feiert heute Jubiläum: Genau zehn Jahre ist es her, dass Forscherinnen und Forscher des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider LHC am Europäischen Kernforschungszentrum CERN verkünden konnten: Wir haben das letzte noch fehlende Elementarteilchen entdeckt!
Jahrzehntelang hatten sie nach diesem so flüchtigen Higgs-Teilchen gesucht. Am CERN und an anderen Instituten weltweit wird der 10. Jahrestag dieser Entdeckung gefeiert, doch am Large Hadron Collider LHC schon längst weitergeforscht: Denn fertig sind die Teilchenphysikerinnen und –physiker noch lange nicht mit ihrer Suche nach neuen, unbekannten Teilchen.
Der Large Hadron Collider LHC fand das Higgs-Teilchen
26,7 Kilometer lang ist der unterirdische Ringtunnel des leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers der Welt: der Large Hadron Collider LHC am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf. Durch diesen Ringtunnel sausen Protonen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit, bevor sie miteinander kollidieren. Der gigantische Crash im Miniaturformat ist gewollt, denn nur so entstehen neue, flüchtige Teilchen. Der LHC verfügt über mehrere Detektoren, mit denen diese Teilchenkollisionen und die dabei entstehenden neuen Teilchen untersucht werden können. An der Entdeckung des Higgs-Teilchens waren zwei Detektoren beteiligt: der CMS-Detektor und der ATLAS-Detektor.
Sandra Kortner vom Max-Planck-Institut für Physik in München hat 2012 die Forschungsgruppe des ATLAS-Detektors geleitet – und so erfuhr sie als eine der ersten, dass die jahrelange Suche nach dem Higgs-Teilchen von Erfolg gekrönt war: "Das war an einem Sonntag, spät am Abend im Juni. Da haben wir auf die neuesten Zahlen gewartet. Und als ich sie grob zusammengerechnet hatte, wusste ich sofort, dass wir wirklich das Higgs-Teilchen gefunden haben", erzählt Sandra Kortner. "Da war ich sprachlos. Ich wollte erst mal jubeln, dann war ich sprachlos, und dann war ich einfach dankbar. Diese Entdeckung war für mich das Geschenk meines Lebens."
Die Entdeckung des Higgs-Teilchens war ein Triumph der Teilchenphysik
Als die Entdeckung des Higgs-Teilchens am 4. Juli 2012 bekannt gegeben wurde, war dies ein Triumph für alle daran beteiligten Forscherinnen und Forscher. Denn das Higgs-Teilchen – übrigens nach dem Physiker Peter Higgs benannt, der es zusammen mit Kollegen im Jahr 1964 erstmals theoretisch beschrieb – war das letzte Teilchen im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik, das ihnen noch fehlte. Alle bislang bekannte Materie besteht aus den 13 Elementarteilchen dieses Standardmodells. Auch Elektronen und Photonen, also Lichtteilchen, sind Elementarteilchen und in diesem Standardmodell vertreten.
Als Elementarteilchen lässt sich das Higgs-Teilchen nicht noch weiter in kleinere Teilchen zerlegen. Im Gegensatz zu Elektronen oder Photonen kommt es in freier Wildbahn nicht vor. Deshalb brauchten die Forschenden einen riesigen Teilchenbeschleuniger wie den Large Hadron Collider LHC, um es wenigstens für ein paar Sekundenbruchteile zu erzeugen. Obwohl wir es weder sehen noch spüren können, spielt es für Physikerinnen und Physiker eine große Rolle: Seine Existenz erklärt, wie alle anderen Teilchen überhaupt ihre Masse bekommen.
Der Large Hadron Collider am CERN sucht nach dem Unbekannten
Seit der Entdeckung des Higgs-Teilchens nutzten die Forschenden den LHC einerseits, um das Higgs-Teilchen genauer zu vermessen. Indem sie noch mehr Daten von noch mehr Teilchenkollisionen – und damit von mehr erzeugten Higgs-Teilchen – sammelten, konnten sie so einerseits sicherstellen, dass sie wirklich das Higgs-Teilchen gefunden hatten. Dafür vermaßen sie beispielsweise seinen Spin, eine Art Eigendrehimpuls. Und sie beobachteten, wie das Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen in Wechselwirkung steht. Bis jetzt stimmen alle experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells überein.
Der ATLAS-Detektor am Teilchenbeschleuniger LHC wurde kürzlich verbessert - ist und bleibt aber vor allem eines: riesig.
Allerdings ist dies nur teilweise ein Grund zur Freude. Denn der LHC hat noch inzwischen noch einen ganz anderen Zweck, als nur das Higgs-Teilchen immer genauer zu vermessen. "Wir suchen mit dem Large Hadron Collider nach allen möglichen Arten von neuer Physik. Das soll heißen, wir suchen nach neuen Teilchen, die nicht im Standardmodell der Teilchenphysik enthalten sind", sagt Uli Haisch vom Max-Planck-Institut für Physik in München, und fügt hinzu: "Leider bisher ohne Erfolg."
Forschende auf der ganzen Welt sind auf der Suche nach neuer Physik. Denn das Standardmodell der Teilchenphysik mag den Mikrokosmos, also die Welt des Allerkleinsten, ganz wunderbar beschreiben, Higgs-Teilchen inklusive. Allerdings gibt es auch Phänomene, die das Standardmodell überhaupt nicht erklären kann.
Der Large Hadron Collider LHC könnte noch viele Fragen der Physik beantworten
Vor allem ist da die Dunkle Materie, üblicherweise mit dem Adjektiv "mysteriös" versehen. Mysteriös ist sie, weil niemand weiß, was die Dunkle Materie ist, und sie auch nicht mit anderen Teilchen wechselwirkt. Das ist unpraktisch, weil Forschende fast sicher sind, dass es sie geben muss – darauf lassen astronomische Beobachtungen schließen. Uli Haisch sagt: "Ehrlicherweise muss man zugeben, dass man nichts weiß über diese Dunkle Materie. Und es ist durchaus möglich, dass auch der Large Hadron Collider dazu nichts sagen kann, beispielsweise, weil er sie gar nicht herstellen kann. Aber man kann auf jeden Fall danach suchen."
Dann wäre da noch die noch mysteriösere Dunkle Energie, die dafür sorgt, dass sich die Ausdehnung unseres Universums immer weiter beschleunigt. Und das Standardmodell kann auch nicht erklären, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.
Deshalb ist die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells inzwischen eine der Hauptaufgaben des LHC. In zahlreichen Experimenten möchten die Forscherinnen und Forscher etwas finden, das nicht zu ihren theoretischen Vorhersagen passt. Immer mal wieder gibt es einige Hinweise – zum Beispiel derzeit am LHCb-Experiment, einem von sechs Experimenten am Large Hadron Collider. "Das ist eigentlich das einzige Experiment, wo es Hinweise auf neue Physik gibt. Da hat man Abweichungen beobachtet, die nicht mit der Vorhersage aus dem Standardmodell übereinstimmen."
Doch bislang ist die Datenlage zu dürftig. Die Hinweise auf neue Physik könnten auch nur ein statistischer Schluckauf sein. Nach einem Upgrade läuft der LHC seit April 2022 wieder: Protonen sausen durch den Ring, kollidieren miteinander, erzeugen Teilchenschauer und eine immense Datenmenge. Ob sich darin wirklich etwas Unerwartetes verbirgt, muss sich zeigen.
"Hier ist Bayern": Der BR24 Newsletter informiert Sie immer montags bis freitags zum Feierabend über das Wichtigste vom Tag auf einen Blick – kompakt und direkt in Ihrem privaten Postfach. Hier geht’s zur Anmeldung!