Die Entdeckung des Higgs-Teilchens: Oder wie das Universum seine Masse bekam (German Edition)

Bedingungen, wie Zerfallsart und charakteristische Eigenschaften des Higgs-Teilchens, erfüllt sind, werden die Daten zur späteren Analyse aufgezeichnet. Bei CMS wird ähnlich vorgegangen.
    Um auszuschließen, dass in den ausgeschiedenen Daten noch wichtige Ereignisse, von denen man bisher noch nichts geahnt hat, enthalten sind und verloren gehen, sind verschiedene Forschungsgruppen weltweit damit beschäftigt, die ausgesonderten Datenmengen zu durchforsten. Damit werden nebenbei auch die Triggersysteme hinsichtlich ihrer Einstellungen überprüft und verbessert. Zudem versucht man dabei, noch nicht bekannte und auffällige Ereignisse zu finden, die Aufschluss geben könnten über Grundlagen von verborgener und noch nicht entdeckter Physik. Zur Verarbeitung dieser Datenmengen wurde das bislang leistungsstärkste Computersystem der Welt ins Leben gerufen: das Worldwide LHC Computing Grid (WLCG). Es umfasst Zehntausende Computer, die über den ganzen Globus verteilt sind. Auf diese Weise können Wissenschaftler in aller Welt rund um die Uhr die Daten des LHC analysieren und auswerten.
    Die Zerfälle des Higgs-Teilchens und ihre Nachweise
    Nachdem die wichtigen Daten aus der Datenflut herausgefiltert worden sind, bleibt immer noch eine große Datenmenge übrig. Jetzt stellt sich die Frage: Wonach sucht man jetzt in diesen Daten?
    ATLAS und CMS wurden hauptsächlich deshalb konstruiert, um seltene Ereignisse zu erkennen, die von einem Higgs-Zerfall stammen könnten. Beide Detektoren unter suchen jedoch unterschiedliche Möglichkeiten für einen Zerfall. Die Herausforderung besteht nun darin, die »richtigen« Zerfallsarten von den Hintergrundereignissen, diees bei rund 600 Millionen Proton-Proton-Kollisionen pro Sekunde gibt, zu unterscheiden. Messungen am Elektron-Positron-Speicherring LEP am CERN, dem Vorgänger des LHC, haben bereits einen Ausschlusswert (hier auch als Minimalwert zu betrachten) über die Masse des Higgs-Teilchens ergeben. Dieser liegt bei etwa 113 GeV. In den Daten wurde nun nach einem Teilchen gesucht, das 113 bis circa 1000 GeV schwer ist. Um dem Higgs-Teilchen auf die Schliche zu kommen, wurde vor allem nach vier wichtigen Zerfallsarten Ausschau gehalten.
    Die erste ist der Zerfall des Higgs-Teilchens in zwei Photonen. Hierbei spielen die schon erwähnten Kalorimeter nahe dem Kollisionspunkt die Hauptrolle, um die Teilchenenergie zu messen. Denn die innersten Kalorimeter reagieren überwiegend auf Photonen durch Erzeugung eines winzigen elektrischen Signals. Zerfällt also ein Higgs-Teilchen in zwei Photonen, so lassen sich mithilfe des Detektors aus dieser Photonenenergie sehr genaue Rückschlüsse ziehen, unter anderem auf die Masse des Higgs-Teilchens.
    Bei der zweiten Zerfallsart erzeugt das Higgs-Teilchen Paare von Z-Bosonen. Diese zerfallen weiter in jeweils ein Elektron und ein Positron beziehungsweise in zwei Myonen. Zum Aufspüren der Elektronen sind wiederum das Kalorimeter und ein innerer Spurenverfolger notwendig. Die Myonen können ungebremst wegfliegen und hinterlassen dabei Spuren. Starke Magnetfelder krümmen die Bahnen der Elektronen und Myonen und erlauben somit Rückschlüsse auf deren Energie. Auf diese Weise kann die Higgs-Masse bestimmt werden.
    Bei der dritten Möglichkeit des Zerfalls des Higgs-Teilchens spaltet sich dieses in ein Bottom-Quark und sein Antiteilchen, das Anti-Bottom-Quark. Beide bündeln sich beim weiteren Zerfall in Jets von Hadronen und geben ihre Energie hauptsächlich in den äußeren Kalorimetern ab. Diese Zerfallsart ist jedoch für das Aufspüren des Higgs-Teilches sehr problematisch, da auch normale Kollisionen Hadronenjets aus Bottom-Quarks erzeugen. Es fällt somit schwer, die normalen von den Higgs-Zerfällen zu unterscheiden.
    Bei der letzten Zerfallsart des Higgs-Teilchens entstehen zwei W-Bosonen, die zu jeweils einem Elektron, Antielektron oder Myon sowie einem Neutrino oder Antineutrino zerfallen. Mit den Neutrinos tut man sich allerdings schwer, da diese ohne Probleme und ohne eine Spur zu hinterlassen durch die Detektoren fliegen können. Somit ist es kompliziert, sie nachzuweisen, was wiederum Probleme im Hinblick auf die Massenbestimmung mit sich bringt, da sie aus der Kollision eine geringe Energiemenge mitnehmen. Dieses Fehlen von Energie erlaubt zwar einen Rückschluss auf das Vorhandensein von Neutrinos, es erschwert aber eine exakte Rekonstruktion der Higgs-Masse.
    Messergebnisse
    Die Kombination der zuvor beschriebenen