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

Zerfallsarten mithilfe der beiden Detektoren und der Vergleich beider Ergebnisreihen belegen, dass das Higgs-Teilchen gefunden wurde. Außerdem konnte seine Masse im ATLAS-Detektor mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,977 Prozent auf 126 GeV bestimmt werden. Interessant ist dieser Zahlenwert für alle, die das Buch oder den Film Per Anhalter durch die Galaxis kennen, weil das exakt 3 mal 42 ist. Ob jedoch im Higgs-Teilchen die genaue Antwort auf die Frage nach dem Universum, dem Leben und allem steckt, kann die Physik zum heutigen Zeitpunkt nicht beantworten. Wir wissen allerdings, dass das Teilchen ungefähr so schwer wie ein Jodatom ist. Für die Teilchenphysik ist diese Art von Genauigkeit ganz zufriedenstellend, aber damit die Entdeckung wirklich in Stein gemeißelt wäre, sollte die Wahrscheinlichkeit einer Entdeckung 99,99966 Prozent betragen. Dies soll in der letzten Ausbauphase des LHC, die 2015 abgeschlossen sein soll, erreicht werden.
    Beim CMS-Detektor sieht es ungefähr genauso aus. Nur dass hier fünf Zerfallsarten untersucht wurden. Man hat hier eine Masse von etwa 125,3 GeV gemessen.
    Die Daten zeigen, dass beide Detektoren das Teilchen bei der gleichen Masse taxieren und die Daten somit Hand und Fuß haben. Ebenfalls konnte die große Präzision der Detektoren demonstriert werden. Doch wie kann man dieses Teilchen abbilden und sozusagen auf eine Waage legen?
    Leider wird es nie eine Abbildung des Higgs-Teilchens geben. Wollen Physiker es irgendwie veranschaulichen, so tun sie dies mithilfe von Diagrammen. Dabei wird auf der y-Achse die Zahl der Ereignisse dargestellt, auf der x-Achse die Energie (Abbildung 20). Ist es nun zu sehr vielen Kollisionen gekommen, wie am LHC glücklicherweise geschehen, so gibt es einen Wert, der besonders häufig gemessen wird. Je höher die gemessene Energie ist, desto geringer ist die Zahl der Ereignisse. Doch bei exakt 126 GeV gibt es einen kleinen Hügel. Genau das »ist« das Higgs-Teilchen. Es sorgt mit seinen eigenen Zerfällen dafür, dass hier mehr Ereignisse gemessen werden. Und so bekommt man quasi als Beilage noch die Masse.

    Abbildung 20: Grafische Darstellung des Higgs
    © 2012 CERN, Genf, for the benefit of the CMS Collaboration
    Bis Ende Februar 2013 wurde weitergemessen, um möglichst viele Daten zu sammeln und die Genauigkeit zu erhöhen. Nach Vollendung dieser Testreihe wurde der LHC vorerst abgeschaltet, um ihn zu überprüfen und weiter auszubauen. Ab 2015 soll er mit seiner vollen Energie von 14 TeV laufen, was eine noch genauere Massenbestimmung des Higgs-Teilchens ermöglichen wird. Damit einher geht die Hoffnung auf weitere neue, bahnbrechende Entdeckungen der Physik.

Das Higgs-Teilchen aus dem Blickwinkel der Theoretischen Physik
    Martin P. Dittgen
    Im folgenden Kapitel werden einige Grundbegriffe der Theoretischen Physik vorgestellt. Erst beschäftigen wir uns mit dem Lagrangian, einem wichtigen Werkzeug in der modernen Physik. Dann folgt eine kurze Einführung in die Welt der physikalischen Symmetrien. Und schließlich werden wir sehen, wie das Konzept der Symmetriebrechung zur Erzeugung von Masse führt.
    Der Lagrangian
    Die Phänomene, die von der Physik beschrieben werden, haben sich seit deren Entstehung kontinuierlich vermehrt. Viele von ihnen erscheinen als unvereinbar miteinander. Gleichwohl gilt eines der ersten theoretischen Modelle der Physik auch heute noch als essenziell für die Beschreibung der Natur. Die Rede ist von der Lagrange-Funktion. Sie wurde ursprünglich von Joseph-Louis Lagrange aufgestellt, um die Phänomene der Mechanik auf einer noch abstrakteren und allgemeineren Ebene zu beschreiben, als dies die drei Newton’schen Gesetze tun. Mit einigen kleinen Änderungen ließ sich der Lagrange-Formalismus auch auf die Bewegung von Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern anwenden. Er erwies sich nach einigen Uminterpretationen auch als nützlich, um die widerspenstigen und mitunter mehr als gegenintuitiven Phänomene der Quantenmechanik zu beschreiben. In der Quantenmechanik wird prinzipiell über alle Wege, die ein Teilchen nehmen kann, summiert. Die Lagrange-Funktion bestimmt, »wie viel« von einem Weg dabei in die Summe einfließt.
    Die Lagrange-Funktion hat sich als der universelle Schraubenschlüssel der Physik über alle Phänomene hinweg bewährt. Auch in der Quantenfeldtheorie kommt ihr eine besondere Bedeutung zu: Da es im Sinne der Quantenfeldtheorie erst einmal nur mögliche Felder gibt und erst