Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

verknüpft sind, welche bei der Abgabe der Eichbosonen weggestreut werden. Sowohl dieser als auch der vorhergehende Erzeugungsmechanismus produzieren ein Higgs-Teilchen, aber auch andere Teilchen. Im ersten Fall wird das Higgs-Teilchen zusammen mit einem Eichboson erzeugt. Im zweiten Fall, der beim LHC wichtiger ist, wird das Higgs-Boson zusammen mit Jets erzeugt.
    Aber Higgs-Bosonen lassen sich auch alleine herstellen. Das geschieht, wenn Gluonen zusammenstoßen und dabei ein Top-Quark und ein Antitop-Quark entstehen, die vernichtet werden, um ein Higgs-Boson zu erzeugen, wie man im dritten Bild sehen kann. Das Top-Quark und das Antiquark sind eigentlich virtuelle Quarks, die nicht lange existieren, aber die Quantenmechanik sagt uns, dass dieser Prozess hinreichend oft stattfindet, da das Top-Quark so stark mit dem Higgs-Teilchen wechselwirkt. Dieser Erzeugungsmechanismus hinterlässt im Gegensatz zu den beiden gerade besprochenen keine Spur außer dem Higgs-Teilchen, das dann zerfällt.
    Obwohl also das Higgs-Teilchen nicht unbedingt sehr schwer ist – um es noch einmal zu sagen, hat es wahrscheinlich eine Masse, die mit den schwachen Eichbosonen vergleichbar und kleiner ist als die des Top-Quarks –, sind schwere Teilchen wie z.B. Eichbosonen oder Top-Quarks an seiner Entstehung beteiligt. Zusammenstöße bei höheren Energien, wie etwa diejenigen am LHC, erleichtern daher die Erzeugung von Higgs-Bosonen ebenso wie die gewaltige Rate von Teilchenzusammenstößen.
    Aber selbst bei einer großen Produktionsrate gibt es doch auch weiterhin noch eine andere Herausforderung für die Beobachtung des Higgs-Bosons – nämlich die Art und Weise, wie es zerfällt. Das Higgs-Boson ist wie viele andere schwerere Teilchen nicht stabil. Man beachte, dass es ein Higgs-Teilchen, und nicht das Higgs-Feld ist, das zerfällt. Das Higgs-Feld breitet sich durch das gesamte Vakuum aus, um Elementarteilchen Masse zu verleihen; es verschwindet nicht. Das Higgs-Boson ist ein wirkliches Teilchen. Es ist die feststellbare experimentelle Konsequenz des Higgs-Mechanismus. Wie andere Teilchen auch kann es in Beschleunigern erzeugt werden. Und wie andere instabile Teilchen existiert es nicht ewig. Da der Zerfall im Wesentlichen sofort stattfindet, ist die einzige Möglichkeit, ein Higgs-Boson zu finden, seine Zerfallsprodukte zu entdecken. Das Higgs-Boson zerfällt in die Teilchen, mit denen es wechselwirkt – nämlich alle Teilchen, die eine Masse durch den Higgs-Mechanismus erwerben und die leicht genug sind, um erzeugt zu werden. Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen aus dem Zerfall eines Higgs-Bosons hervorgehen, müssen diese Teilchen jeweils weniger als die Hälfte seiner Masse wiegen, damit die Energie erhalten bleibt. Aufgrund dieser Bedingung wird das Higgs-Teilchen in erster Linie in die schwersten Teilchen zerfallen, die es erzeugen kann. Das Problem ist jedoch, dass das bedeutet, dass das relativ leichte Higgs-Boson nur selten in die Teilchen zerfällt, die sich am leichtesten identifizieren und beobachten lassen.
    Wenn das Higgs-Boson den Erwartungen trotzt und nicht leicht ist, aber seine Masse sich als größer als die doppelte W -Bosonenmasse (aber weniger als das Doppelte der Masse des Top-Quarks) erweist, wird die Suche nach dem Higgs-Teilchen relativ einfach sein. Das Higgs-Teilchen, das eine hinreichend große Masse hätte, würde praktisch dauernd in W - oder Z -Bosonen zerfallen (siehe den Zerfall in W -Bosonen in Abbildung 52). Experimentalphysiker wissen, wie man die übrigbleibenden W - und Z -Bosonen identifiziert, so dass die Entdeckung des Higgs-Teilchens nicht sehr schwierig wäre.

Abb. 52: Ein schweres Higgs-Boson kann in W -Eichbosonen zerfallen.
    Der nächste wahrscheinlichste Zerfallsmodus in diesem relativ schweren Higgs-Szenario würde ein Bottom-Quark und sein Antiteilchen beinhalten. Die Rate für den Zerfall in ein Bottom-Quark und seine Antiteilchen wäre jedoch viel kleiner, weil das Bottom-Quark eine viel kleinere Masse – und daher eine viel geringere Wechselwirkung mit dem Higgs-Boson – als das W -Eichboson hat. Ein Higgs-Teilchen, das schwer genug ist, um in W -Bosonen zu zerfallen, wird sich in weniger als einem Prozent der Fälle in Bottom-Quarks verwandeln. Zerfallsprozesse in leichtere Teilchen würden noch seltener stattfinden. Wenn also das Higgs-Boson relativ schwer ist – schwerer als wir erwarten –, wird es in schwache Eichbosonen zerfallen. Und diese Zerfallsprozesse