Teilchen-EntdeckungDer Higgs-Hype ist voreilig!

Lange wartete die Öffentlichkeit auf die Entdeckung des vermeintlichen Gottesteilchens. Nun ist die Sensation da. Doch gefunden ist das Higgs nur fast, meint Robert Gast von 

Teilchenkollision, die der CMS-Detektor am Kernforschungszentrum Cern aufgenommen hat. In einem riesigen Datenwust fanden Physiker Hinweise auf ein neues Teilchen auf.

Teilchenkollision, die der CMS-Detektor am Kernforschungszentrum Cern aufgenommen hat. In einem riesigen Datenwust fanden Physiker Hinweise auf ein neues Teilchen.  |  © Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images

Wenn sich Physik und Popkultur begegnen, handelt es sich meistens um ein Missverständnis. Wie im Falle von Peter Higgs, einem mittlerweile 83-jährigen Rentner, der vor 48 Jahren einen guten Einfall hatte. Die Idee sollte eine Schlüsselrolle in dem mikroskopischen Modell einnehmen, mit dem Physiker seit einem halben Jahrhundert das Universum beschreiben. Obwohl er an der eigentlichen Ausarbeitung keinen Anteil mehr hatte, wird die Pionierarbeit dem Schotten – sowie zwei seiner Kollegen, die parallel denselben Mechanismus entwickelten – vermutlich den Nobelpreis sichern.

Zum Popstar taugt indes weder Peter Higgs , noch das nach ihm benannte Teilchen. Als Higgs, dem Menschen, heute auf der großen Verkündung am Kernforschungszentrum Cern das Mikrofon hingehalten wurde, bedankte er sich schüchtern bei den Tausenden Physikern und Technikern, die den weltgrößten Teilchenbeschleunigern zu einem Erfolg gemacht haben. Mehr hatte er nicht zu sagen.

Noch blasser kam das neu entdeckte Teilchen daher: Ein winziger Hubbel in einem Punktediagramm, inmitten Dutzender Folien voller kryptischer Zahlen und griechischer Buchstaben.

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Es bedurfte der Übersetzungsarbeit von Cern-Direktor Rolf-Dieter Heuer, um das darin enthaltene Ergebnis zu erklären: Für Laien gelte das Higgs-Teilchen als gefunden, sagte Heuer nach den wissenschaftlichen Vorträgen. Für Physiker ist die Sache allerdings etwas komplizierter. Nach den strengen Regeln der Teilchenphysik fehlt noch eine Haaresbreite, damit man von einer Entdeckung sprechen kann. Die nötige Signifikanz von fünf Sigma kann bisher nur der Atlas-Detektor vermelden, einer von zwei Messsystemen. Das CMS-Experiment, dessen Ergebnisse bereits in den vergangenen Tagen publik wurden , scheitert hingegen knapp an der Hürde.

Elementarteilchen: Materie

Als Elementarteilchen werden all jene Bausteine bezeichnet, die (soweit Physiker wissen) nicht weiter zerlegbar sind.

Das bekannteste Elementarteilchen ist das Elektron, das gemeinsam mit den selteneren Myonen und Tauonen zu den Leptonen zählt. Neben diesen drei Leptonen gibt es noch drei unterschiedliche Neutrinos, die ebenfalls zu den Elementarteilchen zählen. Neutrinos entstehen etwa bei der Kernspaltung in Atomkraftwerken oder bei der Kernfusion in der Sonne.

Darüber hinaus gibt es sechs weitere Elementarteilchen, die Quarks. Aus ihnen bestehen etwa Protonen und Neutronen, aus denen der Kern eines Atoms aufgebaut ist.

Zusammen bilden diese insgesamt 12 Elementarteilchen die Grundbausteine der Materie. Entsprechend gibt es 12 Antiteilchen, die die Antimaterie bilden.

Kräfte

Nicht alle Elementarteilchen sind Bestandteil der Materie. Es gibt fünf weitere Elementarteilchen, die als Austauschteilchen Kräfte übertragen.

Das Gluon klebt Quarks im Atomkern zusammen, das Photon vermittelt die elektromagnetische Kraft. W-- und W+- Teilchen sowie Z-Teilchen spielen beim radioaktiven Zerfall eine Rolle.

Insgesamt gibt es daher also derzeit 29 Elementarteilchen, die im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik die Zusammensetzung der Welt erklären.

Higgs-Boson

Ein möglicher Kandidat für das 30. Elementarteilchen ist das Higgs-Boson, das Forscher mithilfe des Teilchenbeschleunigers LHC im Forschungszentrum Cern nachgewiesen haben.

Nach einer Theorie des britischen Physikers Peter Higgs aus den sechziger Jahren muss ein bislang unbekanntes Feld (Higgs-Feld) alles durchdringen und sämtlichen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleihen. Der Physiker erhielt 2013 zusammen mit François Englert für seine Theorie den Nobelpreis.

Physiker vergleichen den Higgs-Mechanismus gerne mit einer Cocktailparty unter Politikern: Zu Anfang sind die Anwesenden gleichmäßig verteilt, doch sobald der Premierminister den Raum betritt, zieht er andere Politiker stark an und sammelt sie haufenartig um sich herum. Bewegt er sich im Laufe der Party durch den Raum, wenden sich ihm ständig neue Zuhörer zu, während andere die Menschentraube verlassen.

So erhält der Premierminister ein größeres Gewicht – und auf ähnliche Weise erzeugt das hypothetische Higgs-Feld die Masse der Elementarteilchen. Eine einst als unveränderlich angesehene Eigenschaft wie die Masse wäre demnach nur das Ergebnis einer Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld – eine seltsame Vorstellung, die aber für Physiker nichts Ungewöhnliches ist.

Mit demselben Bild lässt sich auch eine weitere Folgerung aus der Theorie erklären: Der Cocktailparty-Mechanismus funktioniert nämlich auch, wenn ein Gerücht den Raum durchquert. Darum scharen sich ebenfalls Zuhörer und verleihen ihm so eine (wenn auch flüchtige) Masse. Auf ähnliche Weise soll das Higgs-Feld ein Higgs-Teilchen hervorbringen. Dessen Nachweis ist somit der beste Beleg für die ganze Theorie.

Hinzu kommt, dass eine Frage bisher unbeantwortet ist: Handelt es sich bei dem Fund tatsächlich um das Higgs-Teilchen? Um sie zu beantworten, müssen noch weitere Messungen und Analysen durchgeführt werden, die nur mit sehr viel Glück Monate, sehr viel wahrscheinlicher aber Jahre dauern werden. Rätselhaft ist etwa, wieso noch kein Überschuss an sogenannten W-Bosonen aus den Teilchenkollisionen in dem unterirdischen Kreisbeschleuniger hervorging. Ohne ihn werden Zweifel bestehen bleiben, ob man es nicht mit etwas ganz anderem als dem Higgs zu tun hat. Auch muss in mühsamer Arbeit der Spin (eine Art Eigendrehimpuls) des Teilchens vermessen werden, genauso wie die bevorzugte Richtung, in die die Zerfallsprodukte schießen.

Leserkommentare
  1. Vielleicht habe ich den Artikel nicht ganz verstanden, aber wieso kann man der Öffentlichkeit mitunter allen interessierten Physikern der Welt, nicht mitteilen, dass die geld- und zeitintensive Suche in die richtige Richtung läuft?

    Was hat das mit Popstars zu tun?

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    • Gnervt
    • 04. Juli 2012 17:26 Uhr

    dass der wissenschaftliche beweis noch nicht annähernd erbracht ist und trotzdem davon geredet wird.
    quasi ein mimimi gegen die vorfreude :)

    ich finds klasse wenns stimmt, aber bin auch nicht traurig wenn nicht, da ich überhaupt keine ahnung hab was mir das selber bringen soll.

    und an beiträgen über dinge die gefunden wurden, aber eigentlich noch garkeine sind, weil es noch nicht bewiesen wurde, weil ja da noch das und das gemacht werden muss um nacher dann auch wirklich sagen zu dürfen, dass das was wir finden wollten gefunden wurde obwohl wir noch nicht sagen dürfen das das sein könnte.... usw.. hab ich auch nicht wirklich interesse.

    lg gnervt

    ... allein unsere klamme Bundesregierung sagenhafte 180 Millionen jährlich für diesen Schwachsinn ausgibt !

    Und genau deshalb gibt es diese reißerischen Aufmachungen der Wissenschaft, denn die Fördertöpfe und damit das eigene horrende Einkommen muss ja weiterhin gewährleistet sein !

    Aber vielleicht schaffen es die wissenshungrigen Physiker irgendwann einmal die Bad Banks der deutschen Steuerzahler auch durch diesen Tunnel zu jagen und die jetzt schon verschleuderten Milliarden zerfallen zu "Gottesteilchen".

    Aha - "die richtige Richtung" also... wohin führt die denn? Abgesehen von Popularität durch Missbrauch des Gottesbegriffs und Selbstbeweihräucherung einer mittlerweile von der menschlichen Erlebens- und Begreifenswelt völlig losgelösten "Wissenschaft"? Wissen als Selbstzweck?

    • Nibbla
    • 04. Juli 2012 17:20 Uhr

    ... benutzt werden.

    Wie zb bei der Sache mit den Neutrinos und Lichtgeschwindigkeit.
    Da wurde überall geschrieben, Lichtgeschwindigkeit geknackt!!! und so ein Schmarren obwohl den meisten Beteiligten klar war, dass es warsch nur ein Meßfehler war den man nur finden musste bzw diese Meßungen wiederholbar sein hätten müssen. (nach halben Jahr war dann endlich Ruhe)

    Und hier zum Beispiel des Gottesteilchen, weil sonst wärs ja nicht interessant.

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    ...die Medien drehen sich um sich selbst und hyperventilieren. Wie immer also. Schön, dass sie dabei wissenschaftliche Themen für sich entdeckt haben, tragisch nur, dass das die Wissenschaft offenbar unter Druck zu setzen vermag...

  2. Ich, als Laie, wundere mich schon den ganzen Tag warum das Teilchen nun als gefunden gilt, wenn doch eigentlich noch gar nichts klar ist und wenn nicht die, selbst auferlegte, Signifikanz-Schwelle erreicht wurde.

    Ihr Artikel bestätigt, dass ich mit meinen Zweifeln nicht daneben liege und dass das Ganze nur eine Publicity-Veranstaltung ist.

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    Die selbst auferlegte Signifikanz-Schwelle ist sicher gut begründet. Aber eben auch selbst auferlegt und damit willkürlich.

    Der Punkt ist, dass die Menschheit, wie schon Heisenberg erfahren musste, die Grenzen der experimentellen Überprüfbarkeit ihrer Hypothesen zur Erklärung der Welt erreicht hat.

    Um zu erklären, was gefunden wurde, muss ich kurz ausholen:
    Das Higgs-Teilchen ist ein Teilchen, das nicht lange genug stabil bleibt, um mit Lichtgeschwindigkeit einen Detektor zu erreichen. Laut theoretischer Vorhersage zerfällt es praktisch sofort in Tochterteilchen. Wenn man dieses Tochterteilchen findet, kann man allerdings durch addieren ihrer Eigenschaften (z.B. Impuls und Masse) auf die Eigenschaften des ursprünglichen Teilchens zurückschließen.
    Der Trick besteht darin, ALLE Tochterteilchen des Zerfalls zu finden... und nichts zu verwechseln. Verwechslungen sind deshalb häufig, weil man praktisch immer Teilchen im Detektor hat, die wie Tochterteilchen aussehen, aber nichts mit dem Higgs zu tun haben. Man muss deshalb gut überlegen, welche Zerfällsarten auffällig genug sind, dass man die echten Tochterteilchen aus dem sonstigen Wust heraussuchen kann.
    Für ein Teilchen kann es schnell über 100 Zerfallsarten geben, die man übrigens Zerfallskanäle nennt. Wenn Physiker Zerfallskanäle diskutieren, sieht der Laie leider nur die im Artikel angesprochenen griechischen Buchstaben... die Namen der Tochterteilchen... und seltsame gerade und gewellte Pfeile... die sogenannten Feynman-Diagramme, die als Kurzschrift die beim Zerfall wirkenden Kernkräfte beschreiben.

    Am LHC wurde in den letzten zwei Jahren eine große Zahl von Teilchenzerfällen mit den zwei großen Experimenten CMS und ATLAS aufgezeichnet. Weil Beschleuniger und Experimente inzwischen besser und schneller als erhofft funktionieren, konnten zum ersten Mal genug Zerfälle vermessen werden, um zumindest theoretisch in zwei Zerfallskanälen eine auffällige Zahl von Higgsteilchen finden konnte.

    In diesen Zerfallskanälen haben CMS und ATLAS unabhängig voneinander ein Teilchen beobachtet. In zwei weiteren Zerfallskanälen wurde (noch) nichts gefunden. Entweder weil dieses Teilchen nicht oder sehr selten auf diese Art zerfällt (dann waren die Zerfälle nicht da) oder weil es zu vielen Verwechslungen kam. Dann waren die Zerfälle da, wurden aber wie die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen verdeckt. Die Dozenten haben darauf hingewiesen, dass es sich wahrscheinlich um Verwechslungen handelt. Man wird weiter messen müssen, um diese Frage zu klären.

    Bis dahin kann man festhalten:

    ATLAS und CMS haben mit der nötigen Signifikanz (5 Sigma und 4,9 Sigma) EIN neues Teilchen entdeckt. Dieses hat eine Masse von 125 GeV/c² und zerfällt in zwei Zerfallskanälen, die für das Higgs vorhergesagt wurden. Das Teilchen sieht also in den wenigen bereits bekannten Details genau so aus, wie sich die theoretischen Physiker ein Higgs vorstellen.

    Es könnte sich allerdings auch um ein bisher unbekanntes Teilchen handeln, das zwar rein zufällig wie das vorhergesagte Higgs aussieht, aber etwas ganz anderes ist. Das wäre eine Überraschung… aber die Natur ist eben manchmal für Überraschungen gut.

    Bevor man das neue Teilchen offiziell als Higgs-Teilchen anerkennt, müssen noch weitere Eigenschaften vermessen werden. Das ist kompliziert, wird die Wissenschaftler noch reichlich Zeit und Nerven kosten und in der Öffentlichkeit vermutlich kaum wahrgenommen werden. Trotzdem muss es erledigt werden.

    Bis die Frage endgültig geklärt ist, gilt das neue Teilchen als sogenannter Higgs-Kandidat.

    • Gnervt
    • 04. Juli 2012 17:26 Uhr

    dass der wissenschaftliche beweis noch nicht annähernd erbracht ist und trotzdem davon geredet wird.
    quasi ein mimimi gegen die vorfreude :)

    ich finds klasse wenns stimmt, aber bin auch nicht traurig wenn nicht, da ich überhaupt keine ahnung hab was mir das selber bringen soll.

    und an beiträgen über dinge die gefunden wurden, aber eigentlich noch garkeine sind, weil es noch nicht bewiesen wurde, weil ja da noch das und das gemacht werden muss um nacher dann auch wirklich sagen zu dürfen, dass das was wir finden wollten gefunden wurde obwohl wir noch nicht sagen dürfen das das sein könnte.... usw.. hab ich auch nicht wirklich interesse.

    lg gnervt

    Antwort auf "Popkultur?"
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    • PGMN
    • 04. Juli 2012 19:29 Uhr

    ... denn zwar ist der Beweis nicht erbracht, aber annähernd ist er das schon.

    • zimra
    • 04. Juli 2012 17:27 Uhr

    die dieses Milliardenprojekt liefert Messfehler und eine Buchvorlage für Illuminati. Es ist trotzdem wichtig dass man diese Art von Forschung intensiv betreibt.
    Die Betreiber sollten jedoch nicht unbedingt auf Druck und um jeden Preis mit unsicheren Werten an die Öffentlichkeit gehen.
    Auf keinen Fall sollten sie aber die Theorien des Herrn Einstein voreilig in Frage stellen.

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    "Die Betreiber sollten jedoch nicht unbedingt auf Druck und um jeden Preis mit unsicheren Werten an die Öffentlichkeit gehen."

    Warum eigentlich nicht? - Warum darf die interssierte Fangemeinde nicht mitkriegen, dass vermutet und Vermutungen verworfen werden? Meines Erachtens steckt dahinter die Erwartung, dass die Wissenschaft Dogmen zu liefern habe, die, wenn sie einmal verkündet sind, unumstößlich sein müssen. Das wäre dann aber keine Wissenschaft mehr, sondern Ideologie.

    Und wenn die Entdeckung ein bisschen dramatisch rüberkommt: Was ist denn schlimm daran, wenn der Financier des ganzen Unternehmens auch etwas Unterhaltsames erwartet, was - Harald Lesch u.a. sei Dank! - nicht ausschließt, dass man auch etwas lernt?

    Wohl nix!

  3. Ja,ja, ja... ganz netter Artikel.
    Aber wo ist den jetzt das "Gottesteilchen"? :D

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    .
    Wo es ist? Na überall (wo Teilchen sind).
    Je nach Sichtweise:
    a) überall
    b) nirgendwo

  4. ja ich gebe zu einer zu sein und ich weiß das "Engineering - this is where the semi-skilled workers realize the work of better minds. Hello, Oompah-Loompahs of science."

    und

    "Engineering is merely the slow, younger brother of physics. Watch and learn."

    Wo ist der praktische Nutzen der ganzen Angelegenheit. Dafür ein kurze und pregnante Erklärung, ansonsten ist das ganze imho Cluster Fing. und nur PR um die Geldhähne weiter offen zu halten.

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    • tobmat
    • 04. Juli 2012 18:13 Uhr

    "Wo ist der praktische Nutzen der ganzen Angelegenheit. "

    Das fragte sich die Welt auch, als Einstein seine Relativitätstheorie veröffentlichte. Heute kennen wir den praktischen Nutzen seiner Arbeit. Haben sie Geduld.

    • ludna
    • 04. Juli 2012 18:30 Uhr

    aber ich sehe es ähnlich wie Sie und stimme dem Artikel zu.

    Ich glaube, man stand am CERN unter Rechtfertigungsdruck, vielleicht spielt auch Finanzierung und Euro-Krise eine Rolle.

    Warten wir ab, wie es weiterläuft.

    ein bisschen mehr zu verstehen ist nicht Zweck genug?

    der Grundlagenforschung zu schätzen wissen.

    Klar, man kommt in den weitaus meisten Ingenieurwissenschaften auch mit der Newtonschen Mechanik ganz gut zurecht. Aber ohne die Einsteinsche Korrektur, die von Zeitgenossen gewiss zunächst auch als von beschränktem praktischen Nutzen angesehen wurde, könnte zum Beispiel kein GPS-Satellit funktionieren. Was ist der praktische Nutzen der Quantenmechanik? Ein Quanteneffekt mit Alltagsrelevanz wäre z.B. der Laser, der seinen Dienst u.a. in jedem CD/DVD-Player und an den meisten Supermarktkassen verrichtet... mithin sollte jeder Laie erkennen, dass es offensichtlich nicht zielführend ist, einen Mangel an Zugänglichkeit (i.S. von leichtem Verstehen) oder das Fehlen eines direkten praktischen Bezugs zum Kriterium für die Forschungsfinanzierung zu machen.

    Der eigentliche Wert solch fundamentaler Theoriegebäude liegt darin, dass sie auf praxisnähere Bereiche der Wissenschaft unglaublich befruchtend wirken. Wenn in einem Pharmaunternehmen die Bindung eines neuen Wirkstoffs an einen Interaktionspartner am Computer optimiert wird, wird ganz selbstverständlich auf quantenmechanische Rechnungen zurückgegriffen, weil diese die Wirklichkeit am besten reproduzieren.

    Diejenigen, die Anfang des vergangenen Jahrhunderts die Quantenmechanik erfunden haben, haben dabei sicher zuletzt an eine Hilfestellung für die Medikamentenentwicklung gedacht. Man muss (ja man kann!) die Anwendung in den Naturwissenschaften eben nicht immer mitdenken.

    • CM
    • 04. Juli 2012 17:39 Uhr

    Grandios, das Higgs-Boson wurde möglicherweise ein bißchen gefunden. Daß "Bild" noch keinen Schmu damit getrieben und den Grünen die Schuld daran gegeben hat darf hingegen als kleines Wunder gelten.

    Und da jeder von uns in 99,99% aller Wissenschaften ein Laie ist will ich eine laienhafte Theorie aufstellen.

    Wenn dieses Teilchen der Materie überhaupt die Masse verleiht, dann hat das auch Nachteile:

    Stark Übergewichtige werden neben den Klassikern "schwere Knochen", "wegen der Hormone" und "erblich bedingt" nun auch noch die Ausrede benutzen:

    "Mein Arzt sagt, ich habe zu viele Higgs-Bosonen!"

    Darauf noch ein Teilchen zum Kaffee!

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  • Schlagworte Peter Higgs | Cern | Blogger | Grundlagenforschung | Kosmos | Materie
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