In Genf warten Physiker gerade gespannt darauf, dass der Teilchenbeschleuniger (LHC) nach gut drei Jahren Wartungszeit wieder auf Hochtouren kommt. Wenn die nötige Kollisionsenergie um den 5. Juli herum erreicht ist, werden in dem gigantischen unterirdischen Ring wieder Protonen in entgegengesetzter Richtung eingeschossen und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinandergejagt.
Bei den Kollisionen können seltene Produktions- und Zerfallsprozesse beobachtet werden, die vor genau zehn Jahren eine Weltsensation hervorgebracht haben: die europäische Organisation für Kernforschung (Cern) in Genf teilte am 4. Juli 2012 mit, dass das Higgs-Boson gefunden war. Das Teilchen bestätigt die Existenz des sogenannten Higgs-Feldes, das den Elementarteilchen ihre Masse verleiht.
Während die Fachleute in Genf sich von der neuen, dritten Teststrecke jede Menge neue Erkenntnisse für die Teilchenphysik erhoffen, kommt von Kollegen aus den USA eine kalte Dusche: Vom »Alptraum, nichts mehr zu finden«, schreibt das Fachmagazin »Science«. Der Nachweis des Higgs-Bosons war eines der Hauptziele, warum der Teilchenbeschleuniger in Genf gebaut wurde. Ist dessen Mission damit erfüllt? Was, wenn es nichts mehr zu entdecken gäbe?
Zwei Teilchen gleichzeitig beobachten
Schwingt da Neid mit auf der anderen Seite des Atlantiks, wo es auch einen Teilchenbeschleuniger gibt, das Higgs-Boson aber nicht entdeckt wurde? »Sie stehen (am Cern) vor einer Wüste, und sie wissen nicht, wie groß sie ist«, zitiert das Magazin den Physiker Marvin Marshak von der Universität Minnesota.
Der Cern-Teilchenphysiker Michael Dührssen-Debling sieht das anders. »Das Higgs Boson passt zwar wunderschön in die Theorie, aber da es so anders ist als alles andere was wir kennen, gibt es noch kein fundamentales Verständnis darüber, warum es so ist wie es ist«, sagt der gebürtige Darmstädter der Deutschen Presse-Agentur. Spannend sei herauszufinden, wie stark es sich an die bekannten Materieteilchen koppelt, oder welche Wechselwirkung zwei Higgs-Bosonen miteinander hätten. Weil zwei Higgs-Bosonen gleichzeitig zu beobachten höchst selten ist, müssten noch mehr Protonenkollisionen erzeugt werden.
Dührssen-Debling war vor zehn Jahren dabei, als am Cern endlich die Daten geliefert wurden, auf die die Fachwelt fast 50 Jahren gewartet hatte. Physiker, darunter Peter Higgs, hatten das Higgs-Boson theoretisch schon in den 60er Jahren vorausgesagt (dafür gab es 2013 den Physik-Nobelpreis), aber der Nachweis fehlte lange Zeit. Wie aufregend war also die Entdeckung damals am Cern?
Entdeckung in der Badewanne
»Es gab damals nicht den einen Heureka-Moment«, berichtet Dührssen-Debling der Deutschen Presse-Agentur. Heureka, altgriechisch für »Ich hab's gefunden«, soll Archimedes vor mehr als 2000 Jahren gerufen haben, als er in der Badewanne plötzlich eine bahnbrechende Entdeckung machte. In Genf ahnten Teilchenphysiker schon über Monate, dass sie einer Sensation auf der Spur waren. Allerdings erzeugen die Milliarden Protonen-Kollisionen pro Sekunde Unmengen von Daten, die erst am Computer ausgewertet werden müssen.
»Man hat in den Daten erst einige vielversprechende Signale gesehen, dann wieder welche, die sich als statistische Fluktuationen herausstellten«, sagt Dührssen-Debling über die aufregenden Monate vor dem Juli 2012. »Als wir dann ein deutliches Signal gesehen haben« - hier beschreibt Dührssen-Debling mit der Hand eine riesige Kurve - »da war natürlich große Aufregung«. Aber Physiker müssen es sehr genau wissen. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um eine Fehlinterpretation handelt, soll bei weniger als 1 zu 3,5 Millionen liegen. Als sie sich dieser Zahl annäherten, machten sie die Weltsensation am 4. Juli 2012 publik.
Teilchenphysiker rümpfen zwar die Nase, aber außerhalb der Fachwelt wird das Higgs-Boson gerne als »Gottesteilchen« bezeichnet. Der Name rührt daher, dass viele Teilchen ohne das Higgs-Feld keine fundamentale Masse hätten, ihnen damit grundlegende Eigenschaften fehlen würden und im Universum nichts so wäre wie es ist. Der Physiker David Miller fand dafür ein anschauliches Bild: Auf einer Party stehen viele Menschen, sie symbolisieren das Higgs-Feld. Wenn ein Promi hereinkommt, um zur Bar zu gehen, schafft er die ersten Schritte beschwingt, aber dann scharren sich immer mehr Menschen um ihn und er kommt langsamer voran - so, wie Elementarteilchen in einem Higgs-Feld Masse bekommen.
Auf den Grund gehen lohnt sich
Warum müssen die Teilchenphysiker die Dinge immer noch genauer wissen? »Grundlagenforschung«, sagt Dührssen-Debling. Das lohne sich immer, auch wenn am Anfang oft nicht abzusehen sei, was sich daraus entwickeln könne. Das Cern verweist auf Geräte und Verfahren, die dort entwickelt wurden und heute in der Medizin, vor allem der Krebstherapie und Tumorbekämpfung, eingesetzt werden. Oder auf das World Wide Web, Ausgangspunkt der digitalen Revolution, für das der Cern-Computerspezialist Tim Berners-Lee 1990 die Grundlage schuf.
Abgesehen von der weiteren Erforschung des Higgs-Bosons laufen am Cern weitere Experimente. Nicht ausgeschlossen wird die Entdeckung neuer Teilchen. »Es gibt Theorien, die neue Teilchen voraussagen, wie Sand am Meer«, sagt Dührssen-Debling. Nur Experimente könnten diese Theorien stützen oder widerlegen. Genauso interessant wäre es nach seinen Angaben, bei den bekannten Teilchen Eigenschaften zu finden, die den Erwartungen widersprechen. Erste Hinweise bei so genannten Beauty-Quarks gab es schon. Wenn sie sich erhärten, würde das auf eine unbekannte Naturkraft hindeuten und wäre eine neue Sensation.
Anwendungen aus der Teilchenphysik
Cern-Mitteilung Higgs Boson Juli 2012
Spektrum der Wissenschaft über Higgs Boson
Nature Reviews Studies über weitere Higgs Forschung (Juli 2021)
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