In einer wissenschaftlichen Geistergeschichte hat ein US-Atomzerstörer 3,5 Jahre nach seiner Abschaltung einen wichtigen wissenschaftlichen Beitrag geleistet. Wissenschaftler berichten, dass der Tevatron-Collider in Batavia, Illinois, neue Details über die Natur des berühmten Higgs-Bosons geliefert hat – das Teilchen, das der Schlüssel zur Erklärung der Physiker ist, wie andere fundamentale Teilchen ihre Masse und das Stück in einer Theorie namens Standardmodell erhalten. Das neue Ergebnis untermauert die These, dass das Higgs, das an einer anderen Atomsprengmaschine entdeckt wurde, genau zu den Vorhersagen des Standardmodells passt.
„Dies ist eine sehr interessante und wichtige Arbeit, weil es ein anderer Mechanismus ist“, um die Eigenschaften des Higgs zu untersuchen, sagt John Ellis, ein Theoretiker am King’s College London und am CERN, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Dies ist der Schwanengesang“ für das Tevatron, sagt er.
Das Tevatron, ein 7 Kilometer langer, ringförmiger Collider am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois, lief von 1983 bis September 2011. Er sah Hinweise auf das Higgs-Boson, entdeckte das Teilchen aber nie. Diese Ehre wurde Physikern zuteil, die am Large Hadron Collider (LHC) arbeiten, einer 27 Kilometer langen Atomsprengmaschine am CERN, dem europäischen Labor für Teilchenphysik in der Nähe von Genf, Schweiz. Sie gaben ihre Entdeckung im Juli 2012 bekannt.
Sobald die Physiker am LHC das Higgs entdeckten, legten sie seine Masse fest: 125 Giga-Elektronenvolt, das entspricht etwa der 133-fachen Masse des Protons. Doch das Teilchen hat noch weitere charakteristische Eigenschaften. Wie alle Elementarteilchen hat das Higgs einen festen und quantisierten Drehimpuls oder Spin. Es hat auch eine Symmetrieeigenschaft, die Parität, die entweder gerade oder ungerade sein kann und die zum Beispiel die Art und Weise beeinflusst, wie das Higgs in andere Teilchen zerfallen kann. Nach dem Standardmodell sollte das Higgs einen Spin von Null und eine positive Parität haben. Es ist jedoch denkbar, dass das beobachtete Teilchen null Spin und negative Parität oder zwei Einheiten Spin und positive Parität haben könnte. Viele Physiker wären begeistert, wenn das Higgs eine solche exotische „Spin-Parität“ hätte, da dies auf neue Phänomene hinweisen würde, die vom Standardmodell nicht vorhergesagt werden.
In der Tat haben Experimentatoren, die mit den beiden größten Teilchendetektoren arbeiten, die vom LHC gespeist werden – den massiven Geräten namens ATLAS und CMS – bereits mit hoher Sicherheit gezeigt, dass das Higgs-Boson null Spin und gerade Parität hat. Dazu untersuchten sie den Zerfall des Higgs in bekannte Teilchen, wie ein Paar Photonen oder ein Paar massereicher Teilchen, genannt Z-Bosonen. Aus den Winkelverteilungen dieser entstehenden Tochterteilchen konnten die Physiker den Spin und die Parität des Eltern-Higgs bestimmen.
Die Forscher, die mit den Daten des Tevatrons arbeiteten, gingen einen anderen Weg. Statt die Zerfälle des Higgs zu untersuchen, suchten sie nach Anzeichen für ein Higgs, das im Tandem mit einem Z-Boson oder einem W-Boson erzeugt wird, also Teilchen, die die schwache Kernkraft vermitteln, wie sie in einer Publikation in Physical Review Letters erklären. (Es wurde angenommen, dass das Higgs in ein Teilchenpaar zerfällt, das als Bottom-Quark und Anti-Bottom-Quark bekannt ist.) Aus den Energien und Impulsen des Higgs und seines Partners berechneten die Forscher dann eine Größe, die man die invariante Masse für das Paar nennt. Wären das Higgs und der Partner aus dem Zerfall eines einzelnen Elternteilchens entstanden, wäre diese Größe die Masse dieses Elternteils. In Wirklichkeit würden das Higgs und sein Partner direkt aus dem Chaos der Teilchenkollision entstehen, das Elternteilchen ist also rein hypothetisch.
Dennoch konnten die Forscher durch die Berechnung der Masse dieses hypothetischen Elternteilchens stellvertretend für verschiedene Kombinationen von Spin und Parität testen. Hätte das Higgs eine „exotische“ Spin-Parität und nicht die Eigenschaften des Standardmodells, wäre die beobachtete invariante Masse höher. Also suchten die Forscher, die mit den beiden vom Tevatron gespeisten Teilchendetektoren – CDF und D0 – arbeiten, nach solchen hochinvarianten Massenpaaren. Da sie keine fanden, schlossen sie noch exotischere Versionen des Higgs aus. Obwohl die Tevatron-Physiker das Higgs-Boson also nie eindeutig beobachten konnten, waren sie in der Lage, seine Eigenschaften einzugrenzen.
Technisch gesehen sind die neuen Tevatron-Grenzwerte etwas stärker als die Grenzwerte der LHC-Experimente, sagt Dmitri Denisov, ein Physiker am Fermilab, der an D0 arbeitet. Aber Ellis vom CERN sagt, dass ATLAS und CMS die Angelegenheit bereits im Wesentlichen geklärt hatten.
In der Tat haben die Tevatron-Forscher eine Gelegenheit verpasst, ihre LHC-Kollegen beim Spin und der Parität des Higgs zu übertrumpfen, sagt Ellis. Nur wenige Wochen, nachdem die Forscher am LHC das Higgs entdeckt hatten, erklärten Ellis und Kollegen in einem Papier, wie die Tevatron-Teams die Technik der invarianten Masse auf ihre archivierten Daten anwenden könnten, um den Spin und die Parität des Higgs auf dem „schnellen Weg“ zu testen. Aus technischen Gründen wäre die Technik bei Tevatron-Daten empfindlicher als bei LHC-Daten, erklärten sie, weil das Tevatron Protonen und Antiprotonen kollidieren ließ, während der LHC Protonen und Protonen kollidieren ließ. Aber am Ende ging die Tevatron-Analyse langsam voran, da die Mitglieder des CDF- und D0-Teams abreisten, um am LHC zu arbeiten. „Dieses Ergebnis hat eher den Charakter eines ‚wir auch‘, als dass es das erste ist, wie wir gehofft hatten“, sagt Ellis.
Denisov stimmt zu, dass der Mangel an Leuten den Fortschritt behinderte. Er merkt an, dass die ganze Idee schon vor dem Fund des Higgs hätte ausprobiert werden können: „Wäre es ein Jahr früher zu uns gekommen, hätten wir vielleicht den Spin und die Parität des Higgs bestimmen können, noch bevor es entdeckt wurde.“
Für Higgs-Studien am Tevatron „ist das im Grunde alles“, sagt Denisov. In der Zwischenzeit wollen die Physiker, die am LHC arbeiten, andere Eigenschaften des Higgs mit höherer Präzision untersuchen. Insbesondere hoffen sie, bis auf wenige Prozentpunkte genau messen zu können, wie schnell das Higgs in verschiedene Kombinationen von bekannteren Teilchen zerfällt, und dies mit den Vorhersagen des Standardmodells zu vergleichen. Die Forscher sagen, dass diese Arbeit etwa 15 Jahre dauern sollte.