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Das Higgs-Boson

Das Higgs-Boson ist das Teilchen des Standardmodells, das als letztes nachgewiesen wurde – folge diesem Link für weitere Details. Die beiden LHC-Experimente ATLAS und CMS gaben im Juli 2012 die Entdeckung eines neues Bosons bei einer Masse von ungefähr 125 GeV bekannt, auf das die Beschreibung des langgesuchten Higgs-Bosons passt.

Das Standardmodell trifft keinerlei Aussage über die Masse des Higgs-Bosons. Gibt man die Masse dieses Teilchens jedoch vor, so sagt diese Theorie erstaunlicherweise vorher, mit welcher Häufigkeit es in Teilchenkollisionen erzeugt und in welche bekannten Teilchen es zerfallen wird. Die folgende Grafik fasst zusammen, wie häufig ein 125 GeV Higgs-Boson in verschiedene bekannte Teilchen zerfällt.

Solch ein Higgs-Boson ist sehr massiv, sogar massiver als das Z-Boson und hat dadurch eine sehr kurze Lebensdauer. Dadurch kann es auch nur extrem kurze Distanzen zurücklegen, bevor es zerfällt. Dadurch kann es auch nicht direkt mit dem ATLAS-Detektor oder irgendeinem anderen Teilchendetektor nachgewiesen werden.

Das Higgs-Boson kann bei hochenergetischen Proton-Proton-Kollisionen im LHC (4 TeV pro Proton) erzeugt werden. ATLAS und CMS haben Zerfälle eines neues Bosons in

  1. zwei Z-Bosonen (führt zu zwei Paaren von elektrisch geladenen Leptonen),
  2. zwei Photonen und
  3. zwei W-Bosonen (führt zu zwei elektrisch geladenen Leptonen und zwei Neutrinos)
beobachtet. Kürzlich wurde zudem der Zerfall in zwei tau-Leptonen beobachtet.

In dieser Messung wirst Du die Möglichkeit haben in den ersten beiden Zerfallskanälen (i und ii) nach dem Boson zu suchen und dadurch nachvollziehen, was die Physikerinnen und Physiker am CERN geschafft haben.

Das Teilchen, das ATLAS und CMS 2012 entdeckt haben, wird üblicherweise als "Higgs-Teilchen" bezeichnet. Mehrere Eigenschaften des neuen Teilchens, darunter der Spin, wurden gemessen, und sie decken sich mit den Vorhersagen auf der Grundlage des Standardmodells. Der Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar von tau-Leptonen wurde bereits beobachtet, aber der Zerfall in ein Paar von bottom-Quarks ist noch unbewiesen.

Doch woran liegt es, dass solch „seltene“ Zerfallskanäle (wie H→γγ mit einer Häufigkeit von lediglich 0,2%) beobachtet werden können, während sich die „häufigen“ Zerfallskanäle (wie H→bb̅ mit 57%) einer Beobachtung entziehen? Der letztgenannte Zerfallskanal führt zur Ausbildung von zwei Jets. Diese Signatur ist wesentlich schwieriger von der viel häufiger auftretenden Produktion von gewöhnlichen (nicht vom Zerfall des Higgs-Bosons stammenden) Jets aus Prozessen der starken Wechselwirkung zu unterscheiden.

In zukünftigen Masterclasses wird es vielleicht möglich sein, auch diese „schwierigen“ Higgs-Zerfälle studieren zu können. Für jetzt wünschen wir viel Glück bei Deiner Suche nach dem Higgs-Boson, welches entweder in zwei Z-Bosonen oder in zwei Photonen zerfällt.

Ist es nicht schön, dass Du selber mit den Daten arbeiten kannst, deren Auswertung zur Entdeckung des Higgs-Bosons geführt hat?

Möchtest Du mehr über das Higgs-Teilchen wissen, so folge diesem Link. Im Standardmodell wird dem Higgs-Feld, das für den Ursprung der Teilchenmassen verantwortlich ist, das Higgs-Teilchen - ein Teilchen mit Spin 0 - zugeordnet. Nach diesem Teilchen wurde am LHC gesucht.