Higgs-Teilchen verhält sich so, wie es Forscher erwarteten

Genf/Zürich. Eine wichtige Eigenschaft des Higgs-Teilchens haben Experten am Europäischen Kernforschungszentrum Cern nachgewiesen. Sie stellten erstmals den direkten Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Fermionen fest, ein Verhalten, wie es das Standardmodell der Teilchenphysik voraussagt. Die Studie wurde im Journal "Nature Physics" publiziert.

In der Fachsprache heißt das Boson nun meist BEH-Teilchen - nach den Physikern Robert Brout, François Englert und Peter Higgs. Die drei waren schon 1964 jenem Mechanismus auf der Spur, der masselosen Teilchen eine Masse verleiht. Brout starb 2011, am 4. Juli 2012 wurde am Cern die Entdeckung des Teilchens bekanntgegeben, Englert und Higgs durften im gleichen Jahr den Nobelpreis in Empfang nehmen.

Ermöglicht wurde die Entdeckung durch den 2009 in Betrieb genommenen, 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider). Dort werden Hadronen (wie zum Beispiel Protonen) nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und an vier Stellen zum Zusammenstoß gebracht. An diesen vier Kollisionspunkten befinden sich Detektoren (Atlas, CMS, LHCb, Alice, Totem LHCf), um die Wechselwirkungen der entstehenden Teilchenschauer zu untersuchen.

Bisher wurde der Nachweis des Higgs-Bosons durch den Zerfall des Teilchens in andere Bosonen erbracht. Nun gelang es Wissenschaftern des CMS (Compact-Muon-Solenoid)-Experiments den direkten Zerfall des BEH-Teilchens in Fermionen nachzuweisen. "Mit unseren laufenden Analysen beginnen wir den BEH-Mechanismus wirklich in der Tiefe zu verstehen", sagte CMS-Sprecher Tiziano Camporesi. "Bisher verhält er sich genau so, wie es von der Theorie vorhergesagt wurde." Die Forscher analysierten Daten, die von 2011 bis 2012 am LHC gesammelt wurden. Sie kombinierten dabei die Auswertungen zu Zerfällen des Higgs-Teilchens in Bottom-Quarks und in Tau-Leptonen, die beide zur Teilchen-Gruppe der Fermionen gehören.

Wichtiger Schritt

Die Resultate zeigen, dass es im Masse-Bereich des Higgs-Teilchens von 125 Gigaelektronenvolt zu einer Häufung dieser Zerfälle kommt, und zwar mit einer Signifikanz von 3,8 Sigma. Das bedeutet: Die Wahrscheinlichkeit, dass die Häufung allein aufgrund zufälliger Hintergrundprozesse zustande kommt, liegt bei etwa eins zu 14.000.

"Wir sind damit einen wichtigen Schritt weiter gekommen", erklärte Vincenzo Chiochia, Professor am Physik-Institut der Universität Zürich, dessen Gruppe an der Auswertung der Daten mitgearbeitet hat. "Wir wissen nun, dass das Higgs-Teilchen sowohl in Bosonen als auch in Fermionen zerfallen kann. Damit können wir gewisse Theorien ausschließen, die davon ausgingen, dass das Higgs-Teilchen nur in bestimmte Arten von Teilchen zerfällt."

Die Fermionen bilden als eine Gruppe der Elementarteilchen die Materie, während Bosonen als Träger von Kräften zwischen den Fermionen vermitteln. Gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik muss sich die Stärke der Wechselwirkung der Fermione mit dem Higgs-Feld proportional zu ihrer Masse verhalten. "Diese Voraussage wurde bestätigt", so Chiochia.