Lang lebe das Standardmodell

Das Standardmodell der Teilchen­physik kann der Weisheit letzter Schluss nicht sein. Die Existenz dunkler Materie und eine Reihe anderer funda­mentaler Probleme führen zur Frage, an welcher Stelle dieses enorm erfolg­reiche Modell der Elementar­teilchen und der vermi­ttelnden Naturkräfte denn zusammenbricht und wo sich unerwartete Effekte einer neuen Physik zeigen könnten. Eine wichtige Bedeutung bei der Suche nach Physik jenseits des Standard­modells kommt dabei der Untersuchung des Higgs-Bosons zu: Denn als besonders schweres Teilchen sollten sich bei ihm auch überschwere und bislang nicht zu erzeugende hypothetische Teilchen in den Zerfalls­statistiken bemerkbar machen. Über verschiedene Beiträge zu den virtuellen Kanälen in den ent­sprechenden Feynman-Diagrammen würden solche Partikel – eventuell schwere super­symmetrische Teilchen – die Zerfalls­kanäle des Higgs-Bosons beein­flussen und zu Werten führen, die nicht mit dem Standard­modell kompatibel sind. Das würde zwar auch die Zerfälle anderer Teilchen berühren, aber beim Higgs-Boson wäre dieser Effekt aufgrund seiner hohen Masse besonders stark.

Ein Zerfalls­kanal, der bislang nur schwer nachzu­weisen war, ist der des Higgs-Bosons in zwei Tau-Leptonen. Dieser schwere Bruder von Elektron und Myon hat eine Halbwerts­zeit von nur 2,9 × 10^-13 Sekunden und wiegt rund das 3500-fache eines Elektrons. Die Unter­suchung dieses Zerfalls ist für die Teilchen­physik nicht zuletzt deshalb von Interesse, weil alter­native Modelle eine andere Kopplung der Tau-Leptonen an das Higgs-Boson vorhersagen als das Standard­modell. Die Atlas-Kolla­boration am Large Hadron Collider (LHC) des Cern kann aller­dings nicht mit Über­raschungen aufwarten: Nach ihren neuesten Analysen verläuft dieser Zerfall so wie erwartet. Zwar sind die Fehler­balken bei diesem seltenen Zerfalls­kanal noch groß, aber alternative Modelle lassen sich bislang nicht aus den Daten ablesen. Die Kopplung des Higgs-Bosons an Fermionen ist jedoch ein Hinweis auf die Yukawa-Kopplung, die zwischen dem Fermionen-Feld und dem Higgs-Feld vermittelt und den Fermionen ihre Masse gibt.

Bei einer Schwerpunkts­energie von 13 TeV erzielte die Atlas-Kolla­boration eine statis­tische Signifikanz von 4,4 Sigma. Zusammen­genommen mit früheren Messdaten aus der Zeit, als der LHC mit sieben und acht TeV noch nie­drigere Schwerpunkts­energien bei den Proton-Proton-Kolli­sionen lieferte, ergibt dies eine Signi­fikanz von 6,4 Sigma. Noch sind die Fehler mit 28 Prozent jedoch beachtlich, weshalb es erst in Zukunft wirklich spannend werden dürfte, wenn man das Standard­modell auf Herz und Nieren prüfen möchte. 

Die Analyse hatte aber natur­gemäß nicht nur mit der Schwierig­keit zu kämpfen, dass die Taus nicht nur sehr kurzlebig sind, sondern auch, dass mindestens eines des Zerfalls­produkte ein Neutrino ist, das unsichtbar bleibt und Energie aus dem Detektor trans­portiert. Außerdem zerfällt das Z-Boson, das nur etwas leichter ist als das Higgs-Boson und sehr viel häufiger entsteht, ebenfalls in Pärchen aus Tau-Leptonen und erzeugt so einen starken Hinter­grund.

Diese Beobach­tungen am Atlas-Detektor decken sich mit Analysen des zweiten großen Universal­detektors am LHC, dem Compact Muon Solenoid (CMS). Auch die CMS-Kolla­boration hat diesen Zerfall bereits nachweisen können. Dabei konnten die Forscher sich bei einer Schwerpunkts­energie von der Proton-Proton-Kolli­sionen von 13 TeV eine Signi­fikanz von 4,9 Standard­abweichungen erreichen. Die CMS-Daten lagen knapp zehn Prozent über dem laut dem Standard­modell für diesen Zerfall erwarteten Wert; sie waren im Rahmen der Fehler­grenzen von etwa 26 Prozent jedoch völlig mit dem Standard­modell kompatibel. Fasst man diese Messungen mit älteren Higgs-Analysen zusammen, die bei Schwerpunkts­energien von sieben und acht TeV stattfanden, so erhöht sich die statistische Signifikanz der CMS-Messungen sogar auf 5,9 Standard­abweichungen.

Erst kürzlich hatte die Atlas-Kolla­boration, ebenso wie bereits die CMS-Kollaboration, die Kopplung des Higgs-Bosons an ein Paar aus Top-Quarks vermessen und dabei ebenfalls keine Abweichung vom Standard­modell fest­stellen können. Bis Ende dieses Jahres wird aber mit einer deutlichen Steigerung der Mess­genauigkeit zu rechnen sein. Es ist den Wissen­schaftlern und Technikern am LHC in den letzten Jahren gelungen, die Lumi­nosität des Teilchen­beschleunigers immer weiter zu steigern, unter anderem durch eine geschickte Neuan­ordnung der Protonen-Pakete, die im Ring zirku­lieren. In den letzten Monaten konnte so die erhoffte Luminosität sogar deutlich über­troffen werden, was der Messge­nauigkeit zugute kommt. Bislang ist etwa der Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen noch nicht nachweisbar und es lassen sich lediglich obere Grenzen angeben.

Dieses Jahr endet der Run 2 am LHC, dann geht es in den zweiten längeren Shutdown, nach dem im Jahr 2021 wohl endlich die ursprüng­lich anvisierten 14 TeV Schwerpunkts­energie erreicht werden. Ab dem Jahr 2025 soll mit Hilfe techno­logischer Neuerungen und einiger Umbau­arbeiten dann der High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) betriebsfertig sein. Damit sollten dann die ursprüng­lich geplanten Kollisions­raten um rund einen Faktor zehn zu über­treffen sein, wodurch die Beobachtung seltener Zerfälle möglich wird, die sich heute noch tief im Hintergrund­rauschen verstecken.

Dirk Eidemüller

JOL