29.08.2018

Zerfall des Higgs-Teilchens nachgewiesen

Experimente am LHC zeigen zwei b-Quarks als Zerfalls­produkte.

Forscherteams der Teilchenexperimente ATLAS und CMS am Large Hadron Collider ist es erst­malig gelungen, den Zer­­fall des Higgs-Teil­chens in zwei b-Quarks zu beob­achten. Laut Theorie zer­fällt weit mehr als die Hälfte aller Higgs-Teil­chen in diese beiden Quarks, aller­dings ist es extrem schwierig, diesen Prozess aus den vielen anderen Dingen heraus­zu­filtern, die bei den Kolli­sionen im LHC am passieren. Das Ergebnis ist eine weitere Bestä­tigung der Theorie, die alle Teil­chen und Kräfte beschreibt, und ein weiterer Beweis, dass das Higgs-Teil­chen tat­säch­lich allen Elementar­teil­chen ihre Masse ver­leiht.

Abb.: Kollision im Teilchenbeschleuniger LHC, bei der ein Higgs-Teil­chen in zwei b-Quarks zer­fällt.( Bild: CMS Coll., CERN)

Quarks sind fundamentale Bausteine der Materie. Es gibt sechs Sorten von ihnen. Die uns ver­traute Materie besteht aus u- und d-Quarks, daneben gibt es s-, c-, b- und t-Quarks, die unter anderem in Teil­chen­beschleu­nigern ent­stehen können. Das 2012 am LHC ers­tmals nach­ge­wiesene Higgs-Teil­chen bildete den Schluss­stein des Standard­modells. Mit der genauen Unter­suchung der Eigen­schaften des nach dem britischen Theore­tiker Peter Higgs benannten Teil­chens hoffen Physiker besser zu ver­stehen, wie es anderen Elementar­teil­chen ihre Masse ver­leiht.

„In den Teilchenkollisionen im LHC werden unzählige b-Quark-Paare durch alle mög­lichen Prozesse erzeugt. Das macht es so schwer, genau die­jenigen heraus­zu­filtern, an deren Ent­stehung ein Higgs-Teil­chen beteiligt gewesen ist“, erklärt Kerstin Tack­mann vom DESY, die inner­halb der inter­natio­nalen ATLAS-Forschungs­koope­ra­tion die Higgs-Arbeits­gruppe leitet. „Um das Higgs-Signal im Ver­gleich zu den anderen Pro­zessen anzu­reichern, benutzen wir Signa­turen wie die Pro­duk­tion des Higgs-Teil­chens zusammen mit Aus­tausch­teil­chen der schwachen Wechsel­wirkung.“

„Wir haben endlich den am häufigsten vorkommenden Zerfall des Higgs-Teil­chens zweifels­frei ent­deckt“, sagt DESY-Forscher Rainer Mankel, der in der CMS-Koope­ra­tion die Arbeits­gruppe zum Higgs-Zerfall in zwei b-Quarks leitet. „Die Stärke seiner Wechsel­wirkung mit dem schwer­sten Quark, in das es über­haupt zer­fallen kann, unter­stützt ein­drucks­voll die Theorie, der zufolge die Elementar­teil­chen ihre Masse durch die Wechsel­wirkung mit dem Higgs-Feld erhalten.“ Die Wissen­schaftler wollen ganz genau wissen, wie Quarks und Higgs-Teil­chen mit­ein­ander inter­agieren. Einer­seits kann man so den Prozess, der Elementar­teil­chen Masse ver­leiht, besser ver­stehen. Ander­seits könnte jede Ano­malie im Ver­halten der Teil­chen, jede Abweichung von der zu Grunde liegenden Theorie, ein Hinweis auf etwas Neues und Uner­war­tetes sein.

Zu Beginn des LHC-Betriebs war nicht klar, ob die beiden Detek­toren CMS und ATLAS diese Messungen über­haupt machen können, aber sowohl der Teil­chen­beschleu­niger als auch die Detek­toren über­treffen regel­mäßig die Erwar­tungen an ihre Leistungs­fähig­keit. Und die Analyse­tech­niken wurden ent­schei­dend weiter­ent­wickelt, zum Beispiel mit komplexen Algo­rithmen, die auf maschi­nellem Lernen basieren. In den kommenden Jahren werden sowohl Detek­toren als auch Beschleu­niger umge­baut, um ab 2026 die Teil­chen­kolli­sions­rate auf ein Rekord­niveau von über fünf Milli­arden Proton-Proton-Kolli­sionen pro Sekunde zu erhöhen. Mit der deut­lich höheren Kolli­sions­rate und den neuen Detek­toren kann die Präzi­sion der Messungen in Zukunft deut­lich ver­bessert werden.

DESY / RK

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