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Higgs-Boson koppelt auch an leichtere Teilchen

CERN-Forscher weisen erstmals Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen nach

Higgs-Zerfall
Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Myonen (rot) im CMS-Detektor – dies ist der erste Nachweis einer Wechselwirkung des Higgs mit einem leichteren Teilchen. © CERN/ ATLAS Collaboration

Neuer Einblick in das Rätsel der Masse: Physiker am Forschungszentrum CERN haben erstmals den Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Myonen nachgewiesen – und damit seine Kopplung auch an leichtere Elementarteilchen. Das könnte wertvollen Aufschluss darüber geben, wie das Higgs-Feld den Teilchen ihre unterschiedlichen Massen verleiht. Denn bisher waren nur Zerfälle und Kopplungen des Higgs-Bosons an die schwerste Teilchen-Generation beobachtet worden.

Das Higgs-Boson ist ein fundamentaler Baustein unseres physikalischen Weltbilds, denn erst der mit ihm verknüpfte Higgs-Mechanismus verleiht allem eine Masse. Eine solche Kopplung des Higgs-Bosons mit den schwersten Teilchen im Standardmodell haben Physiker bereits nachgewiesen, darunter Wechselwirkungen mit dem Top-Quark. Doch ob und wie das Higgs-Boson mit leichteren Partikeln interagiert und wie es bestimmt, welche Teilchen leichter oder schwerer sind, ist bislang offen.

Myonen-Überschuss
Gesamtheit der durch Zerfälle entstandenen Myonen (oben) und herausgefilterte Ereignisse mit Überschuss ei 125 GeV.© CERN/ CMS Collaboration

Das Higgs und die zweite Generation

Jetzt ist Physikern am CERN dazu ein wichtiger Durchbruch gelungen. Denn erstmals haben sie eine Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit einem Teilchen aus der zweiten, leichteren Teilchengeneration des Standardmodells nachgewiesen – dem Myon. Dieser schwerere „Bruder“ des Elektrons ist sehr kurzlebig und wird daher meist nur als Zerfallsprodukt bei Teilchenkollisionen oder in kosmischer Strahlung nachgewiesen.

Stimmen jedoch die Annahmen über das Verhalten des Higgs-Bosons, müsste dieses ebenfalls in zwei Myonen zerfallen können. „Dieser Di-Myon-Zerfall bietet die beste Chance, die Higgs-Interaktionen mit den Fermionen der zweiten Generation zu messen“, erklären die Physiker der ATLAS-Kollaboration am CERN. Allerdings ist dieser Zerfall sehr selten, denn er kommt den Modellen zufolge nur bei einem von 5.000 Higgs-Bosonen vor. Hinzu kommt, dass bei Kollisionen im Teilchenbeschleuniger auch Myonen aus anderen Ausgangspartikeln freiwerden.

Ein „Buckel“ in der Kurve

Die Myonenpaare aus dem Zerfall des Higgs-Bosons müssen daher erst durch aufwändige Analysen ihrer Eigenschaften aus diesem „Hintergrundrauschen “ isoliert werden. Den theoretischen Vorhersagen nach müsste sich dann ein kleiner Überschuss von Myonenpaaren mit rund 125 Gigaelektronenvolt Energie zeigen – etwa in dem Massenbereich, in dem auch das Higgs-Boson liegt. Auf der Suche nach diesem Signal haben die Physiker am CERN die Daten der zweiten Laufzeit des Large Hadron Colliders ausgewertet.

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Und sie wurden fündig: In den Daten von zwei der großen Detektoren am Teilchenbeschleuniger LHC konnten die Forscher einen leichten Überschuss am Myonenpaaren beobachten. Dieser „Buckel in der Kurve“ lag im Bereich um 125 Gigaelektronenvolt und damit an der von den theoretischen Modellen vorhergesagten Stelle.

Wechselwirkung mit der zweiten Generation

„Wir sind sehr stolz, dass wir diesen Zerfall der Higgs-Bosonen zu Myonen beobachten konnten“, sagt Roberto Carlin, Sprecher der CMS-Kollaboration. „Das ist der erste experimentelle Beleg für diesen Prozess.“ Am CMS-Detektor erreichte der Überschuss eine Signifikanz von drei Sigma. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um eine zufällige Abweichung handelt, liegt damit bei weniger als eins zu 700. In der Teilchenphysik gilt allerdings erst ein Wert von fünf Sigma als offizielle Entdeckung.

Dennoch sind die Physiker relativ sicher, den lange gesuchten Zerfall beobachtet zu haben. Gestützt wird dies durch die Ergebnisse des zweiten Detektors ATLAS. Auch in seinen Daten zeigt sich ein Überschuss von Myonenpaaren bei 125 GeV, wenngleich die Signifikanz hier bei nur bei zwei Sigma liegt. Die CERN-Physiker hoffen nun, dass sie in der dritten Laufzeit des LHC weitere dieser seltenen Zerfälle einfangen können , um dann die fünf Sigma-Schwelle zu knacken.

„Schon jetzt sind diese Nachweise eines Zerfalls des Higgs-Bosons zu Elementarteilchen der zweiten Generation ein großer Erfolg für die zweite Laufzeit“, sagt Karl Jakobs, Sprecher der ATLAS-Kollaboration. „Unsere Messungen der Higgs-Boson-Eigenschaften haben ein neues Stadium der Präzision erreicht, in dem wir auch seltene Zerfallswege erfassen können.“

Quelle: CERN / CMS, ATLAS

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