Vielleicht kommt für die Physiker Weihnachten dieses Jahr schon ein wenig früher. Die Gerüchteküche im Internet läuft in den letzten Tagen auf Hochtouren. Während des am Dienstag am CERN stattfindenden Seminar soll die Entdeckung des Higgs-Bosons verkündet werden – darübher spekulieren zumindest manche Blogger und Medien. Steht eines der größten Rätsel der Physik tatsächlich kurz vor der Lösung?

Das Higgs-Teilchen wurde in den 1960er Jahren in das Standardmodell der Teilchenphysik eingefügt, um erklären zu können, wie die eigentlich masselosen Teilchen zu ihrer Masse kommen. Erst durch die Interaktion mit dem Higgs-Teilchen erscheint es uns so, als hätten die Dinge Gewicht. Bis heute war das Standardmodell höchst erfolgreich, alle seine Vorhersagen sind eingetreten. Nur eine Teilchen hat sich bisher einer Entdeckung entzogen: Das Higgs-Teilchen. Aber vielleicht nicht mehr lange.

Dass die Wissenschaftler am CERN langsam in der Lage sind, definitive Aussagen über das Higgs-Boson machen zu können, kommt nicht unerwartet. In einem früheren Artikel habe ich ja ausführlich beschrieben wie die Suche nach dem Teilchen abläuft und das es vor allem darauf ankommt, möglichst viele Daten zu sammeln. Nur dann ist es möglich, statistisch brauchbare Schlüsse zu ziehen. Der große Teilchenbeschleuniger LHC ist in den letzten Jahren hervorragend gelaufen und hat mittlerweile knapp eine Billiarde Teilchenkollisionen aufgezeichnet. Wenn das Higgs-Teilchen tatsächlich existiert, dann sollte es eigentlich in dieser gewaltigen Menge an Daten zu finden sein.

Man kann es ja leider nicht direkt entdecken sondern ist auf statistische Auswertungen angewiesen. Und hier braucht man eben so viele Daten, um sicher sein zu können, dass es sich bei den gemessenen Anomalien nicht um zufällige Fluktuationen handelt sondern tatsächlich um die Auswirkungen eines bisher unbekannten Teilchens. Erst wenn die Wahrscheinlichkeit eines Irrtums weniger als 0,0002 Prozent beträgt, spricht man in der Teilchenphysik von einer Entdeckung. Am LHC existieren zwei große Detektoren, die Kollisionen aufzeichnen. Der eine heißt ATLAS, der andere CMS. Beide haben in den letzten Jahren unabhängig voneinander Daten gesammelt und nach dem Higgs gesucht. Am Dienstag sollen nun das erste Mal alle Daten gemeinsam ausgewertet und betrachtet werden. Das könnte reichen, um das Higgs-Teilchen nachzuweisen. Tommaso Dorigo, einer der Forscher die mit CMS arbeiten, hat in seinem Blog über die Erwartungen geschrieben. Natürlich ohne viel zu verraten – er selbst kennt die Daten von ATLAS ja auch nicht. Er hat aber ein schönes Diagramm gezeigt:

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Auf der x-Achse sieht man die Masse, die das Higgs-Boson haben könnte (angegeben in der Einheit Elektronenvolt/c²). Die y-Achse zeigt die zugehörige zu erwartenden Signifikanz einer Beobachtung, die man mit einer gewissen Anzahl an Kollisionen erwarten kann. Die Einheit der Signifikanz ist hier das gebräuchliche “Sigma”. Eine Entdeckung auf 3-Sigma-Level würde zum Beispiel bedeuten, dass die Wahrscheinlichkeit eines Irrtums noch 0,3 Prozent beträgt. Zu viel um sicher sein zu können. Erst ab einem Level von 5-Sigma kann man wirklich von einer Entdeckung sprechen. Die verschiedenfarbigen Linien im Diagramm entsprechen verschiedenen Zahlen von Kollisionen. Hier verwenden die Teilchenphysiker die Einheit “inverse Femtobarn” (ein inverses Femtobarn entspricht ca. 70 Billionen Kollisionen). Mittlerweile hat der LHC 5 inverse Femtobarn bei Kollisionsenergien von 7 TeV erreicht, wir müssen uns also auf die durchgezogene blaue Linie konzentrieren. In einem Bereich von etwa 140 bis 220 GeV liegt sie über dem 5-Sigma-Level. Hat das Higgs-Boson eine Masse, die in dieses Intervall fällt, dann könnte man mit der jetzigen Datenmenge vielleicht tatsächlich schon eine Entdeckung bekannt geben.

Vielleicht ist es am Dienstag also tatsächlich so weit und die Wissenschaftler am CERN geben bekannt, dass sie das Higgs-Teilchen dingfest gemacht haben, das letzte Teilchen, das dem Standardmodell der Teilchenphysik noch fehlt und das erklärt, warum die Dinge Masse haben. Ich halte es aber für wahrscheinlicher, dass die Daten nur vielversprechende Hinweise auf das Higgs-Boson zeigen, aber noch nicht siginifikant genug sind, um tatsächlich von einer Entdeckung sprechen zu können. Das schreibt auch das Hamburger Abendblatt:

“Cern-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer dämpfte in einer E-Mail an die Cern-Mitarbeiter zu hohe Erwartungen: Die neuen Ergebnisse reichten aus, um “einen bedeutenden Fortschritt auf der Suche nach dem Higgs-Boson zu machen, aber es ist nicht genug, um irgendeine abschließende Aussage über die Existenz oder Nicht-Existenz des Higgs zu treffen.”

Tommaso Dorigo weist auch noch auf eine andere Möglichkeit hin:

“Now, the graph shows that ATLAS has a chance to exclude the particle in that full remaining interval, if it indeed does not exist. In other words, we might be able to have a first indication that the Higgs mechanism and the whole model is wrong, if that is the case. But beware, it would only be an indication!”

Die Daten könnten also auch zeigen, dass das Higgs-Boson (zumindest in der Standardform) nicht existiert. Aus rein wissenschaftlicher Sicht wäre dieses Ergebnis ebenfalls dramatisch und revolutionär. Viele Physiker wünschen sich sogar eine Nicht-Entdeckung, denn das bedeutet, dass wir uns etwas komplett Neues ausdenken müssen und damit auch die Chance haben, etwas fundamental Neues über das Universum zu lernen.

Was auch immer die Daten zeigen werden: Wir werden es am Dienstag erfahren. Das Seminar beginnt um 14 Uhr und wird live im Internet übertragen. Bei den Quantum Diaries wird es auch einen Liveblog geben und via Twitter kann man mit #higgsliveblog dabei sein. Ich bin schon sehr gespannt (und empfehle zur Einstimmung die Lektüre meines Artikels über die bisherigen Ergebnisse der Suche, denn solche gelb-grünen Diagramme werden wir am Dienstag sicherlich zu sehen bekommen…)

Nachtrag: Hier könnt ihr lesen, was bei dem Seminar präsentiert wurde.

Kommentare (23)

  1. #1 Alexander
    11. Dezember 2011

    Hallo Florian, ich denke deine Aussage “Mittlerweile hat der LHC 5 inverse Femtobarn bei Kollisionsenergien von 7 TeV erreicht, wir müssen uns also auf die durchgezogene blaue Linie konzentrieren.” stimmt so nicht ganz. Es sind zwar 5 inverse fb an, aber die Daten sind sicher noch nicht alle ausgewertet.

  2. #3 maxfoxim
    11. Dezember 2011

    Warum muss die Signifikanz eigentlich so “extrem” hoch sein? Bei unzähligen anderen Experimenten(nicht nur Physik) würden doch auch schon ein oder zweifache Signifikanz reichen.

  3. #4 Florian Freistetter
    11. Dezember 2011

    @ALexander: “Es sind zwar 5 inverse fb an, aber die Daten sind sicher noch nicht alle ausgewertet. “

    Meinst du? Ich bin kein Experte für CERN-Teilchenphysik. Aber Tommaso Dorigo ist einer und von dem stammt diese Aussage (sein Artikel ist im Blog auch verlinkt)

  4. #5 Florian Freistetter
    11. Dezember 2011

    @maxofoxim: “Bei unzähligen anderen Experimenten(nicht nur Physik) würden doch auch schon ein oder zweifache Signifikanz reichen. “

    Das hab ich hier erklärt: http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2011/11/wie-das-higgsteilchen-entdeckt-werden-wird-falls-es-entdeckt-wird.php

  5. #6 maxfoxim
    11. Dezember 2011

    @Florian
    ist nur eine Kleinigkeit, aber ich schreibe mich maxfoxim und nicht maxOfoxim. Ist jetzt schon das zweite mal, deswegen schließe ich mal einen Tippfehler aus. Signifikanz und so 😉

    Auf jeden Fall danke für die Antwort.

  6. #7 Florian Freistetter
    11. Dezember 2011

    @maxfoxim: “ist nur eine Kleinigkeit, aber ich schreibe mich maxfoxim und nicht maxOfoxim. Ist jetzt schon das zweite mal, deswegen schließe ich mal einen Tippfehler aus.”

    War nur Schlampigkeit, sorry.

  7. #8 Björn
    11. Dezember 2011

    Ich weiß, dass es bei Wikipedia auch so steht, aber falsch ist es trotzdem: Die Masse eines Teilchens wird natürlich nicht in Elektronenvolt angegeben, sondern in kg. Im Diagramm steht es richtig: GeV/c² entspricht 10^6 kg.

  8. #9 Olli
    11. Dezember 2011

    hm, jetzt mal ne ganz blöde frage: wenn alle teilchen ihre masse durch wechselwirkung mit dem higgsteilchen/-feld bekommen, woher bekommt dann das higgs selbst seine masse? durch wechselwirkung mit sich selbst/ anderen higgs? erscheint mir wie ein henne-ei-problem…?

  9. #10 Florian Freistetter
    11. Dezember 2011

    @Björn – ok, da ist mir ein c² durchgerutscht. Aber die Angabe einer Masse in eV ist vergleichbar falsch, wie die Angabe einer Entfernung in z.B. Minuten. Wenn mich einer fragt: Wie weit ist es noch bis zum Ziel? und ich mit “10 Minuten” antworte, dann ist das zwar auch falsch, aber trotzdem verständlich, auch ohne “bei einer Geschwindigkeit von x km/h” dazu zu sagen. Insofern ist es auch für alle Physiker verständlich, wenn sie sagen “Das Teilchen wiegt X GeV”, auch wenn sie nicht “dividiert durch c²” spezifizieren.

  10. #11 Florian Freistetter
    11. Dezember 2011

    @olli: “woher bekommt dann das higgs selbst seine masse? durch wechselwirkung mit sich selbst/ anderen higgs?”

    So ist es.

  11. #12 wurmschleuder
    11. Dezember 2011

    GeV/c² entspricht 10^6 kg.

    Nicht wirklich 😉

    Die Ruhemasse von Proton und Neutron beträgt grob 1 GeV/c² (kann man sich also gut merken). Das sollen 1000 Tonnen (10e6 kg) sein?

    *g*

    Michael

  12. #13 Björn
    11. Dezember 2011

    @Florian: OK, einem Teilchenphysiker mag das genauso klar sein, wie dem Passanten auf der Straße die Wegbescheibung klar ist. Ich bin beim Lesen drüber gestolpert, und Teilchenphysik ist doch schon kompliziert genug, muss man da Leute wie mich noch zusätzlich durch Fehler bei Einheiten bzw. Dimensionen verwirren 😉 ?

    @ Wurmschleuder: Das stimmt natürlich, da war ich selbst schlampig. Also nochmal korrekt: Elektronenvolt hat die _Dimension_ Energie und bezeichnet daher keine Masse. 1 eV/c² bezeichnet eine Masse von ca. 10^-36 kg und 1 GeV sind 10^6 * 10^-36 kg, also etwa 10^-30 kg.

  13. #14 wurmschleuder
    11. Dezember 2011

    1 eV/c² bezeichnet eine Masse von ca. 10^-36 kg und 1 GeV sind 10^6 * 10^-36 kg, also etwa 10^-30 kg.

    *hust*
    “G” steht hier für 10^9 -> 1 GeV/c² = ca. 10^-27 kg

    (genauer lt. Wikipedia: 1 eV/c² = 1,783·10^−36 kg)

    Michael

  14. #15 Sascha Vongehr
    12. Dezember 2011

    “Aus rein wissenschaftlicher Sicht wäre dieses Ergebnis ebenfalls dramatisch und revolutionär.”
    Das es nicht existent genauso “revolutionaer” sei ist ein Anzeichen dafuer das es gar nicht so revolutionaer ist wie man uns glauben machen will. Eine mit den Fuessen auf dem Boden bleibende Einschaetzung auch der etwaigen geringen Masse des Higgs (wenn zu leicht ist das Universum instabil!) kann man hier und in den hier angefuehrten Links lesen:
    http://www.science20.com/alpha_meme/light_higgs_discovered_and_about_destroy_universe-85357

  15. #16 Nedo
    12. Dezember 2011

    @Sascha Vongehr

    woah, das wäre ja Horror, wie ernst kann man die Seite nehmen?
    Bin mal gespannt was die uns am Dienstag erzählen!

  16. #17 nik
    12. Dezember 2011

    And the Higgs-Oscar goes to … ?

  17. #18 Physiker
    12. Dezember 2011

    In der Physik gibt es verschiedene Einheitensysteme. Die Definition c=1 ist durchaus gebräuchlich, dann sind Energie und (relativistische) Masse identisch.

  18. #19 SCHWAR_A
    12. Dezember 2011

    @Sascha Vongehr:

    Wie kann denn das Top-Quark existieren, wenn es die Masse vom Higgs erhält, das aber jetzt _leichter_ sein soll als das Top-Quark?

    Grüße.

  19. #20 schlappohr
    12. Dezember 2011

    @Nedo

    “woah, das wäre ja Horror, ”

    Ein sich unendlich ausdehnendes Universum, dass am Ende keine Energie und Materie mehr enthält, wäre für mich eher eine Horrorvorstellung. Mit dem Kollaps des False Vacuums gibt’s wenigstens noch eine Show zum Abschluss…

  20. #21 Andi
    12. Dezember 2011

    Wir hätten gerne auch einen Liveblog gemacht – aber ich bin leider auf einer Konferenz :/.

  21. #22 Basti
    13. Dezember 2011

    Hi,
    ist es nur bei mir so oder laggt der live stream wirklich?

  22. #23 wurmschleuder
    13. Dezember 2011

    In der Physik gibt es verschiedene Einheitensysteme. Die Definition c=1 ist durchaus gebräuchlich, dann sind Energie und (relativistische) Masse identisch.

    Vom Zahlenwert her ja. Aber auch in diesem Einheitensystem haben Masse und Energie nach wie vor unterschiedliche Dimensionen.

    Michael