Trotz des neuen Bosons: warum die eigentlichen Entdeckungen – hoffentlich – erst noch kommen

„If it is the simplest type of Higgs, then the Standard Model […] may be the complete story of physics at the […] LHC […]. But if there is even the slightest thing about nature’s Higgs particle that is not exactly as predicted for a simplest Higgs, than this just by itself would imply that there are new particles and/or forces not included in the Standard Model. This would be a revolutionary discovery, as the Standard Model (with gravity, dark matter and neutrino masses added on) has been our best bet for four decades. […] Roughly, all we can say right now […] is that the data roughly resembles what would be expected of a Standard Model Higgs, it is therefore not possible to say the new particle is not a Standard Model Higgs, many possible alternatives to the simplest Higgs have now been ruled out by the data, though many others still remain. […] [W]e do see some deviations from the Standard Model Higgs hypothesis, but they aren’t even that statistically significant yet even if they were, there are reasons to be concerned about uncertainties from other sources than just statistics.“ (Matt Strassler, Rutgers Univ., NJ, USA)

Viel mehr kann man zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht sagen über das mit dem LHC entdeckte neue Boson: Es entspricht im Rahmen der bisherigen Mess-Statistik den Erwartungen an das Higgs-Boson des Standardmodells, und alle verdächtigen Abweichungen seiner Zerfalls-„Kanäle“ von der Theorie sind derzeit bei weitem nicht signifikant, einfach weil die Zahl der beobachteten mutmaßlichen Higgse – rund 200! – und ihrer Zerfälle noch gering ist. Dass das Teilchen an sich überhaupt mit haarscharf 5 Sigma bis Ende Juni nachgewiesen werden konnte, hat die meisten Physiker überrascht, aber die drei Monate LHC-Betrieb mit 8 TeV 2012 haben die gesamte Ausbeute mehr als verdoppeln können, und ‚die Natur‘ kam dem LHC mit einer Teilchen-Masse von 125-126 GeV entgegen. (Der Tevatron hätte übrigens noch Jahre laufen müssen, um das Teilchen mit 5 Sigma fest zu nageln, und der LHC-Vorgänger LEP hätte es nie geschafft. Der nicht zu ende gebaute SSC der USA allerdings um so schneller.) Der klarste Nachweis des neuen Teilchens basiert für die LHC-Detektoren ATLAS wie CMS auf seinem Zerfall in ein Photonenpaar – was zugleich beweist, dass es sich um ein Boson handelt, das schwerste je gefundene – und in zwei Z-Bosonen, die jeweils gleich wieder in zwei Leptonen zerfallen.

Zu weiteren Zerfallskanälen hat sich ATLAS am 4. Juli nicht geäußert, CMS schon – was am Ende die Gesamtsignifikanz des Teilchennachweises wieder knapp unter 5 Sigma drückte, denn auf den zusätzlichen Kanälen tut sich zu wenig. Insbesondere fehlen Paare aus W-Bosonen – während gleichzeitig CMS wie ATLAS ‚zu viele‘ Photonenpaare meldeten. Aus diesen Abweichungen haben manche externen Physiker schon keck auf eine Reihe alternativer Interpretationen des Teilchen – etwas als Superpartner des Top-Quarks – geschlossen, die allerdings alle keinen nennenswert besseren Fit der LHC-Daten als das Standardmodell-Higgs liefern. Da hilft nur: weiter messen, und da das CERN-Management dem LHC noch 2 bis 3 zusätzliche Monaten Kollisionen vor der zweijährigen Abschaltung 2013/14 geschenkt hat, sollte bis Jahresende die Zahl der beobachteten Kollisionen abermals verdoppelt worden und schon etwas mehr über das neue Teilchen zu sagen sein. Insbesondere werden die Winkel, in denen die Photonenpaare davon schießen, eindeutig entscheiden lassen, ob man es wirklich mit dem Higgs-Boson (mit dem Spin 0) oder aber einem anderen Boson mit Spin 2 zu tun hat; letzteres machen Beobachtungen am Tevatron allerdings unwahrscheinlich.

Während die physikalische Welt einerseits die offensichtliche Bestätigung der fast 50 Jahren alten Idee des Higgs-Mechanismus feiert (der die Symmetrie der elektroschwachen Wechselwirkung bricht und das Standardmodell überhaupt erst mathematisch möglich macht), schwebt zugleich das „Alptraum-Szenario“ im Raum: In dem findet der LHC exakt das Higgs-Teilchen des Standardmodells – und sonst gar nichts. Da muss aber etwas sein, denn das Standardmodell – so perfekt es die bekannten Teilchen und Kräfte beschreibt – ist eindeutig nicht der Weisheit letzter Schluss und auch nur ein Zwischenschritt auf dem Weg zur ultimativen Theorie von Allem. Also ruhen die Hoffnungen der meisten auf den nächsten Jahren LHC-Betrieb, ab 2015 dann auch mit 14 TeV, auf dass klare Differenzen zwischen dem neuen Boson und dem hypothetischen Standard-Higgs oder auch weitere Teilchen jenseits des Standardmodells entdeckt werden mögen. Die Grundidee des Higgs-Mechanismus – ein universales skalares Higgs-Feld, das anderen Teilchen Masse verleihen kann (durch einen Prozess der entfernt an Lichtbrechung erinnert: das von Peter Higgs selbst favorisierte Analogon) – mag dabei neu interpretiert werden müssen.

Die einfachste Variante der popularen Standardmodell-Erweiterung Supersymmetrie ist zwar durch den ausbleibenden Nachweis irgendwelcher ihrer Teilchen durch den LHC inzwischen arg in Bedrängnis geraten, aber viele andere Versionen bleiben im Spiel: Schließlich hat man im Prinzip hunderte von freien Parametern, an denen gedreht werden kann. In exotischen Szenarien könnte es dann bis zu 5 verschiedene Higgs-Teilchen geben (von denen jetzt gerade das erste entdeckt worden wäre), oder das Higgs-Boson bestände aus mehreren Unterteilchen. Die Frage ist nur, wie weit der LHC bei der Aufklärungsarbeit kommen wird: Da bei seinen Proton-Proton-Kollisionen jeweils 6 Quarks plus Gluonen im Spiel sind, überlagert die Signale von Higgs wie ggf. neuer Physik eine Unmenge komplizierter Hintergrund. Besser wäre ein linearer Elektronen-Collider für klarere Signale, aber der würde mit der nötigen Energie 10 bis 20 Mrd. Euro kosten. Eine potenzielle Alternative wäre ein kompakter Myonen-Collider, der speziell auf das neue Boson zu geschnitten werden könnte (so es denn überhaupt gelingt, die quirligen Myonen auf Kurs zu bringen).

Solch eine „Higgs-Fabrik“ würde aber wieder gegenüber einem Universalinstrument das Risiko bergen, andere Effekte zu übersehen, die nicht mit dem 125-GeV-Boson zusammen hängen: Über den besten Weg nach vorn wurde bereits am Tag der Enthüllung des LHC-Bosons emsig debattiert. Die LHC-Forscher selbst sind jedenfalls optimistisch, ihr kompliziertes Gerät so gut im Griff zu haben, dass sie auch mit dem existierenden Beschleuniger die Physik noch entscheidend voran und in die neue Welt jenseits des Standardmodells tragen können: Das neue Boson ist dabei ein gewichtiger Meilenstein, aber vielleicht bzw. hoffentlich nur der erste von vielen. „The cold water of experiment may now wash away many of our wrong ideas and, perhaps more importantly, could point us in the right direction,“ hofft der bekannte US-Physiker Lawrence Krauss: „In the process I expect what we will discover about the universe may currently be beyond our wildest dreams. More than this, however, the Higgs field implies that otherwise seemingly empty space is much richer and weirder than we could have imagined even a century ago, and in fact that we cannot understand our own existence without understanding ‚emptiness‘ better.“

Ein Essay, ein Artikel und Spektrum-Allerlei 13., Swansea TV, ein Entscheidungs-Schema, ein Chat-Transkript und Artikel hier, hier, hier 12., ein Veranstaltungsbericht und Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier 11., Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier 10., eine komplette Higgs-PK in Edinburgh, eine PM des KIT, ein ICHEP-Bericht (Screenshots hier & hier & hier) und Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier 9., ein Paper von Akula & al., ein Radio-Skript und Artikel hier, hier, hier, hier 8., Artikel hier, hier und hier 7., Videoclips von CERN, Edinburgh und FermiLab, Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und ein Videoclip 6., ein Paper von Buckley & Hooper, STFC, Brown und Univ. of Buffalo Releases, Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und ein Videoclip 5., ein Paper von Low & al., ATLAS Blog, Weizmann Inst., KIT und Kansas State Univ. Releases, Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, ein Videoclip und eine bizarre Statistik 4.7.2012

Nächste große Higgs-Enthüllung in fünf Tagen

Am 4. Juli beginnt im australischen Melbourne mit der International Conference on High Energy Physics die erste große Hochenergie-Physik-Tagung des Sommers – und wenige Stunden vorher hält das CERN ein Seminar über den Stand der Suche nach dem Higgs-Teilchen mit dem LHC ab: Völlig widersprüchliche Gerüchte schwirren schon seit mehreren Wochen und reichen von einer Bestätigung der Anzeichen für ein Higgs um 125 GeV – siehe Artikel vom Dezember 2011 und März und April 2012 – bis zum Ausbleiben eines nennenswerten Fortschritts. Die Messungen von 2012 mit der höheren Kollisionsenergie von 8 statt 7 TeV haben bereits mehr Daten eingefahren als das ganze Jahr 2011, aber sie sind überhaupt erst Mitte Juni „entblindet“ worden, so dass nur eine Handvoll Physiker überhaupt wissen dürften, was Sache ist. Und in Physik-Blogs wird gestritten, ob das Verbreiten vermeintlicher Enthüllungen aus den ATLAS- und CMS-Detektor-Teams der Wissenschaft insgesamt und speziell der öffentlichen Wahrnehmung der – teuren und daher auf Zuspruch angewiesenen – Teilchenphysik eher schadet oder nützt.

Zum einen sollen natürlich die Auswerter der LHC-Datenfluten nicht irritiert werden, zum anderen ist die Öffentlichkeit seit Jahren „heiß“ auf das Higgs gemacht worden – da sollte man ihr den Spaß gönnen, in der Endphase der Jagd ‚live‘ dabei zu sein. Oder besser: dem Ende der ersten Phase der Higgs-Forschung. Denn entweder am 4. Juli (und eher weniger zwei Tage vorher, wenn das Fermilab ebenfalls Higgs-relevante Ergebnisse des Tevatron verkünden wird) oder im weiteren Verlauf des Jahres wird der LHC lediglich etwas Definitives über das einfachste oder Standard-Higgs-Teilchen aussagen können: Wenn der klare Nachweis ausbleibt, dann blieben immer noch jede Menge andersartige Higgs- und ähnliche Teilchen im Rennen, die bis Ende 2012 noch gar nicht in seinen Kollisionsdaten aufgetaucht sein können. Und umgekehrt wäre der Nachweis des Standard-Higgs zwar eine brilliante Bestätigung einer 48 Jahre alten Prognose und der theoretischen Physik insgesamt, dürfte aber gleich wieder neue Probleme aufwerfen. So entsprechen etwa die relativen Zerfallswege des mutmaßlichen 125-GeV-Higgs nicht den Erwartungen des Standardmodells der Teilchenphysik.

So oder so werden die Daten des LHC die Theoretiker vor sich her treiben, die nach mancher Auffassung in den letzten Jahr(zehnt)en etwas träge geworden sind: ein guter Zustand für die Physik! Guardian, Symmetry Breaking, Scientific American, Telegraph 29., LBL Release, Physics World, Quantum Diaries, PBS, Not Even Wrong, Muon 28., Brown Univ. Release, Quantum Diaries, IdeaLab 27., CERN TV 26., Uni Bonn PM, Strassler 25., Ballon Juice = Inverse Square 24., Guardian 23., CERN Release, Not even Wrong, Cosmic Variance, Quantum Diaries, Physics World, FAZ 22., Science News, Evolution True, BBC, Principles, Cosmic Log 21., Strassler, Quantum Diaries, Discovery 20., New York Times, New Scientist 19., Strassler 18., Guardian, Not even Wrong 17., Ars Technica 15., Reuters 12., Cosmic Variance 11., Quantum Diaries 9., 1. 6., Paper der BaBar Collab. 24., Physics World 23., Ars Technica 17., Quantum Diaries 9., Nature 4., Strassler, Nat’l Geographic, KosmoLogs 1.5., LiveScience 30., Telescoper 29., Quantum Diaries 28., Strassler, Spiegel 27., Paper der CMS Collab. 26., Strassler 24., Ars Technica, Scientific American Blog 20., CMS Press Release 17., Nature 12., ATLAS Blog 11.4.2012. NACHTRAG: der Gerüchte-Brei noch mal umgerührt.

Wo die Jagd auf das Higgs Ende 2011 steht

Genau wie die ziemlich präzisen Gerüchte („Die nächste Beinahe-Entdeckung des Higgs (bei 125 GeV)“) besagt hatten, wurde am 13. Dezember keine Entdeckung des Higgs-Teilchens verkündet – aber mit leeren Händen stehen die LHC-Physiker nach zwei Jahren Kollisionen auch nicht da. Bei den Proton-Proton-Crashs, so die Erwartung gemäß des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik, bildet sich zuweilen auf mindestens zwei Arten („Kanälen“ im Teilchen-Jargon) ein kurzlebiges neutrales Higgs-Teilchen, das sofort wieder auf ähnliche Weise zerfällt wie es entstand: Gesucht wird nach primären und sekundären Zerfallsprodukten mehrerer Kanäle.

• Durch die bisherigen Messungen ausgeschlossen werden kann inzwischen ein großer Massenbereich für nämliches Higgs-Teilchen: Erlaubt ist jetzt nur noch 115.5 bis 131 GeV/c^2 (nach den Daten des ATLAS-Detektors) bzw. 115-127 GeV (gemäß Erkenntnissen des CMS-Detektors).
  
• In diesem noch erlaubten Energiebereich sehen beide Detektoren vage Hinweise auf ein neues Elementarteilchen, wobei ATLAS eins bei 126 GeV mit einer Signifikanz von 2.3 Sigma und CMS eins bei 124 GeV mit 1.9 Sigma und ggf. auch etwas bei 119.5 GeV sieht. Beide Ergebnisse als solche – genannt sind hier jeweils die konservativsten Signifikanzen; mit viel gutem Willen darf’s auch etwas mehr sein – sind nicht nur keine Entdeckungen sondern nicht mal Hinweise auf etwas Verdächtiges.
  
• Allerdings liegen der ATLAS- und der bessere CMS-Peak fast aufeinander, beide Detektoren und ihre Analyse-Methoden sind unabhängig, und es sind jeweils mehrere Kanäle, die auf dasselbe schwache Signal nahe 125 GeV hinweisen. Manche Beobachter halten die Übereinstimmungen für das Entscheidende, fassen beide Messungen schon mal vage zu einer gemeinsamen mit einem Sigma von immerhin 3-4 zusammen, und feiern damit eine Fast-Entdeckung, andere verweisen auf die Widersprüche zwischen ATLAS und CMS und sehen überhaupt nichts Bemerkenswertes.

Ein SM-Higgs-Teilchen mit ~125 GeV wäre zumindest das, was viele ohnehin erwartet (und mitunter sogar – mit allerlei Annahmen – konkret vorausgesagt) hätten. Und es wäre insofern reizvoll, als es aus quantenmechanischen Gründen einen schwereren Partner haben müsste – der dann erstmals über das SM hinaus weisen würde (dessen Schlussstein sozusagen das SM-Higgs wäre). Sofern der LHC nach der Winterpause weiter so gut läuft wie 2011, wird er auf jeden Fall im Laufe des kommenden Jahres entweder das 125-GeV-Signal wieder zum Verschwinden bringen (wie es einem vermeintlichen bei 140 GeV von diesem Sommer schon bald widerfuhr) – oder aber seine Signifikanz über die gewünschten 5 Sigma treiben und es zur „Entdeckung“ machen.

In beiden Fällen liegt die eigentliche Arbeit aber noch vor dem LHC: Bei noch viel mehr (und später auch energiereicheren) Kollisionen muss in den nächsten vielleicht 10 Jahren den detaillierten Eigenschaften des Higgs-Teilchens nachgestellt werden, das durchaus nicht von der einfachsten SM-Art zu sein braucht – oder aber die Suche nach einer Alternative beginnt, denn ein SM aber ohne Higgs oder etwas Ähnliches geht mathematisch gar nicht. Und irgendwo hier oder woanders warten sicher auch noch Entdeckungen, die über das SM hinaus gehen (ein 125-GeV-Higgs wäre z.B. auch ein indirekter Hinweis auf Supersymmetrie): Die Teilchenphysik begeht diesen Jahreswechsel jedenfalls in einem durchaus angeregten Zustand …

CERN Press Release 13.12.2011, die ATLAS-Analyse (das letzte Slide der Präsentation), die CMS-Analyse, ein Live-Blog der Präsentation und die vermutete Higgs-Masse als Zeitfunktion; Nature 15.12.2011 S. 301, Science 16.12.2011 S. 1482-3; Quantum Diaries 23., Schlatter & Zerwas, Preprint, New Scientist 21., Agostini, Preprint, astrobites, New Scientist Blog, Astronomy, Science Journalism Tracker 19., Nature 16., Kadastik & al., Preprint, BdW, Freitag 15., Physics World, University Post 14., BNL, STFC Releases, Physics World, Cosmic Variance, Nature, New York Times, New Scientist, Symmetry Breaking, LiveScience, Science Blogs, Weltmaschine, Spiegel, Baer & al., Preprint, BBC, Vixra 13., Quantum Diaries, Resonaances, Not even Wrong, New York Times 12., Guardian 9., BBC 7., Guardian, Cosmic Variance, Houston Chronicle Blog 6., Physics World Blog, Strassler, Quantum Diaries 5.12.2011. Auch ATLAS Collab., Preprint 21., BBC, Strassler Blog, Spiegel 22.12.2011 zu einer kleinen anderen LHC-Entdeckung an Bottomonium …