Was kommt nach der Higgs-Entdeckung?

Im weltweit leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger werden ab Frühsommer 2015 wieder Protonen zusammenstoßen – mit höheren Energien als je zuvor. Und da mit dem Fund des Higgs-Bosons nun alle Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik nachgewiesen sind, gilt es, neue Physik zu entdecken.

Erst die Pflicht und dann die Kür – dieses Sprichwort lässt sich auch auf den LHC anwenden, der von 2010 bis 2012 in mehrfacher Hinsicht sein Pflichtprogramm absolvierte: Der Beschleuniger zeigte in den ersten drei Jahren seine technische Leistungsfähigkeit und erzielte die physikalischen Ergebnisse, die von ihm erwartet wurden. Protonen kollidierten darin mit einer bisher unerreichten Intensität und Energie. Die riesigen und hochsensiblen Nachweisgeräte funktionierten mit der enormen Präzision, für die man sie konzipiert hatte.

Elementarteilchen und Grundkräfte

Zum Pflichtprogramm gehörte unter anderem, bereits bekannte physikalische Prozesse und Teilchen genau zu vermessen, wie beispielsweise die Träger der schwachen Wechselwirkung. Physiker wiesen diese sogenannten W- und Z-Bosonen bereits vor mehr als dreißig Jahren nach, und eigentlich ließe sich auch sehr gut berechnen, wie sie in den Protonenkollisionen am LHC entstehen – wenn es sich bei den Protonen um Elementarteilchen handeln würde. Da sie sich aber aus Quarks und Gluonen zusammensetzen, bedarf es gewisser Korrekturen. Diese Unsicherheiten in den theoretischen Vorhersagen ließen sich durch die genaue Vermessung der W- und Z-Bosonen am LHC verkleinern.

Darüber hinaus konnten die Physiker ihre Nachweisgeräte mithilfe der bekannten Teilchen präzise kalibrieren: Sie überprüften die Güte jedes einzelnen Messpunkts und identifizierten mögliche Fehlpositionierungen, sodass Genauigkeiten von wenigen tausendstel Millimetern erreicht wurden. Neben den W- und Z-Teilchen untersuchten die Forscher auch ein breites Spektrum an physikalischen Prozessen – von Protonenbegegnungen, in denen die Teilchen kaum abgelenkt werden, bis hin zu harten Kollisionen, aus denen neue Teilchen hervorgehen. In diesen umfassenden Messreihen wurden nicht nur die Detektoren, sondern auch das Standardmodell einem Stresstest ausgesetzt. Bisher haben beide bestanden.

Auch die Entdeckung des Higgs-Teilchens, das zentrale wissenschaftliche Ergebnis des LHC bisher, gehörte in gewisser Weise zum Pflichtprogramm. Das Higgs erklärt, durch welchen Mechanismus die W- und Z- Teilchen, aber auch die Quarks und Leptonen, die unsere Materie aufbauen, ihre Masse erhalten. Alle Eigenschaften des Higgs-Teilchens waren vorhergesagt, einzig seine Masse war noch unbekannt – und ob es überhaupt existierte. Auf jeden Fall würde es leichter als 800 Gigaelektronenvolt/c² sein, denn andernfalls würde es das so erfolgreiche Standardmodell der Teilchenphysik zum Einsturz bringen. Damit war klar: Sollte die Theorie stimmen, müsste sich das Higgs-Teilchen am LHC finden lassen. Und genau das gelang den Physikern im Juli 2012.

Kür des LHC – auf dünnem Eis

Was aber ist die Kür am LHC? So wie ein Eiskunstläufer neue Figuren und Sprünge zeigen kann, hofft die Physik auf neue Teilchen, auf etwas, was die bisherige Theorie nicht vorhersagt. Doch der erste Versuch für eine solche Kür am Beschleuniger ging schief – alle bisher gesammelten Daten stimmen mit dem Standardmodell überein.

Obwohl alle Messungen das Standardmodell der Teilchenphysik untermauern, gehen die meisten Physiker davon aus, dass es nur Teil einer umfassenderen Theorie ist. Zwar kann das auf wenigen einfachen Prinzipien beruhende Modell alle experimentellen Ergebnisse präzise beschreiben. Doch es hat auch unschöne Seiten: Warum gibt es ausgerechnet zwölf Materieteilchen, die sich in drei fast identische Familien einordnen lassen? Wieso existieren genau drei verschiedene Kräfte, die sich in vielen Aspekten ähneln? Hinzu kommen Beobachtungen aus der Astrophysik, welche die Existenz von Dunkler Materie und Dunkler Energie nahelegen. Beide haben keinen Platz im Standardmodell, so wie auch die Gravitationskraft.

Indirekter Nachweis von Dunkler Materie

Und auch das entdeckte Higgs-Teilchen bereitet Probleme: Der unübliche Wert „Null“ für den Eigendrehimpuls oder Spin des Higgs-Teilchens erfordert unnatürlich große Korrekturen, um die gesamte Theorie konsistent zu halten. Tatsächlich versuchen Physiker seit vierzig Jahren mit immer stärkeren Beschleunigern, eine Lücke im Standardmodell zu finden – bislang ohne Erfolg. Auch mit dem LHC suchten sie in den ersten Jahren vergeblich danach.

Die Hoffnung der Wissenschaftler ruht nun auf der höheren Energie und größeren Genauigkeit, die der LHC in den nächsten Jahren erreichen wird. Das, was der LHC bisher geleistet hat, ist nur ein kleiner Bruchteil dessen, was von ihm in den nächsten Jahren zu erwarten ist. Bis 2022 wird der LHC ungefähr zehnmal so viele Daten wie bisher produzieren und die Protonen mit fast der doppelten Energie zusammenstoßen lassen. Dadurch kann man noch präziser und tiefer in die Materie hineinblicken. Wo sich neue Physik verbirgt und wie diese aussehen wird, weiß noch niemand – auch wenn Forscher diese Frage in Tausenden von wissenschaftlichen Artikeln gewälzt haben. Hier kann nur das Experiment die Antwort geben.

Tatsächlich hat die Teilchenphysik mit dem Fund des Higgs-Teilchens eine neue Phase betreten. Denn bisher war bei jedem neuen Beschleuniger schon im Vorfeld klar, was gefunden werden muss, um das Standardmodell zu vervollständigen. Nun, da es mit dem Higgs-Teilchen vollständig ist, fehlen die Wegmarkierungen. Es gibt gute Argumente, dass die Lösung einiger Probleme in Reichweite des LHC liegt, aber zwingend ist keines.

Die nächste Chance des LHC

Auch wenn man das Was und Wo nicht genau kennt, gibt es eine klare Vorstellung, wie nach neuer Physik gesucht werden kann. Die Richtlinie gibt dabei das Standardmodell mit seinen genauen Vorhersagen vor. Weicht irgendeine Messung von den erwarteten Resultaten ab, ist dies sofort Indiz, dass etwas Neues gefunden wurde. Egal ob eine neue Kraft, ein neues Elementarteilchen oder eine neue Symmetrie, sie sollten nur bei Schwerpunktsenergien von über einem Teraelektronenvolt zu finden sein. Denn den Energiebereich darunter haben Physiker bereits gut vermessen.

Präzision und höhere Energie sind die Schlüssel zu neuer Physik. Und der LHC der nächsten Jahre wird genau dies liefern. So werden statt der bisher untersuchten mehreren Hundert künftig beispielsweise die Daten von fast zehntausend Higgs-Bosonen zur Verfügung stehen. Zudem werden sich dann Teilchen im Beschleuniger erzeugen und vermessen lassen, die doppelt so schwer sind wie die bisher untersuchten. Und Physiker können einen bisher unerforschten Energiebereich von bis zu fünf Teraelektronenvolt ergründen. Dementsprechend gibt es zwei verschiedene Richtungen, in die man am LHC in den nächsten Jahren forschen wird:

Zerfall eines Higgs-Bosons im Experiment ATLAS

Einerseits werden Prozesse, die im Standardmodell genau vorhergesagt werden, präziser vermessen und nach Abweichungen abgetastet. Insbesondere wollen die Teams am LHC das Higgs-Boson genauer unter die Lupe nehmen. Denn an dem neu entdeckten Teilchen wurden erst wenige Messungen durchgeführt. Und Spekulationen darüber, wie es von den einfachen Erwartungen abweichen könnte, gibt es schon viele. Ist es das einzige Higgs-Teilchen? Verleiht es Materieteilchen und Kraftteilchen auf unterschiedliche Weise eine Masse? Ist es aus anderen Teilchen, etwa den schweren Top-Quarks oder sogar neuen Konstituenten, zusammengesetzt? Um diese Fragen zu klären, prüfen die Physiker beispielsweise wie häufig es produziert wird, wie es produziert wird, wie schnell es zerfällt und in welche Teilchen es zerfällt. Denn das Standardmodell macht darüber genaue Vorhersagen. Weicht eine der gemessenen Eigenschaften davon ab, gibt das wertvolle Hinweise darauf, welcher Natur das Higgs-Teilchen wirklich ist.

Andererseits fahnden die Forscher nach neuartigen Signaturen in den Daten, die nicht mit dem Standardmodell vereinbar wären. Ideen dafür gibt es reichlich: In den letzten Jahrzehnten sind hunderte neuer Modelle entwickelt worden, mit denen sich die Defizite des Standardmodells ausgleichen ließen. Existieren weitere, schwere W- und Z-Bosonen? Gibt es neue Teilchen, die in W- und Z-Bosonen oder in zwei Top-Quarks zerfallen? Eindeutige Aussagen darüber, bei welcher Energie diese Teilchen auftreten, fehlen allerdings auch hier. Das wohl bekannteste und beliebteste neue Modell ist die Supersymmetrie, die postuliert, dass jedes fundamentale Teilchen einen supersymmetrischen Partner besitzt, dessen Spin sich um den Wert ½ unterscheidet.

Wo und wann bricht das Standardmodell zusammen?

Während viele dieser Signaturen reine Spekulation sind, liefern astrophysikalische Beobachtungen im Fall der Dunklen Materie bereits stichhaltige Hinweise. Sie aufzuspüren, ist ein großes Ziel der Forscher am LHC. Zwar wären die Partikel der Dunklen Materie nicht direkt nachweisbar, da sie nicht mit dem Detektormaterial in Wechselwirkung treten. Doch in derselben Protonenkollision entstandene, gewöhnliche Teilchen ließen sich in der gegenüberliegenden Seite des Detektors erfassen und deuten auf eine Verletzung der Impuls- und Energieerhaltung hin. Aus solchen Ereignissen ließe sich dann folgern, wie Dunkle Materie entsteht, ob beispielsweise bevorzugt zusammen mit Top-Quarks.

Damit hätten die Forscher am LHC nicht nur bewiesen, dass diese rätselhafte Materieform existiert, sondern auch viel über deren unbekannten Eigenschaften, insbesondere deren Masse, gelernt. Mit diesem Wissen ließe sich die Dunkle Materie in eine größere Theorie einordnen. So wird in der Supersymmetrie ein Teilchen postuliert, das alle Merkmale der Dunklen Materie aufweist. Der LHC könnte damit zu einem Durchbruch in unserem Verständnis führen.

Auch wenn es viele theoretische Ideen gibt, wie sich die Physik weiterentwickelt – letztlich sind es Experimente, die den Weg weisen müssen. Um die vielen ungelösten Fragen zu beantworten, müssen Physiker tiefer in die Materie hineinschauen, selbst wenn sie nicht genau wissen, wonach sie suchen. Nach fünfzig Jahren Standardmodell hat die Teilchenphysik wieder eine explorative Phase erreicht, die an die Situation der 1960er- und 1970er-Jahre erinnern mag: Damals wusste auch niemand genau, wie es weiter geht, bis man plötzlich eine Vielzahl unerwarteter Teilchen entdeckte, die den Weg zum Standardmodell wiesen. Physiker sprechen von der „Novemberrevolution“. Vielleicht leitet der LHC die nächste Revolution ein.