Zerfall des Higgs in Fermionen gemessen

Das Higgs-Teilchen ist extrem kurzlebig und lässt sich deshalb nur mithilfe seiner Zerfallsprodukte ausfindig machen. Im CMS-Experiment am Teilchenbeschleuniger LHC konnten Wissenschaftler nun den direkten Zerfall des Higgs-Teilchens in Fermionen nachweisen. Aus dieser Gruppe von Elementarteilchen ist die Materie aufgebaut. Bisher hatte man nur gemessen, wie das 2012 entdeckte Teilchen direkt in Bosonen – diese Partikel vermitteln Kräfte zwischen Fermionen – zerfällt. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

Die Forscher analysierten Daten, die von 2011 bis 2012 im CMS-Experiment gesammelt worden waren. Dabei kombinierten sie Auswertungen zu Zerfällen des Higgs in Bottom-Quarks und in Tau-Leptonen, die beide zur Teilchengruppe der Fermionen gehören. Demnach kommt es im Massebereich des Higgs-Teilchens von 125 Gigaelektronenvolt zu einer Häufung dieser Zerfälle, und zwar mit einer Signifikanz von 3,8 Sigma. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Häufung allein auf Grund zufälliger Hintergrundprozesse zustande kommt, liegt damit bei etwa 1 zu 14 000. In der Teilchenphysik geht man ab einer Signifikanz von fünf Sigma von einer bestätigten Entdeckung aus.

„Wir sind damit einen wichtigen Schritt weiter gekommen“, berichtet Teammitglied Vincenzo Chiochia von der Universität Zürich. „Wir wissen nun, dass das Higgs-Teilchen sowohl in Bosonen wie auch in Fermionen zerfallen kann. Damit können wir gewisse Theorien ausschließen, die davon ausgingen, dass das Higgs-Teilchen nur in bestimmte Arten von Teilchen zerfällt.“ Gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik muss sich die Stärke der Wechselwirkung der Fermionen mit dem Higgs-Feld proportional zu ihrer Masse verhalten. „Diese Voraussage wurde bestätigt“, so Chiochia. Dies deute darauf hin, dass sich das im Juli 2012 entdeckte Teilchen tatsächlich wie das in der Theorie postulierte Higgs-Teilchen verhält.

Das Higgs wurde eingeführt, um die Masse von elementaren Teilchen im Rahmen des Standardmodells zu erklären. Ob die Eigenschaften des gefundenen Teilchens mit den Vorhersagen übereinstimmen, versuchen die Physiker am LHC gegenwärtig herauszufinden. Dafür messen sie alle wichtigen Zerfälle des Higgs-Bosons mit möglichst hoher Genauigkeit. Ende 2013 hatten Wissenschaftler sowohl im CMS- als auch im ATLAS-Experiment bereits starke Hinweise auf den Zerfall in Fermionen gesehen.