Theoretische Physiker finden, dass das Higgs-Boson keine Vorboten neuer Physik zu enthalten scheint

Das Higgs-Boson wurde vor etwa zwölf Jahren in den Detektoren des Large Hadron Collider entdeckt. Es erwies sich als ein Teilchen, dessen Erzeugung und Beobachtung so schwierig ist, dass seine Eigenschaften trotz der verstrichenen Zeit immer noch nicht mit zufriedenstellender Genauigkeit bekannt sind. Dank der soeben veröffentlichten Leistung einer internationalen Gruppe theoretischer Physiker unter Beteiligung des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften wissen wir nun etwas mehr über seinen Ursprung.

Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Die größte Entdeckung des Large Hadron Collider (LHC) ist nach einhelliger Meinung der Wissenschaft das berühmte Higgs-Boson. Seit zwölf Jahren versuchen Physiker, die Eigenschaften dieses wichtigen Elementarteilchens möglichst genau zu erforschen. Diese Aufgabe ist aufgrund der experimentellen Herausforderungen und zahlreicher Rechenleistungshürden äußerst schwierig.

Glücklicherweise konnten dank einer Gruppe von Physikern vom Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau, der RWTH Aachen und dem Max-Planck-Institut für Physik (MPI) in Garching bei München gerade bedeutende Fortschritte in der theoretischen Forschung erzielt werden.

Das Standardmodell ist eine komplexe theoretische Struktur, die in den 1970er Jahren entwickelt wurde, um die derzeit bekannten Elementarteilchen der Materie (Quarks sowie Elektronen, Myonen, Tau und die zugehörige Dreifaltigkeit der Neutrinos) sowie elektromagnetische Kräfte (Photonen) und Kernkräfte (Gluonen bei starken Wechselwirkungen, W- und Z-Bosonen bei schwachen Wechselwirkungen) kohärent zu beschreiben.

Das Sahnehäubchen bei der Entwicklung des Standardmodells war die Entdeckung des Higgs-Bosons, eines Teilchens, das eine Schlüsselrolle in dem Mechanismus spielt, der den anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Die Entdeckung des Higgs-Bosons wurde Mitte 2012 bekannt gegeben. Seitdem versuchen Wissenschaftler, so viele Informationen wie möglich über dieses fundamental wichtige Teilchen zu erhalten.

„Für einen Physiker ist der Wirkungsquerschnitt bei einer bestimmten Kollision einer der wichtigsten Parameter, die mit jedem Elementar- oder Kernteilchen in Zusammenhang stehen. Er gibt uns nämlich Auskunft darüber, wie häufig das Teilchen bei Kollisionen eines bestimmten Typs auftreten kann. Wir haben uns auf die theoretische Bestimmung des Wirkungsquerschnitts des Higgs-Bosons bei Gluon-Gluon-Kollisionen konzentriert. Sie sind für die Produktion von etwa 90 % des Higgs verantwortlich, dessen Präsenz in den Detektoren des LHC-Beschleunigers registriert wurde“, erklärt Dr. Rene Poncelet (IFJ PAN).

Prof. Michal Czakon (RWTH), Co-Autor des Artikels, ergänzt: „Der Kern unserer Arbeit war der Wunsch, bei der Bestimmung des aktiven Wirkungsquerschnitts für die Produktion von Higgs-Bosonen bestimmte Korrekturen zu berücksichtigen, die aufgrund ihres scheinbar geringen Beitrags normalerweise vernachlässigt werden, da ihre Nichtbeachtung die Berechnungen deutlich vereinfacht. Es ist uns zum ersten Mal gelungen, die mathematischen Schwierigkeiten zu überwinden und diese Korrekturen zu bestimmen.“

Die Bedeutung der Korrekturen höherer Ordnung für das Verständnis der Eigenschaften der Higgs-Bosonen wird durch die Tatsache deutlich, dass die in der Arbeit berechneten sekundären Korrekturen, die scheinbar klein sind, fast ein Fünftel zum Wert des gesuchten aktiven Wirkungsquerschnitts beitragen. Dem gegenüber stehen Korrekturen dritter Ordnung von 3% (die die Rechenunsicherheiten jedoch auf nur 1% reduzieren).

Neu an der Arbeit war die Berücksichtigung des Effekts der Bottom-Quark-Massen, was zu einer kleinen, aber spürbaren Verschiebung von etwa 1 % führte. Es sei hier daran erinnert, dass der LHC Protonen kollidieren lässt, also Teilchen, die aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark bestehen. Die vorübergehende Anwesenheit von Quarks mit größeren Massen im Inneren von Protonen, wie etwa dem Beauty-Quark, ist eine Folge der Quantennatur der starken Wechselwirkungen, die Quarks im Proton binden.

„Die von unserer Gruppe gefundenen und in früheren Strahlenkollisionen am LHC gemessenen Werte des aktiven Wirkungsquerschnitts für die Produktion von Higgs-Bosonen sind praktisch dieselben, natürlich unter Berücksichtigung aktueller Rechen- und Messungenauigkeiten. Es scheint daher, dass innerhalb der von uns untersuchten Mechanismen, die für die Entstehung von Higgs-Bosonen verantwortlich sind, keine Vorboten neuer Physik sichtbar sind – zumindest im Moment“, fasst Dr. Poncelet die Arbeit des Teams zusammen.

Der weit verbreitete Glaube unter Wissenschaftlern an die Notwendigkeit einer neuen Physik rührt daher, dass sich eine Reihe fundamentaler Fragen mit dem Standardmodell nicht beantworten lassen. Warum haben Elementarteilchen die Masse, die sie haben? Warum bilden sie Familien? Woraus besteht die dunkle Materie, deren Spuren im Kosmos so deutlich sichtbar sind? Was ist der Grund für die Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie im Universum? Das Standardmodell muss auch deshalb erweitert werden, weil es die Gravitation, eine so häufige Wechselwirkung, überhaupt nicht berücksichtigt.

Wichtig ist, dass die neueste Errungenschaft der theoretischen Physiker vom IFJ PAN, der RWTH und dem MPI nicht definitiv ausschließt, dass es sich bei den Phänomenen, die die Geburt des Higgs-Bosons begleiten, um neue Physik handelt. Vieles könnte sich ändern, wenn die Daten des allmählich beginnenden vierten Forschungszyklus des Large Hadron Collider analysiert werden.

Die zunehmende Zahl von Beobachtungen neuer Teilchenkollisionen könnte es ermöglichen, die Messunsicherheiten so einzugrenzen, dass der gemessene Bereich der zulässigen Wirkungsquerschnitte für die Higgs-Produktion nicht mehr mit dem theoretisch definierten übereinstimmt. Ob das passiert, werden die Physiker in einigen Jahren wissen.

Im Moment kann man sich mit dem Standardmodell sicherer fühlen als je zuvor – und diese Tatsache entwickelt sich langsam zur überraschendsten Entdeckung, die mit dem LHC gemacht wurde.