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Higgs-Teilchen entdeckt:"Danke, Natur"

Wie ein unsichtbares Gelee, das sich im gesamten Universum ausbreitet: So darf man sich das Higgs-Feld vorstellen. Bisher war seine Existenz unbewiesen. Jetzt finden Cern-Physiker das Elementarteilchen, das sein Vorhandensein bestätigt - und damit aller Materie Masse verleiht.

Patrick Illinger

Mehrere Kameras im Hörsaal sollen an diesem Morgen eine wissenschaftliche Sensation per Internet in alle Welt übertragen. Doch ausgerechnet der erste Redner macht Probleme, die Kameras bekommen ihn kaum zu fassen. Wie ein unruhiges Raubtier schreitet der groß gewachsene Rolf-Dieter Heuer, Generaldirektor des Forschungszentrums Cern, vor seinem Auditorium hin und her. Er wolle nicht viele Worte machen, sagt der Hausherr, während ihm die Aufregung sichtlich in den Beinen steckt und die Kameras hinter ihm herjagen. Es gehe heute um "ein gewisses Teilchen", dessen Namen er im Moment vergessen habe.

Eine Grafik zeigt die von Cern gemessene Kollision zweier Protonen. Nach jahrelangen Versuchen haben die Physiker nun höchstwahrscheinlich die Existenz des Higgs-Teilchens bewiesen.

(Foto: AP)

Die anwesenden Physiker goutieren den Scherz. Niemand hier, und schon gar nicht der Generaldirektor des weltgrößten Physiklabors, würde je vergessen, wie dieses "gewisse Teilchen" heißt. Seit Jahrzehnten fahnden Physiker danach, mit den größten Experimenten, die je von Menschenhand gebaut wurden. Es geht um das "Higgs-Teilchen", von Physikern einfach nur "Higgs" oder auch "Higgs-Boson" genannt und von Medien oft als "Gottesteilchen" bezeichnet. Namensgeber ist der heute 83-jährige schottische Physiker Peter Higgs, der an diesem Mittwoch unter dem Applaus der jüngeren Kollegen ebenfalls den Weg nach Genf und in den Hörsaal des Cern fand.

Deutlich sichtbarer Buckel in den Messwerten

Dass es an diesem 4. Juli bedeutende Neuigkeiten geben würde, das ließen Gerüchte, Blogs, und vertrauliche Gespräche in den vergangenen Wochen bereits ahnen. Dennoch wartete die wissenschaftliche Welt am gestrigen Mittwoch mit Hochspannung auf die Vorträge im Hörsaal des Cern, die ungekürzt im Internet übertragen wurden. Nach Heuers kurzer Einführung berichteten die beiden Sprecher der zwei größten Experimente jeweils gut eine Dreiviertelstunde lang über Messungen, die in den vergangenen anderthalb Jahren am unterirdischen Protonenbeschleuniger vorgenommen wurden.

Auch Joe Incandela, ein eloquenter und - für Physiker ungewöhnlich - in Anzug und Krawatte gekleideter Amerikaner, konnte seine Anspannung kaum verbergen, während er die Ergebnisse des CMS-Experiments vortrug, an dem mit ihm rund 4000 Wissenschaftler arbeiten. Nachdem er die technischen Details seines Teilchendetektors sowie die Datenanalyse erläutert hatte, zeigte er die entscheidende Grafik mit einem deutlich sichtbaren Buckel in den Messwerten. "Das ist ziemlich bedeutend", murmelte Incandela und verlor einige Sekunden lang den Faden.

Applaus für die entscheidende Zahl: 5,0 Sigma

Frenetischen Applaus bekam er dann für eine weitere Folie, auf der die für Physiker alles entscheidende Zahl stand: 5,0 Sigma. Das ist eine statistische Größe, die über die Gewissheit einer Messung entscheidet. Und 5,0 Sigma, das ist exakt die Schwelle, von der an Physiker von einer Entdeckung sprechen. Sie besagt, dass ein statistischer Zufall so unwahrscheinlich ist wie ein Würfel, der neun Mal hintereinander die selbe Zahl zeigt. 5,0 Sigma - dieser Wert riss die Zuhörer am Cern zu einem Applaus hin, wie man ihn in der Welt der Wissenschaft nicht oft erlebt.

Die Ergebnisse des zweiten großen Cern-Experiments, Atlas genannt, an dem viele deutsche Institute beteiligt sind, lauten erstaunlich ähnlich. Es besteht daher fast kein Zweifel mehr: Ein neues Elementarteilchen ist entdeckt. Es ist rund 133-mal so schwer wie der Kern eines Wasserstoff-Atoms. Und alle bisher gemessenen Eigenschaften passen zu dem seit Jahren gesuchten Higgs-Partikel. Auf Basis der bisherigen Messungen könnte es sich auch um ein völlig unerwartetes, neues Teilchen handeln, das zu einer völlig neuen Vorstellung vom Universum führt. Doch ist im Leben wie in der Physik die einfachste Erklärung oft die richtige. Ein bisschen ist es wie nach einem Bankraub, bei dem die Polizei zwei Straßen weiter einen Mann mit Strumpfmaske und Waffe aufgreift. Theoretisch könnte das auch ein Missverständnis sein, aber wahrscheinlich ist das nicht.

Lang ersehnter Beweis einer alten Theorie

Sollte sich das neue Teilchen als das erwartete Standard-Higgs-Boson erweisen, wäre es der lang ersehnte experimentelle Beweis für eine bereits in den 1960er Jahren entwickelte Theorie, mit der sich erklären ließe, warum die Bausteine der Natur, darunter Elektronen und Atomkern-Bestandteile, Massen besitzen - und warum diese Massen so unterschiedlich sind. Die einst von Peter Higgs und anderen Theoretikern erdachte Theorie erfordert ein sogenanntes Higgs-Feld, das sich im gesamten Universum wie ein unsichtbares Gelee ausbreitet. Darin sind die punktförmigen Elementarteilchen wie Luftbläschen eingebettet. Und weil sie an dem Gelee des Higgs-Feldes haften, wirkt es, als hätten sie selbst eine Masse. Diese Theorie steht und fällt jedoch mit dem Nachweis, dass dieses Higgs-Feld tatsächlich existiert.

Dieser Nachweis könnte das nun am Cern entdeckte Teilchen sein. Nach einem Symmetrieprinzip, das unter anderem auf die 1882 geborene deutsche Mathematikerin Emmy Noether zurückgeht, muss es für jedes physikalische Feld ein passendes Elementarteilchen geben, das so wie ein Etikett auf einer Weinflasche den Inhalt kennzeichnet. Das korrespondierende Teilchen von elektromagnetischen Feldern ist beispielsweise das Photon, aus dem unter anderem das Licht besteht. Das Etikett des Higgs-Feldes könnte nun das neue Boson sein.

Milliarden Euro für den Bau des Protonbeschleunigers

Sollten sie sich weiter erhärten, so markieren die neuen Cern-Daten das vorläufige Ende der vielleicht größten und sicherlich teuersten Suchaktion in der Geschichte der Wissenschaft. Allein der Bau des Protonenbeschleunigers am Cern hat mehrere Milliarden Euro verschlungen, dazu kommen die kirchenschiffgroßen Detektoren, mit denen die im Beschleuniger erzeugten Protonenkollisionen vermessen werden. Wie schwer es dann noch ist, aus Billionen von Teilchenspuren jene Ereignisse herauszufiltern, die ein Higgs-Teilchen verbergen könnten, veranschaulicht CMS-Sprecher Joe Incandela mit einem Vergleich: Man stelle sich ein Olympia-Schwimmbecken voller Sandkörner vor, sagt er, in dem aber nur wenige Dutzend Körner wirklich interessieren.

Ein bisschen Glück hatten die Cern-Physiker bei ihrer Fahndung nach dem Higgs-Teilchen, schließlich hätte sich dieses Teilchen auch in kosmischen Schlupfwinkeln verbergen können, die für einen Teilchenbeschleuniger unsichtbar sind. Deshalb dankte Fabiola Gianotti, die Sprecherin des Atlas-Experiments, am Mittwoch nicht nur Kollegen und Technikern, sondern schloss ihren Vortrag mit einer besonderen Anerkennung: "Danke, Natur", sagte sie.

© SZ vom 05.07.2012/soli
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