Die bedeutendsten Entdeckungen am CERN

Do, 18.01.2018 - 11:57 — Claudia-Elisabeth Wulz

Der Aufbau der Materie aus Elementarteilchen und die Kräfte, die zwischen diesen wirken, werden im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst. Wissenschafter am Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN (der Europäischen Organisation für Kernforschung) haben hierzu fundamentale Erkenntnisse beigetragen. Mit Hilfe der weltstärksten Teilchenbeschleuniger und -Detektoren testen sie die Gültigkeit der Voraussagen des Standardmodells und dessen Grenzen. Die Teilchenphysikerin Claudia-Elisabeth Wulz (Institut für Hochenergiephysik der OEAW- HEPHY), seit knapp 25 Jahren Leiterin der österreichischen Gruppe des CMS-Experiments - CMS-Trigger - am Large Hadron Collider des CERN, gibt hier einen kurzen Überblick über die bedeutendsten Entdeckungen am CERN.*

Bausteine der Materie und Wechselwirkungen

Vorweg eine kurze Darstellung eines der erfolgreichsten Modelle in der Physik, des sogenannten Standardmodells der Teilchenphysik. Dieses gibt uns Auskunft über die Zusammensetzung der Materie, wie wir sie kennen und auch über die Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der Materie. Die grundlegenden Bestandteile des Standardmodells sind in Abbildung 1 dargestellt. Es sind

die sogenannten Quarks, die sich unter anderem in den Protonen und Neutronen befinden, welche die Atomkerne bilden,
weitere Teilchen, sogenannte Leptonen. Zu ihnen gehört das allgemein bekannte Elektron, das zusammen mit dem Atomkern das Atom bildet,
Kraftteilchen ("Eichbosonen"; siehe unten) und
das berühmte Higgs-Teilchen, das im Zentrum steht und dem Universum Substanz gibt. Wenn Elementarteilchen das alles durchdringende Higgsfeld durchfliegen, wechselwirken sie mit dem Feld und erhalten daraus ihre Masse.

Abbildung 1. Das Standardmodell der Teilchenphysik. Materie besteht aus Quarks (rot) und Leptonen (grün) und wird durch Kraftteilchen (blau) zusammengehalten. Durch die Wechselwirkung mit dem Higgsfeld (H) erhalten Elementarteilchen Masse.

Was kann man sich unter Kraftteilchen vorstellen?

Diese auch Austauschteilchen oder Eichbosonen genannten Teilchen vermitteln die Wechselwirkungen - Kräfte - zwischen den Materieteilchen Quarks und Leptonen. Bildlich kann man sich das etwa so vorstellen (Abbildung 2):

Zwei Personen sitzen in einem Boot und werfen sich gegenseitig einen Ball ("Kraftteilchen") zu. Als Folge bewegt der von dem Werfenden ausgehende Impuls dessen Boot nach hinten, ebenso wird das Boot des Fängers nach hinten getrieben. Mit dem Ball werden hier also Abstoßungskräfte übermittelt. Werfen sich die beiden Personen den Ball aber über rückstoßende Wände zu, so kommt es zu einem Heranrücken der Boote - zu einer Anziehungskraft.

Abbildung 2. Wie man sich die Wechselwirkungen zwischen den Materie-Teilchen - Quarks und Leptonen - durch den Austausch von Kräften via Kraftteilchen – Eichbosonen γ, g, W und Z – vorstellen kann.

Mit diesen Austauschteilchen sind fundamentale Kräfte verknüpft:

Elektromagnetische Wechselwirkung – Austauschteilchen sind Photonen (γ), aus denen auch das Licht - eine elektromagnetische Schwingung - besteht; Photonen sind masselose Trägerteilchen mit unendlicher Reichweite.
Starke Wechselwirkung – Gluonen (g; Gluon bedeutet so viel wie Kleber) sind verantwortlich für die stärkste Kraft, welche die Bindung der Quarks innerhalb des Protons oder des Neutrons und damit die Stabilität der Atome bewirkt. Die Reichweite ist auf den Atomkern beschränkt.
Schwache Wechselwirkung – wirkt auf geladene und ungeladene Elementarteilchen, wird durch W- und Z-Bosonen vermittelt und hat nur sehr, sehr kurze Reichweite. Diese Wechselwirkung ist verantwortlich für Kernfusionsprozesse (zum Beispiel die Fusion von Wasserstoff zu Helium im Inneren unserer Sonne) und auch für den natürlichen radioaktiven Zerfall.
Schwerkraft (Gravitation) ist die schwächste Kraft. Gravitation – Massenanziehung – ist uns aus dem täglichen Leben und auch aus der Himmelsmechanik vertraut und mit der allgemeinen Relativitätstheorie gut verstanden, spielt aber in der Mikrowelt der Elementarteilchen praktisch keine Rolle. Ein postuliertes, mit dieser Kraft verknüpftes Teilchen ("Graviton") konnte - auf Grund der Schwäche dieser Kraft - experimentell bis jetzt noch nicht aufgefunden werden. Auch der Versuch, diese Kraft in das durch Quantenfeldtheorie die Mikrowelt beschreibende Standardmodell einzubauen - also die Theorie der größten Dimensionen mit der Theorie für die kleinsten Dimensionen zu vereinigen - war bis jetzt nicht erfolgreich.

Pionierleistungen am CERN

Zur Erforschung der elementaren Bausteine der Materie und ihrer Wechselwirkungen nützt man am CERN riesige Teilchenbeschleuniger und gigantische Detektoren. Das zugrunde liegende Prinzip: es werden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Teilchen mit enormer Wucht zur Kollision gebracht. Entsprechend der Äquivalenz von Energie und Masse (E = m×c²) können sich Energie in Masse und Masse in Energie umwandeln und dabei neue, noch unbekannte Teilchen entstehen. Deren Spuren werden mittels der Detektoren aufgezeigt und exakt vermessen. Zahlreiche Durchbrüche in der Teilchenphysik sind auf derartige Untersuchungen am CERN zurückzuführen, die drei bedeutendsten - die Entdeckung i) der neutralen Ströme, ii) der W- und Z-Bosonen und iii) des Higgs-Teilchens - sollen hier kurz angeführt werden.

Zur elektroschwachen Wechselwirkung: Entdeckung der neutralen Ströme

Vor 50 Jahren hatten die Physiker Steve Weinberg, Abdus Salam und Sheldon Glashow postuliert, dass elektromagnetische und schwache Wechselwirkung zwei Facetten ein und derselben Kraft - der elektroschwachen Kraft - sind (gerade so wie Elektrizität und Magnetismus - Blitzstrahl und Magnetfeld - als unterschiedliche Aspekte der grundlegenden elektromagnetischen Wechselwirkung zusammengefasst sind). Noch bevor diese Theorie experimentell bestätigt wurde, erhielten die drei Forscher 1979 den Nobelpreis "Für ihren Beitrag zur Theorie der Vereinigung schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen, einschließlich unter anderem der Voraussage der schwachen neutralen Ströme“.

Die schwache Wechselwirkung wirkt auf alle Materieteilchen und wird durch elektrisch neutrale Teilchen (Z-Bosonen) oder positiv oder negativ geladene Teilchen (W-Bosonen) übermittelt. Ein bedeutender Schritt auf dem Weg zur Vereinigung von schwachen und elektromagnetischen Kräften war der experimentelle Nachweis der sogenannten neutralen Ströme am CERN mit der Blasenkammer Gargamelle im Jahr 1973. Abbildung 3.

Die Forscher hatten einen im Proton-Synchrotron erzeugten Strahl spezieller hochenergetischer Neutrinos (Myon-Neutrinos) in die Blasenkammer geschossen. Neutrinos - praktisch masselose, ungeladene Leptonen, die nur sehr, sehr schwach mit Materie reagieren - bleiben in der Blasenkammer unsichtbar. Die Kollision mit einem der in der Kammerflüssigkeit ubiquitären Elektronen führte zur Übertragung von Impuls und Energie auf dieses Teilchen, aber zu keiner Änderung seiner Ladung. Auf seiner Bahn brachte das Elektron durch Ionisation die Flüssigkeit zum Verdampfen und hinterließ so eine sichtbare Spur; dabei erzeugten vom Elektron ausgehende Photonen auch Elektron-Positron Paare (Abbildung 3, rechts).

Abbildung 3. In der Blasenkammer Gargamelle (links) wurde 1973 erstmals der schwache neutrale Strom nachgewiesen (rechts). Die mit überhitzter Flüssigkeit (Freon) gefüllte Blasenkammer ist in einen Magneten eingebettet, durch welchen geladene Teilchen kurvenförmig abgelenkt werden. Infolge Ionisierung verdampft die Flüssigkeit entlang ihrer Bahn und macht diese durch Bläschen sichtbar. Neutrinos - elektrisch neutrale Leptonen - interagieren nur sehr, sehr schwach mit Materie. Ein typischer neutraler Strom entsteht, wenn ein spezielles Neutrino (das Myon-Neutrino ν_μ) in die Kammer tritt und auf ein Elektron trifft (rechts: "Collision point").

Vermittler der elektroschwachen Wechselwirkung: Entdeckung der W-und Z-Bosonen

Nun begann die Suche nach den Kraftteilchen, welche die elektroschwachen Kräfte vermitteln. Der direkte Nachweis gelang 1983 in zwei großen Experimenten (UA1, UA2) mit Hilfe des damals größten Beschleunigers, dem sogenannten Super-Proton Collider, in welchem Antiprotonen mit Protonen zur Kollision gebracht werden konnten. Die dabei erzeugten sogenannten W- und Z-Bosonen wurden anhand ihrer Zerfallsprodukte detektiert, die vom Standardmodell vorhergesagt worden waren. Abbildung 4.

Bereits 1984, im Jahr nach dieser Entdeckung, wurden Carlo Rubbia und Simon van der Meer "Für ihre maßgeblichen Beiträge in dem Großprojekt, das zur Entdeckung der W- und Z-Kraftteilchen, den Vermittlern der schwachen Wechselwirkung, führte" mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Abbildung 4. Die Entdeckung des Z-Bosons im UA1-Experiment. Links: Nachweis des Z-Bosons anhand seines Zerfalls in ein Elektron-Positron-Paar (weiße Bahnen). Rechts: Aufbau des riesigen Underground Area 1 (UA1) Experiments. Darunter: Carlo Rubbia und Claudia-Elisabeth Wulz. Die Autorin hat im Zuge ihrer Diplomarbeit am CERN beim UA1-Experiment mitgearbeitet.

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens

Das Standardmodell beschreibt die Materieteilchen und ihre Wechselwirkungen, konnte aber lange nicht erklären, woher die Teilchen ihre Masse bekommen. In den 1960er Jahren wurde von mehreren Physikern - dem Briten Peter Higgs und den Belgiern François Englert und Robert Brout - die Existenz des sogenannten Higgs-Mechanismus vorausgesagt. Dieser Mechanismus führt ein Feld - das Higgsfeld - ein, welches das gesamte Universum durchdringt und in der Wechselwirkung mit Teilchen diese "abbremst" und ihnen so Masse verleiht. Schwingungen (lokale Verdichtungen) dieses Higgsfeldes sollten dann als diskretes Teilchen - Higgs-Teilchen (H) - aufscheinen.

Die Suche nach einem derartigen Teilchen gelang am Large Hadron Collider (LHC), in welchem Protonen mit enorm hohen Energien bis zu 7 Tera-Elektronenvolt zur Kollision gebracht und die dabei entstehenden Partikel mit den Detektoren ATLAS und CMS untersucht wurden. Ein zwiebelschalenartiger Aufbau der Detektoren aus unterschiedlichen Detektionskammern/-schichten ermöglicht die Identifizierung von Teilchen und Bestimmung ihrer Eigenschaften. Da für das postulierte Higgs-Teilchen eine nur extrem kurze Lebendauer vorhergesagt wurde, war es klar, dass man es im Detektor nicht direkt, sondern nur an Hand seiner Zerfallsprodukte - bekannter Teilchen wie Photonen (γ), Z- und W-Bosonen, b-Quarks, Taus (τ), etc. - detektieren würde. Die Untersuchung der Zerfallskanäle erbrachte dann im Juli 2012 die Meldung, dass ein neues Teilchen entdeckt worden war, das die Eigenschaften des vorausgesagten Higgs-Bosons aufwies und relativ leicht war (etwa 125 mal schwerer als das Proton). Abbildung 5.

Abbildung 5. Die Entdeckung des Higgs-Teilchens mit einer Masse von 125 GeV (entsprechend der 125 fachen Masse des Protons).Links ist das CMS Experiment skizziert, in welchem der Zerfallskanal Higgs-Teilchen (H) in 2 Photonen (γγ) untersucht wurde (grüne Bahnen im oberen Bild). Rechts: das ATLAS Experiment, der Zerfallskanal von H in zwei Z-Bosonen, die weiter in 4 Leptonen (oben: grüne Bahnen: Elektronen, rote Bahnen: Myonen) zerfielen. Die Wahrscheinlichkeit, dass andere Teilchen im Detektor (Untergrund) das Higgs-Boson-Signal vortäuschen könnten, lag bei 1 : 600 Millionen.

Wie im Falle der W- und Z-Bosonen wurde auch diese fundamentale Entdeckung bereits im folgenden Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. François Englert und Peter Higgs erhielten den Preis "Für die Entdeckung des theoretischen Mechanismus, der zu unserem Verständnis des Ursprungs der Masse von fundamentalen Bausteine der Materie beiträgt und der jüngst durch die Entdeckung des vorhergesagten Elementarteilchens in den Experimenten ATLAS und CMS am Large Hadron Collider des CERN bestätigt wurde."

Beiträge des österreichischen HEPHY-Teams am CERN

Das Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften war eines der Mitglieder der UA1 Kollaboration (siehe Entdeckung der W- und Z-Bosonen) und hat wichtige Beiträge zum Kalorimeter des Detektors, zum Datenaufzeichnungssystem und zur Datenanalyse geleistet.

HEPHY ist auch eines der Gründungsmitglieder der seit 25 Jahren bestehenden Zusammenarbeit am CMS-Detektor des Large Hadron Collider, wobei es Beiträge zur Konzeption, zur Hardware, Software und zum Betrieb des CMS-Experiments geleistet hat. Insbesondere hat das HEPHY-Team wesentliche Komponenten eines sogenannten Triggersystems entwickelt, das es erlaubt aus den Milliarden Protonenkollisionen diejenigen herauszufiltern, welche die interessantesten Ergebnisse versprechen (wie das funktioniert, erklärt Manfred Jeitler in: Big Data - Kleine Teilchen. Triggersysteme zur Untersuchung von Teilchenkollisionen im LHC).

Wie geht es weiter?

Mit dem Higgs-Teilchen wurde das Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigt, welche die uns umgebende Materie ausgezeichnet erklärt. Das ganze Universum lässt sich damit aber nicht beschreiben: Wir kennen nur rund 5 % davon , der Rest ist Dunkle Materie und Dunkle Energie, die unser Universum beschleunigt expandieren lässt. Zur Natur dieses "Rests" wissen wir derzeit keine Antwort - dieser ist ja, ebenso wie die Gravitation, nicht Bestandteil des Standardmodells. Wie kann nun das Standardmodell erweitert werden?

Die Hypothese der Supersymmetrie (SUSY) ist heute ein wichtiger Ansatz, um solche Fragen zu beantworten und auch alle Wechselwirkungen zu einer einzigen übergeordneten Wechselwirkung vereinigen zu können. SUSY sagt dazu eine Art von Duplikation der bekannten Partikel voraus. Diese hätten dann nicht die exakt gleiche Masse und daher auch unterschiedliche Eigenschaften, beispielsweise hätte ein up-Quark dann seine Entsprechung in einem supersymmetrischen up-Quark, ein Gluon in einem sogenannten Gluino. Das Standardmodell wird demnach in eine Art übergeordnetes Modell eingebettet, das in Zukunft unser ganzes Universum beschreiben können soll. Die Suche nach derartigen supersymmetrischen Teilchen am LHC ist im Gange.

Die herausforderndste Rolle des CERN wird wohl darin bestehen, gemeinsam mit experimentellen Astrophysikern und Kosmologen den Weg zu einer Physik der Zukunft zu weisen.

* Eine ausführlichere Darstellung des Themas findet sich in dem Vortrag "Discoveries at CERN", den die Autorin am 18. Oktober 2017 anlässlich des Wilhelm-Exner Symposiums gehalten hat. Video (englisch) 30:48 min. Details zu CERN, Standardmodell, Elementarteilchen, Teilchenbeschleuniger, Detektoren: Artikel unter weiterführende Links

Weiterführende Links

CERN: Europäische Organisation für Kernforschung (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Am CERN wird der Aufbau der Materie aus Elementarteichen erforscht und wie diese miteinander wechselwirken - also woraus das Universum besteht und wie es funktioniert.

Auf der Webseite des CERN findet sich u.a. eine Fülle hervorragender Darstellungen der Teilchenphysik (Powerpoint-Präsentationen)

Publikumsseiten des CERN: http://home.cern/about

Large Hadron Collider (LHC) http://home.cern/topics/large-hadron-collider

HEPHY (Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften) http://www.hephy.at/ HEPHY liefert signifikante Beiträge zum LHC Experiment CMS am CERN, Genf, sowie zum BELLE Experiment am KEK in Japan und zum CRESST Experiment im Gran Sasso in Italien.