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FRAGEN AN DIE NEBELKAMMER/005: Aktenzeichen Higgs Ypsilon ungelöst (SB)


Das CERN feiert die Feste, wie die Teilchen fallen.

"Ist es das nun oder nicht?"



"... Und nun ist es endlich da"

Nachdem in dieser Rubrik bisher unter anderem die Fragen eruiert wurden, inwieweit die von der weltweit bislang größten Urknallmaschine bzw. Teilchenschleuder erzeugten Daten - wie behauptet - einen Blick in den Urknall erlauben, ohne daß sich die Forscher dabei die Nase verbrennen [1], warum das Higgs-Teilchen unbedingt entdeckt werden muß und wird, obwohl es theoretisch so konzipiert wurde, daß man es eigentlich gar nicht entdecken kann [2], und schließlich, welch verwirrende Voraussetzungen, Vorkehrungen, Übereinkünfte und Einrichtungen getroffen wurden, um die angenommenen Zerfallsprodukte eines potentiellen Higgs-Teilchens zu entdecken und diesem zuzuordnen [3], dürfen wir nun - "Täterätetät" - nach fast fünf Jahrzehnten des erfolglosen Suchens nach dem schwer faßbaren Higgs-Boson, dem Schlüssel zu den ultimativen Fragen und "absolut allem", endlich die Jagd darauf oder besser vielleicht "seine schwere Geburt" als beendet erklären, uff!!

Das CERN übertrug die Sensation mit einem Onlineseminar in alle Welt: Public Viewing der Meßdaten für Physiker, auch am Forschungszentrum DESY in Hamburg, um zu beweisen, daß zumindest sauber gearbeitet wurde, auch wenn das nur für eingeweihte Teilchenphysiker einsichtig ist.

Für alle anderen faßte CERN-Generaldirektor Rolf Heuer im O-Ton des Deutschlandfunks die Darstellungen in einer Frage an die Fachkollegen zusammen: "Ich würde sagen: Wir haben es! Glauben Sie das auch?"

Zumindest den Meßdaten nach sei das Higgs-Teilchen, das mithin meistgesuchte Teilchen der Physik, mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit entdeckt, bestätigt das CERN und die gesamte physische Welt freut sich und applaudiert lieber schon mal. Ihr ganzes Physikerinnenleben habe sie darauf gewartet "und nun ist es endlich da", meinte die italienische Teilchenexpertin Erika Garutti im Deutschlandfunk.

Nun, die mathematische Disziplin "Wahrscheinlichkeit" wird sich auf dem Rechenwege schon irgendwie hinbiegen lassen. Bis dahin gibt man sich bescheiden ambivalent, d.h. im Klartext: jede Aussage hält ein Hintertürchen für die umgekehrte Interpretation offen, beispielsweise so:

Es handele sich nur um ein Vorergebnis, das aber sehr sicher sei. [4]

oder noch einmal CERN-Generaldirektor Rolf Heuer:

Wir haben eine Entdeckung gemacht. Wir haben ein neues Teilchen gefunden, und es sieht aus wie das Higgs-Teilchen. Aber wie genau sieht es aus? Das ist nach wie vor offen. [5]

ebenfalls Rolf Heuer gegenüber der Tagesschau:

Jetzt müssen wir noch feststellen, ob es wirklich dieses Teilchen ist. Aber wir haben ein neues Teilchen entdeckt, was genau auf dieses Teilchen passen würde.
(ARD Tagesschau, 4. Juli 2012)

Die Justus-Liebig-Universität Gießen spricht von vornherein nur von einem möglicherweise Higgs-ähnlichen Teilchen:

Prinzipiell könnte es sich bei dem im ATLAS- und CMS-Detektor beobachteten Teilchen auch um ein anderes neuartiges Teilchen unbekannter Art handeln. Weitere Messungen und Analysen werden das klären. [6]

Dagegen baut der CERN-Wissenschaftler Michael Hausschild lieber vor:

Wenn es jetzt das Higgsteilchen wäre, was wir wirklich suchen, seit langer Zeit, dann ist es - ich will nicht sagen - langweilig, aber dann ist es doch eine vorhergesehene Entdeckung. Wenn es jetzt etwas Neues wäre, wäre es wirklich etwas Unvorhergesehenes, etwas wirklich ganz Neues und das wäre eigentlich noch viel spannender.
(ARD Tagesschau, 4. Juli 2012)

Ebenso der Deutschlandfunk:

Ende Juli werden laut den Forschern mehr Daten vorliegen. Die Entdeckung sei auf jeden Fall ein neues Teilchen, ein Boson, und es sei das schwerste Boson, das bislang gefunden wurde. Der nächste Schritt werde sein, das Teilchen präzise zu bestimmen - und seine Signifikanz für das Verstehen des Universums. Die Frage sei, ob seine Eigenschaften wie erwartet dem Higgs-Boson-Teilchen entsprechen, oder ob es sich hier um etwas Exotischeres handele. [4]

Genau genommen sind sich die Wissenschaftler am CERN bislang nur sicher, daß sie Spuren irgendeines neuen Teilchens entdeckt haben und daß diese Spuren auf eine bestimmte Teilchenmasse des kurzfristig aufgetauchten und bereits wieder zerfallenen Teilchens hindeuten, die im Einklang mit der Higgs-Boson-Theorie steht, d.h in den erwarteten Größenbereich von über 124 GeV passen (Gigaelektronenvolt, Teilchenphysiker geben statt der Masse die dazu äquivalente Energie an [7]) [3]. Und dies enorme Gewicht ist auch schon alles, was man von dem Higgs-Boson zu wissen glaubt.

Doch woher diese Sicherheit gerade jetzt kommt, läßt sich einem Laien nur schwer vermitteln. Anfang Mai startete die aktuelle Betriebsperiode. Seither schnürt der LHC quasi ununterbrochen Billionen von Protonen in immer kleinere Bündel und läßt diese Teilchenpakete dann mehrere zehn Millionen Mal pro Sekunde zusammenkrachen. Anfang Juni fürchtete man noch, die unvorstellbaren Datenmengen, die Millionen von Teilchenkollisionen pro Sekunde lieferten, würden einen solch "dichten Nebel" erzeugen, "der - paradoxerweise - droht, das wohl prominenteste Partikel bei der großangelegten Suche zu verbergen: das Higgs-Boson" nämlich [8].

Anders gesagt, waren die Teilchenphysiker wie die Fachkommentatoren bereits zu diesem Zeitpunkt zwar davon überzeugt, daß das Higgs-Boson - falls es denn existiert - irgendwo in dem Datenrauschen von Abermillionen Ereignissen stecken müßte, wußten aber auch, daß sie zunächst das sogenannte "Pile-up"-Problem meistern müßten, die "größte Herausforderung", der sich die Wissenschaftler des Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN bei Genf in diesem Jahr stellen wollen.

Gigantische Rechenleistung, ausgeklügelte Software und technische Tricks helfen den Forschern bisher, das Problem in den Griff zu bekommen. Doch unter Umständen müssen sie die Kollisionsrate wieder reduzieren, um das lang gesuchte Higgs - Repräsentant eines Felds, das anderen Teilchen ihre Masse verleihen soll - aufzuspüren. [8]

Noch einmal: Treffen zwei dicht gepackte Protonenbündel aufeinander, berichtet CERN-Wissenschaftler Mike Lamont in Spektrum.de [8], treten im Schnitt 27 Teilchenkollisionen auf. Binnen weniger Wochen wird diese Zahl voraussichtlich auf rund 35 ansteigen und schließlich einen Spitzenwert von etwa 40 erreichen. Die beiden wichtigsten Detektoren am LHC wären allerdings nur dafür ausgelegt, rund zwei Dutzend Kollisionen auf einmal zu verarbeiten. Tritt eine Kollision auf, entscheiden deshalb Computer darüber, ob die Daten interessant sind. Und erst wenn es ihrem Programm zusagt, rekonstruieren sie aus den Spuren der Spuren die Teilchenkollision. Ereignen sich gleichzeitig Dutzende von Kollisionen, müssen die Computer die resultierenden Teilchenspuren zunächst mühsam "auseinanderdividieren" oder auch sogenannte "Geisterteilchen" ausschließen. Das sind Spuren verschiedener Partikel, die in einer bestimmten Weise zueinander ausgerichtet sind, daß sie die "Illusion" von Teilchen erzeugen können.

Da fragt man sich doch, ob sich allein mit Software und Rechenleistung die Guten und Echten von den Geistern scheiden lassen oder sich nicht gerade die Selektionsprogrammierung aus dem Wust von Signaturen schlicht ein paar passende Spuren herauspickt, die sich zu den gewünschten erwarteten Energiemengen aufsummieren lassen...?


Konsistent ist nicht existent

Was für den Laien übersetzt so aussieht, als würde man am CERN durch Zusammensetzen von Scherbenstückchen so wie Archäologen das gesuchte Teilchen zumindest virtuell rekonstruieren und eventuell nebenher noch ein paar Löcher einer inkonsistenten Theorie füllen, klingt im Fachchinesisch der Teilchenphysiker weniger griffig und läßt vielfältigere Deutung zu. So behauptet die Präsidentin der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), Johanna Stachel, auf ihrer Webseite, www.physikkonkret.de, zur Frage "Wie ist der Stand der Higgs-Suche?" nur, die Experimente ATLAS und CMS [9] hätten

- unabhängig voneinander und trotz unterschiedlicher Messmethoden - bei einer aus den Zerfallsprodukten berechneten Masse von etwa 134mal der Protonmasse (entspricht m·c² = 126 GeV) signifikant [10] mehr Ereignisse beobachtet, als man durch reinen Untergrund [11] erwarten würde.
Dies impliziert die Beobachtung eines neuen Teilchens, konsistent mit dem Higgs-Teilchen. Diese Beobachtung muss nun noch durch weitere Analysen bestätigt werden. [12]

Die Wissenschaftler verständen hierunter "vorsichtigere" Formulierungen, weil sie noch weiter an den Daten arbeiten müßten und auch im Laufe des Jahres "noch mehr Statistik brauchen, um den bisherigen Befund zu konsolidieren", hieß es dazu im Deutschlandfunk [13].

Die "vorsichtigere" Formulierung läßt sich jedoch kaum nachvollziehen, wenn man den Worten auf den Grund geht. Es drängt sich geradezu die Frage auf, ob nicht die Verwendung der Begriffe "signifikant" und "konsistent" gerade eine größere, bedeutsamere wissenschaftliche Aussagekraft vortäuscht, als tatsächlich vorhanden ist.

Tatsächlich impliziert der in diesem Zusammenhang verwendete "Konsistenz"-Begriff mehr Substanzielles, als tatsächlich vorhanden ist. Denn das kleine Wort läßt sich im doppelten Sinne verstehen: "konsistent" bzw. sein Substantiv "Konsistenz" leiten sich vom lateinischen "con" ("zusammen") und "sistere" ("halten") ab. Sie stehen von der Wortbedeutung für Bestand, Zusammenhalt und Geschlossenheit, das heißt für die Beschaffenheit einer Substanz. Die Beschaffenheit wird im wesentlichen durch ihre Eigenschaften repräsentiert, also der Dichtigkeit, Zähigkeit, Festigkeit, Kohärenz (Zusammenhang), Kohäsion (durch molekulare Anziehungskraft bewirkter innerer Zusammenhalt) des jeweiligen Stoffes.

Im Zusammenhang mit dem Zitat aus der Teilchenphysik: "Dies impliziert die Beobachtung eines neuen Teilchens, konsistent mit dem Higgs-Teilchen" macht das scheinbar überhaupt keinen Sinn. Das gleiche läßt sich aber auch für eine zweite, "wissenschaftlich gemeinte" Bedeutung des Begriffs sagen, in dem "konsistent" synonym mit widerspruchslos, bzw. ohne Widerspruch, die Schlüssigkeit der logischen Argumentation darstellen soll. Übersetzt in 'ohne Widerspruch zum Higgs-Teilchen' ergibt eine Beobachtung ohne Widerspruch zu einem Teilchen, von dem man eigentlich gar nichts weiß, auch nichts Faßbareres.

Dagegen öffnet die Implikation von Eigenschaften (oder Konsistenz zum Higgsteilchen oder -Feld) vermutlich nicht ganz unbeabsichtigt ein Fenster zu Mutmaßungen über das Feld und seine Beschaffenheit und lenkt damit von dem mageren Gehalt der Aussage ab.


Warum ist das Higgs-Teilchen nur so wichtig?

Dies erklärte Thomas Naumann gegenüber dem Deutschlandfunkmoderator Jochen Steiner in der Sendung Forschung aktuell [13] äußerst plastisch:

Wir haben in der Physik seit etwa 50 Jahren eine Art Weltmodell, das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik, geschaffen. Das erklärt sowohl die Bausteine der Welt als auch die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Dieses Modell ist extrem gut ausgearbeitet. Es funktioniert - also die Maschinerie läuft wie geschmiert bis auf fünf Stellen hinterm Komma. Es hat aber ein Problem: Normalerweise sind die Kraftteilchen, die die Kräfte vermitteln, masselos, das Lichtquant, das Photon, das - Elektromagnetismus hat keine Masse. Dasselbe gilt für die Schwerkraft. Beide Kräfte haben eine unendlich große Reichweite - das ist wichtig -, nicht so aber die sogenannte schwache Kraft der Betaradioaktivität, die Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt wurde.
Dort hat sich herausgestellt in einem ganz komplizierten Prozeß in den letzten 50 Jahren, daß die sogenannten Quanten - die Austauschteilchen der schwachen Kraft - fast die hundertfache Masse des Protons haben. Das sind die berühmten B- und Z-Bosonen. Und in diesem eigentlich perfekt funktionierenden Modell ist kein Platz für solche massiven Austauschteilchen. Es sei denn, man wendet einen Trick an. [13]

Um also die Schwachstelle, diese Inkonsistenz, auszugleichen, ohne in Widerspruch mit dem Modell zu geraten, muß es etwas geben, das diesen Teilchen Masse verleiht. Dazu führten Peter Higgs und andere Physiker [2] 1964 das Higgs-Feld ein, welches das gesamte Universum gleichermaßen durchdringt. Durch dieses Feld bewegen sich Elementarteilchen - zum Beispiel Quarks und Elektronen - wie durch einen zähen Sirup. Dabei verspüren sie einen Widerstand, ähnlich dem Widerstand, den der Sirup dem Kochlöffel beim Umrühren bietet. Physikalisch ausgedrückt: Die ursprünglich masselosen Austauschteilchen interagieren mit dem Higgs-Feld und erlangen so ihre Masse.

Ersetzt man das Higgs-Feld mit dem alten Begriff "Äther", dann schließt dieses Bild an die längst verworfene und immer wieder mal neu aufgegriffene Äthertheorie an. Offensichtlich drängt sich den Physikern diese Vorstellung immer wieder als Ersatz auf, wenn sie es mit Masse und Raum zu tun haben, oder genauer gesagt mit Druck, über den diese Größen wahrgenommen und definiert werden. Noch in der Neuzeit ging René Descartes davon aus, daß es keinen leeren Raum geben könne. Um den Äther nachzuweisen, der diesen füllt, führten der Physiker Michelsen in Potsdam 1881 und der Chemiker Morley 1887 in Cleveland ein Experiment durch, das nach ihnen später Michelsen-Morley Experiment genannt wurde. Es sollte gezeigt werden, daß Licht durch den Äther verlangsamt wird. In einem wirklich leeren Raum sollte die Ausbreitung des Lichts unmöglich sein. Das Experiment scheiterte und verstärkte damit die Vermutung, daß Äther doch nicht existiert. Wenig später machten Albert Einstein mit der speziellen Relativitätstheorie sowie die Entwicklung der Quantenmechanik die Existenz des über 1000 Jahre lang postulierten Äthers überflüssig.

Das ändert jedoch nichts daran, daß man in immer kleineren Dimensionen wieder auf die gleichen Probleme stößt, nämlich Masse bzw. Druck, die man auf die immer gleiche Weise zu lösen sucht. Wie die Lichtkorpuskel mit dem Äther interagieren oder kollidieren masselose Teilchen mit dem Higgs-Feld und werden gebremst, also schwer.

Auch das Higgs-Feld ist nicht direkt meßbar. Also postuliert die Physik, daß zu jedem Feld mindestens ein weiteres Elementarteilchen gehört, ergo muß es auch mindestens ein Higgs-Teilchen geben. Dieses Teilchen soll elektrisch neutral sein und sehr schnell zerfallen. Kurzum, es ist nicht direkt nachweisbar.

Laut Johanna Stachel (DPG) sind Higgs-Teilchen der letzte fehlende Baustein des Modells: Ihre Entdeckung ist zwingend nötig, wenn das Modell die Natur beschreiben soll. Zieht man andererseits diesen Baustein heraus, bricht das gesamte Gebäude zusammen. Ohne Erklärung, wie das Phänomen Masse in die Welt gekommen ist, gäbe es keine Masse mehr. Nichts hätte mehr Gewicht, auch der Mensch nicht. Dann würden auch die Elektronen nicht mehr um die Atomkerne herumflitzen, denn ohne Masse gäbe es keine Atome, keine chemische Bindung, keine Chemie, keine Biologie und damit zumindest theoretisch auch keine Lebewesen oder Menschen, die solche Theorien fabrizieren können. Wer kommt da noch mit? Kurzum, dieser logische Widerspruch ist für Physiker unerträglich!

Und das wiegt schwerer als der Gewinn an Raum und an schöpferischen Möglichkeiten, die sich aus dem Zusammenbruch dieses theoretischen Gebäudes ergeben könnten.

Doch wenn ein Feld unhinterfragt Konsistenz und Substanz voraussetzt und somit Teilchen, die diese repräsentieren und vice versa, erklärt auch das Higgs-Feld die Masse nicht bzw. den Druck als die unmittelbare spürbare Form.

Masse, also Druck, ist und bleibt mit oder ohne konsolidierte Higgs-Bosonen auch weiterhin etwas Bedeutsames, Geheimnisvolles bzw. eine ungeklärte, schwer zu greifende Größe, deren Hauptmerkmal ist, daß sie niemals in irgendeiner Form in die Reichweite der Bestimmung oder gar der empirischen bzw. überprüfbaren oder herzuleitenden Kontrolle war. Könnte das nicht bereits die Wissenschaft in Frage stellen?


Anmerkungen:

[1] Infopool → Naturwissenschaften → Meinungen
FRAGEN AN DIE NEBELKAMMER/001: Higgs, Nix und der Rest... (SB)
http://www.schattenblick.de/infopool/natur/meinung/nmfr-001.html

[2] Infopool → Naturwissenschaften → Meinungen
FRAGEN AN DIE NEBELKAMMER/002: Higgs - Wer hat's erfunden? (SB)
http://www.schattenblick.de/infopool/natur/meinung/nmfr-002.html

[3] ... obwohl man nicht einmal seine Masse kennt und somit in logischer Konsequenz auch nicht die von dieser Größe abhängigen Zerfallsprodukte identifizieren kann, siehe
Infopool → Naturwissenschaften → Meinungen
FRAGEN AN DIE NEBELKAMMER/003: Higgs, das war doch nur ein Wort...(SB)
http://www.schattenblick.de/infopool/natur/meinung/nmfr-003.html

[4] siehe auch: Deutschlandradio, 4. Juli 2012,

http://www.dradio.de/aktuell/1802111/

[5] siehe auch: Deutschlandfunk, 4. Juli 2012, Forschung aktuell:
http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/1802610/

[6] siehe auch Informationsdienst Wissenschaft vom 4. Juli 2012: "Higgs-ähnliches Teilchen am CERN beobachtet - Universität Gießen an den Messungen beteiligt Caroline Link, Referat für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, Justus-Liebig-Universität Gießen
http://idw-online.de/pages/de/news486841

[7] Die Messwerte am CERN deuten auf ein superenergiereiches Teilchen mit 125 bis 126 GeV [sprich: Giga-Elektronenvolt bzw: Milliarden Elektronenvolt] hin, was innerhalb des prophezeiten Rahmens für das Higgs-Boson [ab 124 GeV] liegt. In der Teilchenphysik wird diese Einheit verwendet, um den Energiegehalt und damit (nach der berühmten Einsteinschen Formel: Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat, E = mc²) auch die Masse eines beschleunigten Partikels genau zu bestimmen. Ein Elektronenvolt soll dem Energiegehalt eines Elektrons entsprechen, wenn es im Vakuum mit einem Volt beschleunigt wird.

[8] "Nahende Datenflut am LHC", Geoff Brumfiel, Spektrum.de - Die Woche, 1. Juni 2012

[9] ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS) soll hochenergetische Proton-Proton-Kollisionen untersuchen. ATLAS hat einen zwiebelförmigen Aufbau zum Ausfiltern und Nachweis unterschiedlichster Teilchenspuren. [3] - CMS (Compact Muon Solenoid) untersucht ebenfalls Proton-Proton-Kollisionen; CMS und ATLAS sind so konzipiert, dass sie eine gegenseitige Überprüfung wissenschaftlicher Resultate garantieren sollen.

[10] "signifikant" erklärt die DPG folgendermaßen:

Da auch statistische Fluktuationen ein Signal vortäuschen können, gilt für die Entdeckung eines neuen Teilchens: Erst wenn mit einer Wahrscheinlichkeit von 1:1,7 Millionen ausgeschlossen werden kann, dass es sich um eine Fluktuation des Untergrunds handelt, gilt eine Messung als Entdeckung. Das ist etwa so wahrscheinlich, wie acht Mal hintereinander eine Sechs zu würfeln. [12]

Letzteres ist, wie "Mensch-ärger-Dich-nicht"-Spieler bestätigen werden, aber auch nicht völlig unwahrscheinlich.

[11] Untergrund wird hier [12] erklärt:

Als Untergrund bezeichnet man Ereignisse mit ähnlicher Zerfallssignatur, die aber auf andere Prozesse zurückzuführen sind.

[12] Nr. 12, Juli 2012, Das Higgs-Teilchen und der Ursprung der Masse, www.physikkonkret.de

[13] Forschung aktuell, 4. Juli 2012,
http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/1802676/

14. Juli 2012