Higgs-Zerfall
Das Higgs-Boson ist das einzige skalare Elementarteilchen im Standardmodell und verleiht anderen Teilchen ihre Masse. Sein seltenster, aber spektakulärster Zerfall führt über virtuelle Schleifen aus schweren Teilchen in zwei Photonen – obwohl das Higgs selbst neutral ist und nicht direkt an Photonen koppelt. Dieser H→γγ-Kanal war entscheidend für die Entdeckung am CERN am 4. Juli 2012.
Der Zerfall H→γγ ist quantenfeldtheoretisch ein Schleifenzerfall: Das Higgs koppelt nicht direkt an masselose Photonen, sondern über Dreieck-Feynman-Diagramme aus virtuellen schweren Teilchen – dominant das Top-Quark (~173 GeV) und das W-Boson (~80 GeV). Das Verzweigungsverhältnis beträgt nur 0,23%, macht aber den Kanal zum Signal-Kanal der Entdeckung, da zwei hochenergetische Photonen im Detektor sehr sauber messbar sind. Die invariante Masse der Photonen zeigt einen schmalen Peak bei 125 GeV.
Am 4. Juli 2012 verkündeten die ATLAS- und CMS-Kollaborationen am CERN die Entdeckung eines neuen Bosons mit 5σ-Signifikanz – die statistische Schwelle für eine Entdeckung in der Teilchenphysik. Der H→γγ-Kanal war entscheidend. Peter Higgs und François Englert erhielten dafür 2013 den Nobelpreis für Physik. Das Boson wurde seitdem in weiteren Zerfallskanälen (H→ZZ, H→WW, H→bb̄, H→ττ) bestätigt und seine Eigenschaften mit dem Standardmodell verglichen – alle Messungen stimmen innerhalb der Unsicherheiten überein.
Das Higgs-Boson zerfällt dominant in Bottom-Quark-Paare (58%), gefolgt von W-Boson-Paaren (21%), Gluon-Paaren (9%), Tau-Paaren (6%) und Z-Boson-Paaren (3%). Der H→γγ-Kanal mit 0,23% und H→Zγ mit 0,15% sind zwar selten, aber für Präzisionsmessungen entscheidend. Das HL-LHC-Programm (High-Luminosity LHC, ab ~2029) soll die Kopplungskonstanten auf 1–2% genau messen, um subtile Abweichungen vom Standardmodell zu suchen. Zukünftige Lepton-Collider könnten als »Higgs-Fabriken« über 10⁶ Higgs-Bosonen erzeugen.