• Die Geschichte des Higgs-Teilchens.
  • Was ist der Unterschied zwischen dem Higgs-Feld und dem Higgs-Teilchen?
  • Was ist der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus, oft auch nur Higgs-Mechanismus genannt?

Von der Theorie zum experimentellen Nachweis

Bereits 1964 waren die entscheidenden theoretischen Arbeiten darüber geschrieben worden, wie es zur Masse von Elementarteilchen kommt. Zunächst war die Bedeutung dieser Arbeiten gar nicht klar. Sie wurden in den 60er Jahren nur wenige Mal von anderen Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen zitiert und somit nur wenig wahrgenommen. Erst in den 70er Jahren änderte sich das, als sich zeigte, wie man die Theorie in ein großes, allumfassendes Modell aller bekannten Teilchen einbauen konnte. Dieses Modell heißt heute Standardmodell der Teilchenphysik.

Es beschreibt alle uns bekannten Kräfte außer der Gravitation, das heißt die elektromagnetische Kraft, die Starke Kernkraft und die Schwache Kernkraft. In den folgenden Jahrzehnten wurden alle darin vorhergesagten Teilchen gefunden, was diese Theorie äußerst erfolgreich macht. Das vorletzte Teilchen war das Top-Quark, welches erstmals 1995 gemessen werden konnte. Das Teilchen, welches für die Entstehung der Masse verantwortlich ist (es hatte inzwischen den Namen Higgs-Teilchen bekommen), war das letzte verbliebene Puzzlestück, das noch fehlte. Ursprünglich hatte man gehofft, es am LEP zu finden, dem Vorgänger des Teilchenbeschleunigers LHC. Als dieser im Jahr 2000 abgeschaltet wurde, war klar, dass die nächste Möglichkeit erst mit dem LHC kommen würde.

Die ganze Physikwelt hoffte also darauf, das Higgs-Teilchen am Teilchenbeschleuniger LHC zu finden, als er 2010 eingeschaltet wurde. Es war jedoch zu erwarten, dass es ein wenig dauern würde, bis ausreichend Daten gesammelt und ausgewertet worden wären. Am 4. Juli 2012 war es dann soweit, und die Entdeckung des Higgs-Teilchens konnte verkündet werden. Sofort nach der Entdeckung begannen die Spekulationen darüber, wer denn nun den Nobelpreis für das Higgs-Teilchen erhalten würde. Auf die Antwort musste man jedoch etwas warten, weil die Nominierungsfrist für 2012 bereits vorbei war. Allerdings war die Zeit bis zum Herbst 2013 sehr spannend. Es kamen nämlich mehrere Personen dafür in Frage und der Nobelpreis kann nur an maximal drei Personen vergeben werden. Es gab die Arbeiten von Peter Higgs, die von Robert Brout und François Englert und die von Gerald Guralnik, Carl R. Hagen und Tom Kibble. Leider war Robert Brout bereits 2011 verstorben. Letztendlich erhielten Higgs und François Englert den Preis "für die theoretische Beschreibung eines Mechanismus, der zu unserem Verständnis des Ursprungs von Masse beiträgt".

Der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus

Die theoretische Beschreibung, für die Englert und Higgs den Nobelpreis bekamen, bezeichnen wir als Brout-Englert-Higgs-Mechanismus. Manchmal spricht auch nur vom Higgs-Mechanismus, was aber in Anbetracht der Beiträge von Brout und Englert nicht fair erscheint. Den Brout-Englert-Higgs-Mechanismus muss man vom Higgs-Teilchen unterscheiden. Der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus ist eine mathematische Formulierung, wie in einer Theorie Masse auftauchen kann. Eine alternative Möglichkeit durch chirale Symmetriebrechung haben wir ja bereits kennen gelernt. Um den Brout-Englert-Higgs-Mechanismus zu erklären, bedient man sich oft verschiedener Analogien. Unter anderem wurde einmal eine Flasche Champagner als Preis für eine besonders einfache Analogie ausgesetzt. Der Preis ging an folgende Erklärung, welche hier leicht modifiziert erläutert wird:

Stellen wir uns vor, die Entdeckung des Higgs-Bosons wird gerade auf einer Party am CERN gefeiert. Die Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker auf dieser Party stellen das Higgs-Feld dar:

Higgs 4Die Party. Quelle: CERN, Georges Boixader

Ein Feld ist dadurch klassifiziert, dass wir eine Messgröße, beispielsweise die Temperatur, in jedem Punkt im Raum messen können.

Die Partygäste sind gleichmäßig über den Raum verteilt. Wenn nun ein Gast wie Herr Einstein auftaucht und sich den Weg zum Gratis-Buffet bahnen will, würden die Partygäste ihn erkennen und sofort mit ihm ein Gespräch beginnen wollen. Sie drängen sich um ihn, da jeder einen Blick erhaschen möchte:

Higgs 5Herr Einstein in Bedrängnis. Quelle: CERN, Georges Boixader

Herr Einstein interessiert sich nur für das Gratisbuffet, kommt jedoch nur sehr langsam voran, da ihm die anderen Gäste den Weg dorthin versperren. Herr Einstein wird also verlangsamt.

Anders ist es jedoch, wenn ein uninteressanter Physikstudent sich den Weg durch den Raum (natürlich nicht unbedingt zum Buffet) bahnen will. Er wird von den anderen Gästen ignoriert werden und kann mühelos durch den Raum gehen.

Den Studenten kann man mit einem masselosen Teilchen (beispielsweise einem Photon) vergleichen, während Herr Einstein verlangsamt wird und einem schweren Teilchen entspricht. Masselose Teilchen interagieren also nicht mit dem Higgs-Feld, massebehaftete schon. Je stärker sie interagieren, desto schwerer sind sie.

Jetzt haben wir zwar das Higgs-Feld und seinen Effekt auf andere Teilchen erklärt, aber was ist das Higgs-Teilchen? Ein Teilchen ist in der mathematischen Beschreibung eine Anregung des Feldes, eine Veränderung des gleichförmigen Grundzustands. Man könnte in unserem Vergleich das Higgs-Teilchen als Gerücht darstellen, welches sich im Raum verbreitet.

Higgs 2Ein Gerücht wird erzählt. Quelle: CERN, Georges Boixader

Die Menschen drängen sich zusammen um das Gerücht zu hören und erzählen es dann weiter.

Higgs 3Ein Gedränge entsteht. Quelle: CERN, Georges Boixader

Das entstehende Gedränge geht durch den ganzen Raum und kann als Anregung, also als Teilchen, interpretiert werden.

Zusammengefasst kann man also sagen, dass Teilchen ihre Masse durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld erhalten. Die Higgs-Teilchen sind dabei Feldanregungen. In einer anderen Analogie kann man sich das wie einen Topf mit kochendem Wasser vorstellen. Am Topfboden (wo die Temperatur am höchsten ist) bilden sich Wasserdampfblasen - sozusagen als Feldanregung, wobei das heiße Wasser das Higgs-Feld ist und die Blasen die Higgs-Teilchen. Durch ausreichend Energie kann man auch Higgs-Teilchen aus dem Higgs-Feld anregen. Das passiert in einem Teilchenbeschleuniger: Man kollidiert zwei Teilchen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, und wandelt durch die Kollision die Bewegungsenergie in Teilchen um.

Teilchen sind Feldanregungen.
Das Higgs-Teilchen ist eine Anregung des Higgs-Feldes.
Das Higgs-Feld gibt anderen Teilchen eine Masse.

Eine weitere Analogie mit Schnee erklärt John Ellis in diesem Video:

Das Higgs-Teilchen und die anderen elementaren Teilchen             

Wie bereits erwähnt erklärt der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus, wie Teilchen zu ihrer Masse kommen. Für die uns bekannten Teilchen konkret ausformuliert wurde das aber nicht 1964 sondern erst später in der Formulierung des Standardmodells der Teilchenphysik. Hier ein kurzer Überblick, welche Teilchen darin vorkommen:

Wir klassifizieren alle Teilchen in zwei Gruppen, den Fermionen und den Bosonen. Diese Bezeichnung ist quantenmechanisch begründet und hier nicht von Relevanz bis auf die Tatsache, dass man manchmal auch vom Higgs-Boson spricht und ganz einfach das Higgs-Teilchen meint. Die Fermionen sind in Leptonen und Quarks unterteilt. Von beiden gibt es je sechs Varianten, welche sich durch ihre Masse und andere Eigenschaften wie zum Beispiel ihre Ladung unterscheiden. Die Quarks und Leptonen sind jene Teilchen, welche die Materie aufbauen: Drei Quarks bilden Protonen und Neutronen, diese bilden Atomkerne, und gemeinsam mit Elektronen, welche Leptonen sind, bekommt man ein Atom. Damit diese Teilchen miteinander wechselwirken können, benötigen sie die Eichbosonen. Zum Beispiel sorgt ein Photon dafür, dass Elektronen (und auch alle anderen Teilchen mit elektrischer Ladung) miteinander wechselwirken können. Daneben gibt es noch die Gluonen, welche nur zur Wechselwirkung zwischen Quarks beitragen, und die W- und Z-Teilchen. Schematisch kann man dies auf folgende Art und Weise darstellen:

StandardmodellStandardmodell der Elementarteilchen. Standardmodell, Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), CC-BY-SA 4.0

Das Higgs-Teilchen nimmt hier eine Sonderstellung ein. Es hat sowohl Eigenschaften der Leptonen und Quarks als auch der Eichbosonen. Ganz wichtig ist, dass es mit allen Teilchen wechselwirkt, die eine Masse haben: Den Quarks, den Leptonen, den W- und den Z-Teilchen und auch mit sich selbst. Das Photon und die Gluonen hingegen sind masselos und wechselwirken nicht mit dem Higgs-Teilchen. In der Analogie von oben werden sie deshalb vom Higgs-Feld nicht an der Fortbewegung gehindert und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Die anderen Teilchen werden durch das Higgs-Feld ausgebremst und bewegen sich entsprechend langsamer. Das nehmen wir als Masse wahr.

Teilchen, welche mit dem Higgs-Feld wechselwirken, sind massebehaftet. Masselose Teilchen wechselwirken nicht mit dem Higgs-Feld!

Das Higgs-Teilchen entdeckt. Und nun?

Nachdem das Higgs-Teilchen experimentell gefunden worden ist, macht man sich nun daran, es besser zu verstehen. Seine Masse ist bereits gut vermessen, aber es gibt immer noch offene Fragen. Eine der größten Fragen ist die, welches Higgs-Teilchen gemessen wurde. Aktuell sieht es ganz danach aus, dass das Higgs-Teilchen alle Eigenschaften hat, welche es laut Standardmodell der Teilchenphysik haben müsste. Allerdings geht man eigentlich davon aus, dass das Standardmodell nicht vollständig ist und noch erweitert werden muss. Je nachdem, wie eine solche Erweiterung aussieht, hat das auch Konsequenzen für das Higgs-Teilchen. Eine Möglichkeit wäre zum Beispiel, dass das Higgs-Teilchen nicht elementar ist, sondern aus anderen Teilchen zusammengesetzt ist.

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