Das verflixte Higgs

Wissenschaft
Das verflixte Higgs
Die Sache mit der Masse- wieso braucht es ein Higgs-Boson, um das
Universum zu verstehen?
von Hans Peter Beck
Das Higgs-Teilchen und das dazugehörige Higgs-Feld sind für un­
Physiknobelpreis 2013
sere Welt und den ganzen Kosmos von grundlegender Bedeutung.
Das Higgs-Feld, welches das ganze Universum durchdringt, sorgt
dafür, dass Elementarteilchen Masse haben. Erst wenn Elementar­
teilchen Masse haben, können sie sich mit Geschwindigkeiten un­
terhalb der Lichtgeschwindigkeit relativ zueinander bewegen, was
komplexe Strukturen, wie Wasserstoffatome, in denen ein Elektron
an ein Proton gebunden ist, erst ermöglicht. Um diesen Mechanis­
mus nachzuvollziehen, müssen jedoch zunächst einige Grundla­
gen der Teilchenphysik herangezogen werden.
Am 4. Juli 2 0 12 gaben Physiker am Eu­
ropäischen Labor für Teilchenphysik
(CERN) bekannt, sie hätten vermutlich
das Higgs-Teilchen gefunden
(Bild 1),
jenes verflixte Elementarteilchen, das
1964 vom schottischen Physiker Pe­
ter Higgs vorausgesagt und nun nach
knapp 50 Jahren entdeckt wurde. Das
Nobelpreiskomittee verlieh daraufhin
am 10. Dezember 2013 den Physikno-
1 Der Large Hadron Collider ist ein 27 km langer, fast kreisförmiger Beschleuniger, der im CERN bei Genf grenzüberschreitend unter schweizerischem und
französischem Gelände in einhundert Meter Tiefe fast lichtschnelle Protonen zur Kollision bringt. Große Detektoren ATLAS, ALICE, CMS und LHCb messen
die bei jeder Kollision entstehenden Teilchen(© CERN).
ASTRONOMIE+ RAUMFAHRT 51 (2014) 6
27
2 Beim Betrachten eines Apfels müssen Photonen an seiner Oberfläche streuen und ins Auge des Betrachters fallen. Die Energie, Flugrichtung und Rate
dieser Photonen wird, als elektrische Signale kodiert, in das Sehzentrum im Gehirn geleitet, um dort ein Bild des Apfels zu errechnen, das den visuellen
Eindruck des Apfels erst ergibt.
Franr;ois Eng­
lert und Peter Higgs für ihre ., theoreti­
dann frontal miteinander zu kollidieren.
tonen höherer oder niedrigerer Ener­
Hausgroße Teilchendetektoren, welche
gie können nicht direkt mit dem Au­
sche Entdeckung eines Mechanismus,
um die Kollisionspunkte aufgebaut sind,
ge wahrgenommen werden, sie liegen
welcher zu unserem Verständnis zum
messen die bei jeder Kollision entste­
außerhalb des Akzeptanzbereichs; sie
Ursprung der Masse von subatomaren
henden Teilchen, um so Aussagen über
können allerdings mit geeigneten In­
Teilchen beiträgt, welcher durch die AT­
die Eigenschaften der Urbausteine des
strumenten gemessen und via Falsch­
LAS und CMS Experimente am Large
Universums treffen zu können.
belpreis gemeinsam an
farbenkodierung in sichtbare Bilder
Hadron Collider am CERN gefundene
Um die Struktur eines Objektes zu
und vorhergesagte fundamentale Teil­
messen, müssen Teilchen an diesem
Photonendetektor verstanden werden,
chen bestätigt wurde."
Objekt streuen. Dies ist beispielswei­
samt dazugehöriger Datenakquisition,
se schon beim Betrachten eines Ap­
Signalverarbeitung, Datenrekonstruk­
(Bild 2).
tion und Auswertung in Nervenbahnen
fels mit bloßem Auge der Fall
Teilchenkollisionen
Lichtteilchen (Photonen) die aus ei­
Verstehen, was die Welt in ihrem In­
übersetzt werden. Das Auge kann als
und Gehirn.
ner Lichtquelle herausschießen, tref­
Experimente an Teilchenbeschleu­
fen auf die Oberfläche des Apfels und
nigern samt ihren Teilchendetektoren
nersten zusammenhält, ist ein uralter
werden dort gestreut. Einige Photonen
sind letztlich nichts anderes. Aus der
Goethe zu
werden dabei so gestreut, dass sie ge­
gemessenen Information der bei jeder
Menschheitstraum, den auch
seinem Faust inspirierte. In der moder­
rade ins Auge eines Betrachters tref­
Kollision entstehenden Teilchen ( Teil­
nen Physik ist man diesem Traum heute
fen. Photonen mit einer Energie von ca.
chensorte, Flugrichtung und Energie al­
so nah gekommen wie nie zuvor. Mit der
1, 6 - 3, 3 eV (1 Elektronenvolt entspricht
ler beteiligten Teilchen einer Kollision)
experimentellen Entdeckung des Elek­
einer Energie von ca. 1, 6 10-19 J) wer­
wird ein Bild errechnet, das die Struk­
Joseph lohn
den auf der Retina in elektrische Signa­
tur, Art und Eigenschaften der bei der
Thomson wurde klar, dass Atome eine
le umgewandelt und in das Sehzentrum
Kollision beteiligten und neu entstehen­
innere Struktur besitzen müssen, und
im Gehirn geleitet. Die in diesen elekt­
den Teilchen ergibt. Es leuchtet schnell
deswegen nicht unteilbar sind, wie ihr
rischen Signalen kodierte Information
ein, dass eine Kollision mit einem, oder
Name suggeriert. Damit fand die Teil­
ist die Energie und Richtung der Pho­
nur wenigen Photonen, die das Auge
chenphysik ihre Anfänge als diejenige
tonen, sowie deren Intensitäten, d. h.
erreichen, nicht ausreicht, um das Bild
Disziplin, welche die Eigenschaften und
die Anzahl Photonen pro Sekunde, die
eines Apfels zu errechnen. Es müssen
Struktur der Materie in ihrem Innersten
das Auge erreichen. Das Bild des Ap­
sehr viele Kollisionen und entsprechend
erforscht. Die Werkzeuge, die dabei be­
fels wird aus diesen Informationen im
viele Informationen einzelner gestreu­
nötigt werden, sind Teilchenbeschleu­
Gehirn errechnet und mit Falschfarben
ter Photonen summiert und statistisch
gemittelt werden, um ein Gesamtbild
trons im Jahre 189 7 durch
·
Thomson war dies in Form
kodiert, um so einen als natürlich er­
einer wenige Dezimeter großen Katho­
scheinenden Gesamteindruck des Ap­
zu erhalten. In der Teilchenphysik ist
denstrahlröhre, in der Elektronen be­
fels zu erwecken. Photonen einer Ener­
dies ganz analog. Eine Kollision allei­
schleunigt werden und mit Molekülen
gie von 3, 0-3, 3 eV werden als Violett
ne reicht nicht aus, um Aussagen über
des Restgases in der Vakuumröhre kol­
empfunden, solche einer Energie von
die Struktur der kollidierenden Teilchen
lidieren. Heute sind dies kilometergro­
2, 5 -3, 0 eV als Blau usw. bis schließlich
treffen zu können, oder um die Existenz
niger. Bei
ße unterirdische Anlagen, in welchen
zu 1, 6 - 1, 9 eV, welche als Rot wahrge­
und Eigenschaften neuer Teilchen zu
Teilchen gegenläufig auf fast Lichtge­
nommen werden; so kommt das ganze
bestimmen. Daher sind oft lange Lauf­
schwindigkeit beschleunigt werden, um
Regenbogenspektrum zustande. Pho-
zeiten von Teilchenphysikexperimen-
28
ASTRONOMIE+ RAUMFAHRT 51 (2014) 6
ten in Kauf zu nehmen. Für den Large
Hadron Collider beispielsweise ist eine
Laufzeit von 2009 bis 2035 geplant, in
der über 200 Billiarden Proton-Proton
Kollisionen gemessen werden sollen.
Erst dann ist das Potenzial neuer phy­
sikalischer Erkenntnisse, das mit die­
sem Beschleuniger zugänglich ist, aus­
geschöpft.
Entsprechend
den
Gesetzen
der
Quantenmechanik müssen Teilchen als
Quantenobjekte, also auch als Wellen,
aufgefasst werden. Dementsprechend
haben Teilchen eine Wellenlänge 11.,
die von ihrem Impuls p abhängt. Für
ein sich mit einem Impuls p bewegen­
den Teilchen ist die Wellenlänge 11. ge­
geben durch die Planck'sche Konstante
h = ca. 6,6 10-34 Js = ca. 4,1 10-15 e Vs als:
11. = hip. Große Impulse bedeuten ent­
·
·
sprechend kleine Wellenlängen. Dabei
bestimmt die Wellenlänge der Teilchen
gleichzeitig auch das Auflösungsvermö­
gen, das bei der zu erfolgenden Struk­
turanalyse maximal erreicht werden
kann. Dies ist ein Grund, wieso große
Impulse, d. h. kleine Wellenlängen, die
3 Quarks und Leptonen sind die Materieteilchen, die Fermionen. Die Kräfte, die auf Fermionen
wirken, werden durch Botenteilchen, den Bosonen, vermittelt. Das Higgs-Feld, dessen Anregung
das Higgs-Teilchen ist, bewirkt, dass Fermionen sowie W-und Z-Bosonen Masse haben
(© Fermilab Visual Media Services).
nur in entsprechend großen Beschleuni­
gern erreicht werden können, so wich­
tig sind. Der zweite Grund folgt aus
mal vier Teilchen: das Elektron, das Pro­
besitzen. Protonen und Neutronen be­
der Einstein'schen Energie- und Mas­
ton, das Neutron sowie das Photon. Da­
stehen aus Quarks.
E gleich
Masse m mal Lichtgeschwindigkeit c im
Quadrat gilt: E = mc2. Bei hohen Kolli­
mit konnten die Atome, bestehend aus
werden, wobei Atomkerne aus Proto­
1969), welche er einem Roman "Fin­
sionsenergien können so neue Teilchen
nen und Neutronen zusammengesetzt
negans Wake" von
erzeugt werden, die nicht schon vorher
sind. Dieses einfache Bild wurde erst
lehnte.
se-Äquivalenz, bei der Energie
Atomkern und Elektronen, aufgebaut
Die
von
Bezeichnung
Quark
stammt
Murray Gell-Mann (Nobelpreis
James Joyce ent­
James Joyce lebte in seinem
in den beteiligten kollidierenden Teil­
1932 durch die Entdeckung des Anti­
Exil in Zürich und war sich daher wohl
chen vorhanden waren. Je höher die
Elektrons (auch als Positron bezeichnet)
bewusst, dass "Quark" im deutschen
Carl David Anderson (Nobelpreis
Sprachraum ein Milchprodukt bedeu­
Kollisionsenergie, desto massivere neue
durch
Teilchen können erzeugt werden. Da­
1936) und 1936 durch die Entdeckung
bei gilt, dass jeweils Materie und Anti­
des Myons durch
Anderson und Seth
tet; ob
Gell-Mann diese Bedeutung auch
kannte, ist zu bezweifeln.
materie zu gleichen Teilen aus der zur
Neddermeyer, welche beide in der
Neben den Quarks gibt es noch die
Verfügung stehenden Energie neu er­
kosmischen Höhenstrahlung gefunden
Leptonen, welche zusammen die Mate­
(Bild 3).
zeugt werden. Das Higgs-Teilchen ist
wurden, jäh zerstört. Positronen sind
rieteilchen bilden
sein eigenes Anti- Teilchen und kann
Antimaterie und haben die exakt glei­
Leptonen besitzen ein intrinsisches
so auch einzeln erzeugt werden. Seine
chen Eigenschaften wie Elektronen, bis
Drehmoment (Spin) von ±Y2fi und sind
Masse ist mit ca. 125 GeV/c2 etwa 134-
auf das Vorzeichen ihrer Ladung. Posi­
entsprechend ihrem Impuls entweder
mal schwerer als die zu seiner Erzeu­
tronen sind, wie der Name schon aus­
linksdrehende oder rechtsdrehende
gung verwendeten Protonen im Large
drückt, positiv geladene Elektronen.
Teilchen. Dabei ist fi die um den Fak­
Hadron Collider am CERN; eindeutig
Myonen besitzen die exakt gleichen Ei­
tor 2n reduzierte Planck'sche Konstan­
sind Higgs-Teilchen keine Bestandtei­
genschaften wie Elektronen, sind aller­
te:
le im Proton, sondern entstehen erst im
dings rund 200-mal schwerer als diese.
Händigkeit (Chiralität) eine wesentliche
Mit diesen Entdeckungen war klar, dass
Eigenschaft der Teilchen, die, wie wei­
das Universum mehr Elementarteilchen
ter unten klar wird, strikt unterschieden
Augenblick der Kollision.
Elementarteilchen - Urbausteine
des Universums
Quarks und
h= h/2n. Interessanterweise ist diese
enthält, als gerade nötig sind, um die all­
werden muss. Teilchen mit halbzahli­
tägliche Materie um uns herum und in
gem Spin werden Fermionen genannt
Galaxien samt ihren Sternen, Planeten
und Teilchen mit ganzzahligem Spin Bo­
und interstellaren Gasen zu erklären.
sonen. Insgesamt gibt es sechs verschie­
dene Quarks (up u, down
d, charm c,
Die Anzahl der Elementarteilchen, die
Heute wissen wir, dass Protonen und
zum Verständnis der Welt benötigt wer­
Neutronen selbst keine Elementarteil­
strange s, top t, bottom b) und sechs ver­
den, umfasste um 1930 herum gerade
chen sind, sondern eine innere Struktur
schiedene Leptonen (Elektron
e, Elekt-
ASTRONOMIE+ RAUMFAHRT 51 (2014) 6
29
rr'=
I
--e
I
--e
j
+.:.e
3
I
-- e
3
3
3
(ud) rr= (ud) und Tl'= -b-(ua-dd)
\ben Über­
wobei Anti-Teilchen durch e
strich bezeichnet werden. Das neutrale
Pion Tl' ist ein gemischter Zustand aus
(uu) und (dd). Ganz allgemein werden
Teilchen, die aus Quarks aufgebaut
sind, als Hadronen bezeichnet. Das Pro­
ton ist somit ein Hadron, was namens­
gebend war für den Large Hadron Col­
j
,::.e
lider, in welchem Protonen und auch
3
ganze Atomkerne beschleunigt und zur
Proton
Kollision gebracht werden können.
Neutron
Damit sich Quarks zu Hadronen bin­
den können, braucht es eine Kraft, die
4 Baryonen bestehen aus drei Quarks. Protonen und Neutronen sind Beispiele für Baryonen und die
einzigen, die in der Natur ohne Weiteres vorkommen. Alle anderen Baryonen, die mit schwereren
Quarks gebildet werden, existieren nur kurzfristig in Teilchenkollisionen und zerfallen rasch in Proto­
nen, Neutronen, Leptonen und Photonen. Auch das Neutron ist allein nicht stabil und zerfällt in ein
Proton, ein Elektron und ein Elektron-Neutrino. Sind Neutronen in Atomkernen gebunden, können sie
zwischen den Quarks wirkt. Dies ist
neben der elektrischen Wechselwir­
kung, die an der elektrischen Ladung
der Quarks angreift, die starke Kraft,
die an der sogenannten Farbladung
auch stabil sein.
der Quarks angreift. Farbladung ist
ein etwas technischer Begriff, der da­
1
her rührt, dass Farbladung, anders als
�-e
3
die elektrische Ladung, in drei Zustän­
den vorkommt, die gemeinhin als Rot,
Grün und Blau sowie deren Komple­
mentärfarben Cyan (=Antirot), Magen­
ta (=Antigrün) und Gelb (=Antiblau)
1
1
weils eine Farbe und Antiquarks ent­
-- e
--e
1
bezeichnet werden. Quarks haben je­
3
3
sprechend jeweils eine Antifarbe. Me­
J2
sonen und Baryonen, die gebundene
Quarksysteme sind, sind nach außen
hin immer farbneutraL Bei Baryonen
sind die Farben Rot, Grün und Blau in
exakt gleicher Menge vorhanden, und
bei Mesonen heben sich Farbe und An­
tifarbe gegenseitig auf, um in beiden
Fällen die Mischfarbe Weiß zu bilden.
Weiß ist farbneutral, was nichts weiter
bedeutet, als dass Mesonen und Ba­
ryonen von weitem betrachtet keine
5 Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Anti-Quark. Sämtliche Mesonen sind instabil und
zerfallen äußerst schnell in Leptonen und Photonen. Pionen bestehen aus up- und down-Quarks(bzw.
Anti-Quarks). Sie kommen in drei Ladungsvarianten vor und sind die leichtesten Mesonen.
Farbladung erkennen lassen. Die star­
ke Wechselwirkung ist so nur im Innern
von Hadronen relevant.
Schließlich unterliegen alle Mate­
rieteilchen auch der schwachen Kraft
ron-Neutrino
v ;
e
Myon p, Myon-Neutri­
) sowie ihre
,
Mit drei Quarks können Baryonen
und besitzen entsprechend auch eine
schwache Ladung. Die schwache La­
Anti-Teilchen. Das up, charm und top
Protonpein aus zwei up Quarks und ei­
dung hängt ab von der elektrischen
Quark besitzen eine elektrische Ladung
nem down Quark bestehendes gebun­
v ;
P
TauT, Tau-Neutrino
von +2/3
v
e, wobei e = ca. 1,6 · 1Q-19C der
aufgebaut werden
(Bild 4).
So ist ein
no
denes System,
p = (uud), und ein Neut­
n besteht aus einem up Quark und
Wert der Elementarladung ist. Die La­
ron
dung eines Elektrons ist entsprechend
zwei down Quarks,
n = (udd). Ein Zu­
e, -1/3 e,
e) und seiner Chiralität (links­
Ladung eines Teilchens (-1
0, +2/3
oder rechtsdrehend).
(Anmerkung für
Spezialisten: Chiralität und elektrische
-e und die eines Protons +e. Die drei
sammenzählen der elektrischen Ladun­
Ladung bestimmen zugleich auch den
weiteren Quarks, das down, strange und
gen der beteiligten Quarks zeigt, dass
schwachen Isospin, den ich hier nicht
bottom Quark, besitzen eine elektrische
die entsprechenden Summen stimmen.
weiter einführe. ) Linksdrehende und
e. Die Leptonen sind
Mit einem Quark und einem Anti­
rechtsdrehende Teilchen einer Sorte
haben tatsächlich verschiedene schwa­
Ladung von -1/3
entweder elektrisch geladen, Elektro­
Quark können Mesonen aufgebaut wer­
nen, Myonen und Taus besitzen die La­
den
So ist beispielsweise ein Pi­
che Ladungen und spüren die schwache
dung -e, oder sind, wie der Name der
on ein gebundenes System aus up und
Wechselwirkung verschieden stark. Die
Neutrinos schon andeutet, neutral.
down Quarks, wovon es drei Sorten gibt:
Natur unterscheidet in der Tat zwischen
30
ASTRONOMIE+ RAUMFAHRT 51 (2014) 6
(Bild 5).
-
Links und Rechts, was als Paritätsver­
-�
----·
lf/
letzung zum ersten Mal 1956 von Ma­
dame Chien-Shiung Wu gemessen wur­
-I
de und die damalige Welt der Physik
erschütterte.
q=
Symmetrien, Erhaltungssätze und
Botenteilchen
mentarteilchen verstehen,kommt man
2
3
I
--
3
fiir up-Quarks
tur down-Quarks
lf/
Will man die Eigenschaften der Ele­
nicht darum herum, die Kräfte, die auf
+
fUr geladene Leptonen
6 Wechselwirkungsdiagramm der elektromagnetischen Wechselwirkung. Photonen koppeln an geladene
Fermionen 'it mit der Kopplungsstärke e, mutlipliziert mit der Ladung q des Fermions
sie einwirken, genau zu verstehen. Es
hat sich gezeigt, dass dies im Rahmen
der speziellen Relativitätstheorie und
messen zu können. Eine Symmetrie ist
in das Wirkungsfunktional eingebaut
der Quantenmechanik als Quanten­
dann vorhanden, wenn die Wellenfunk­
werden. Dies erscheint zunächst aben­
eichfeldtheorie tatsächlich möglich ist.
tionen von Teilchen einer Transforma­
teuerlich, hat aber Konsequenzen fun­
Um ein umfassendes Verständnis der
tion unterzogen werden können, ohne
damentaler Bedeutung. Die Form, die
Kräfte zu erlangen, muss jedoch zu­
dass sich dabei das Wirkungsfunktional
diese Korrekturterme haben müssen,
nächst die Rolle von Symmetrien und
des Systems, in dem sich die Teilchen
ist leicht zu erraten, und diese neuen
Erhaltungssätzen diskutiert werden.
Emmy Nölher war 1918 die Erste, die
befinden, verändert. Solche Transfor­
Terme haben grundlegende physikali­
mationen sind gerade die Symmetrie­
sche Bedeutung. Es folgt daraus näm­
bemerkte, dass jedem Erhaltungssatz
operationen, die es zu finden gilt.
lich, dass Elektronen eine Ladung e be­
der Physik eine Symmetrie zugrunde
erste Symmetrie, die hierzu
sitzen müssen, die erhalten ist. Darüber
liegt. Ausgehend vom Prinzip der sta­
gefunden wurde, ist die sogenann­
hinaus erscheint ein neues Teilchen in
tionären Wirkung zeigte sie, dass in ei­
te U (1) -Symmetrie. U (1) ist die ein­
den Gleichungen, das Photon, welches
nem System die Energie erhalten ist,
dimensionale unitäre Gruppe, deren
für alle elektromagnetischen Wechsel­
wenn die Zeit homogen ist; d. h. wenn
Elemente nichts Weiteres machen, als
wirkungen verantwortlich ist
es keine Rolle spielt, wann der Start­
die Wellenfunktion eines Materieteil­
punkt einer Zeitskala gewählt wird.
chens mit einer komplexwertigen Zahl
die Quantenelektrodynamik, welche in
Weiter ist in einem System der Impuls
des Betrags eins zu multiplizieren. Was
ihrer ersten Näherung so grundlegen­
Die
(Bild 6).
Aus der U (1)-Symmetrie folgt somit
eine Erhaltungsgröße, wenn der Raum
kompliziert tönt, ist tatsächlich nicht
de Physik, wie die Maxwellgleichun­
isotrop ist; d. h. wenn es keine Rolle
so schwierig. Die U (1)-Symmetrie ver­
gen direkt enthält. Die gesamte Elek­
spielt,wo der Koordinatenursprung ei­
langt, dass für ein Fermion, beispiels­
trizitätslehre, samt ihren elektrischen
nes Koordinatensystems gewählt wird.
weise ein Elektron, gilt, dass die Wel­
und magnetischen Phänomenen, wie
Schließlich folgt auch, dass der Dreh­
lenfunktion dieses Elektrons mit eiü
beispielsweise die Existenz elektroma­
impuls in einem System eine Erhal­
multipliziert werden darf und trotzdem
gnetischer Wellen als Manifestierung
tungsgröße ist, wenn die Ausrichtung
mit dieser neuen Wellenfunktion das­
des Photons, ist auf diese Weise auf ei­
des Koordinatensystems keine Rolle
selbe Elektron beschrieben wird. Die
ne Symmetrie zurückgeführt. Es ist tat­
spielt. Mit System ist eine abgeschlos­
Phase
"P ist dabei eine beliebige reell­
sächlich so, dass, wenn man den Wert
sene Entität gemeint, die unabhän­
wertige Zahl, i
gig von äußeren Einflüssen betrachtet
Einheit und e
wird; wobei das Universum als Gan­
Zahl. Klar ist, dass die Phase
"P im re­
keine weiteren Freiheitsgrade in der
zes definitionsgemäß selber ein abge­
ellwertigen Betragsquadrat einer Wel­
Physik der elektromagnetischen Wech­
schlossenes System ist.
lenfunktion keine Rolle spielen kann,
selwirkungen mehr gibt.
Um die Eigenschaften von Elemen­
=
0
ist die komplexe
der Ladunge und die Masse m des Elek­
2,718 . . . die Euler'sche
trons einmal gemessen hat, es danach
=
dae'•·e-i<=1 ergibt. Wählt man nun an­
Ermutigt durch diesen Erfolg, wur­
tarteilchen und die Kräfte, die auf sie
stelle einer festen Phase
"P eine zeit­
den weitere Symmetrien erprobt, um
wirken,zu verstehen,müssen die geeig­
lich und räumlich veränderliche Phase
so auch die schwache und die starke
neten, Symmetrien gefunden werden,
"P(x,t), ergeben sich formale Stolperstei­
Kraft auf fundamentale Prinzipien zu­
die die entsprechenden Wirkungsfunk­
ne in den Bewegungsgleichungen für
rückzuführen.
tionale invariant lassen. In der Quan­
diese Elektronen, da in diesen Glei­
SU(2) ist die spezielle unitäre Gruppe
tenmechanik
mit
chungen auch die zeitlichen und räum­
von komplexwertigen 2x2 Matrizen,de­
Hilfe von Wellenfunktionen beschrie­
lichen Ableitungen der Wellenfunk­
ren Elemente jeweils zwei linkshändige
t und je­
tion gebildet werden müssen. Dabei
Fermionen gemeinsam als einen zwei­
x im ganzen Raum ei­
erscheinen neue, zusätzliche Terme,
dimensionalen Vektor drehen. Rechts­
werden
Teilchen
ben, die zu jedem Zeitpunkt
dem Ortspunkt
ne komplexwertige Auslenkung haben.
die die Ableitungen der Phase
"P(x, t)
händige Fermionen sind als Punkte
Das reellwertige Betragsquadrat dieser
enthalten. Das transformierte Elektron
aufzufassen und sind von solchen Dre­
Auslenkung gibt die Wahrscheinlich­
ist nun nicht mehr identisch zum ur­
hungen nicht betroffen. Drei Drehwin­
keit an, Teilchen an einem bestimmten
sprünglichen. Um die Symmetrie zu ret­
kel (Phasen) können so gewählt wer­
x und zu einer bestimmten Zeit t
ten,können zusätzliche Korrekturterme
den, um beispielsweise einen (Elektron,
Ort
ASTRONOMIE+ RAUMFAHRT 51 (2014) 6
31
wohl nirgends in den Gleichungen, die
den Anfangszustand beschreiben, eine
Symmetriebrechung enthalten ist.
Übersetzt in die Welt der Elementar­
teilchen bedeutet dies, dass ein neues
Feld eingeführt werden muss sowie ein
Potenzial, das auf dieses neue Feld wirkt
und dieses in einen Grundzustand fallen
lässt. Dieses Feld ist gerade das Higgs­
uLink$
Ve.Links
Feld, welches zum Zeitpunkt der Entste­
hung des Universums, beim Big Bang,
7 Wechselwirkungsdiagramme der schwachen Wechselwirkung. W±-ßosonen koppeln an linkshändige
Leptonen und Quarks. Z0-Bosonen koppeln an links-und rechtshändige Fermionen '1'. Die Kopplungs­
stärke hängt ab von der schwachen Ladung, die von der elektrischen Ladung und der Chiralität des
Fermions abhängt.
vollständig der Symmetrie gehorchend
mit allen anderen Teilchen mitentstand
und beim Abkühlen des Universums nun
in seinem Grundzustand quasi als Kon­
densat vorliegt. Die Folge dieses An­
satzes ist, dass der gesamte Raum des
Erfolg - oder doch nicht so ganz?
Universums durchflutet ist von diesem
lich und räumlich veränderlich sein.
Mit drei Symmetrien U (l)xSU(2)xSU(3)
durch dieses Higgs-Feld hindurch bewe­
Elektron-Neutrino)-Vektor zu drehen.
Wie bei U(l) sollen diese Phasen zeit­
Higgs-Feld und dass sich alle Teilchen
Verlangt man, dass solche SU (2)-Dre­
scheint somit die ganze Physik (Gravita­
gen müssen. Elementarteilchen, wie das
hungen linkshändige (Elektron, Elekt­
tion wird hier nicht berücksichtigt) auf
Elektron, erhalten demnach ihre Masse
ron-Neutrino)-Paare unverändert lassen,
ein solides Gerüst gestellt zu sein. Alle
als Folge der Wechselwirkung mit dem
müssen auch hier wieder für jede der drei
je erfolgten Experimente sind mit diesen
allgegenwärtigen Higgs-Feld- so ähn­
Phasen einzeln neue Terme in das Wir­
drei Symmetrien im Prinzip verstanden.
lich wie ein Kaffeelöffel plötzlich viel
kungsfunktional eingebaut werden. Die
Was erst als riesiger Erfolg im Verständ­
massiver erscheint, wenn er durch ei­
Konsequenz daraus ist, dass gleich drei
nis der Welt erscheint, hat jedoch einen
nen Honigtopf gezogen wird. Entspre­
neue Teilchen in den Gleichungen er­
Haken, den es noch zu bereinigen gilt.
scheinen, die w•, w--und zo Vektor-Bo­
chend dem BEH-Mechanismus ist somit
Das Problem ist, dass die Symmetri­
Masse keine intrinsische Eigenschaft der
sonen, samt den ganzen Eigenschaften
en zu rigide sind und das Vorhanden­
Elementarteilchen, sondern ein Effekt,
der schwachen Wechselwirkung (Bild
7).
sein von Masse der Elementarteilchen
der erst durch die Wechselwirkung mit
dem Higgs-Feld entsteht.
Phänomene der schwachen Wechsel­
komplett negieren. Nicht nur das Pho­
wirkung, wie die Beta-Strahlung oder
ton, sondern auch Elektronen, up- und
das Wasserstoffbrennen im Innern der
down-Quarks, d.h. alle Fermionen und
kann
Sonne, sind so auf eine Symmetrie zu­
Bosonen müssten masselos sein - was
U (l)xSU (2)xSU (3)
rückgeführt.
ganz klar nicht mit der Realität in Ein­
welche die Existenz
klang scheint.
chen und die Eigenschaften der star­
SU (3) schließlich ist die spezielle
Mit
diesem
BEH-Mechanismus
die ursprüngliche
Symmetrie
erhalten
bleiben,
der Botenteil­
unitäre Gruppe von komplexwertigen
Eine Lösung dieses Problems war
3x3 Matrizen, deren Elemente jeweils
ken, schwachen und elektromagneti­
lange Zeit nicht in Sicht, bis 1964 Robert
schen Kräfte in fantastischer Eleganz
Brout, Franr;ois Englert und unabhängig
Peter Higgs einen Lösungsan­
beschreibt. Gleichzeitig ist die Masse
schiedlicher Farbladung gemeinsam als
davon
der Elementarteilchen neu als Effekt
ein drei-dimensionaler Vektor drehen.
satz vorschlugen. Deren Idee ist heute
und nicht als intrinsische Eigenschaft
In diesem Fall können acht Drehwinkel
als BEH-Mechanismus, dem Brout-Eng­
von Elementarteilchen verstanden.
definiert werden, um zum Beispiel einen
lert-Higgs-Mechanismus, bekannt. Die
Das Wirkungsfunktional, welches
(uRot' umau'
grundlegende Idee ist die, dass ein Sys­
die gesamte Physik beschreibt (außer
drei Quarks derselben Sorte mit unter­
uGrün)-Vektor in allen seinen
möglichen Achsen zu drehen. Entspre­
tem in seinem Anfangszustand voll­
allem, was mit Gravitation zu tun hat)
chend dieser acht Phasen, die wiede­
ständig symmetrisch sein kann. Ist das
hat so auf einem T-Shirt Platz und bil­
rum zeitlich und räumlich variieren,
System allerdings in seinem Grundzu­
det das Grundgerüst der Teilchenphysik
erfolgen hier acht Gluonen sowie eine
stand angelangt, muss die ursprüngli­
und der Big-Bang-Kosmologie
vollständige Beschreibung der starken
che Symmetrie nicht mehr unbedingt
(Bild 8).
Wechselwirkung. Damit sind nun auch
erkennbar sein. Ein einfaches Beispiel
Kernkräfte, Alpha-Zerfälle, und Kern­
ist ein Bleistift, der auf seine Spitze ge­
reaktionen wie das Helium-3-Brennen
stellt wird und danach sich selbst über­
im Innern der Sonne auf eine Symme­
lassen wird. In seinem Anfangszustand
Das Higgs-Feld, das den gesamten
trie zurückgeführt.
ist dieses System vollständig rotations­
Raum erfüllt, kann man sich vorstellen
Das Higgs-Teilchen
Neben den Materieteilchen, den Fer­
symmetrisch um eine nach oben zeigen­
wie die uns umgebende Luft. Norma­
mionen, ist so die neue Klasse der Boten­
de Achse herum. In kürzester Zeit wird
teilchen gefunden (Photon, w•, w-, Z0,
lerweise nehmen wir keine Notiz von
der Bleistift spontan in eine beliebige
der Luft um uns herum. Luft ist transpa­
Gluonen), die für die Wechselwirkungen
Richtung fallen und auf der Tischplatte
rent und wiegt scheinbar nichts, da der
zuständig sind, ganzzahligen Spin be­
liegen bleiben. Die ursprüngliche Ro­
Luftdruck gleichmäßig von allen Sei­
sitzen und entsprechend Bosonen sind.
tationssymmetrie ist so gebrochen, ob-
ten auf uns drückt und wir selber auch
32
ASTRONOMIE+ RAUMFAHRT 51 (2014) 6
Elementarteilchen masselos wären und
sich so mit Lichtgeschwindigkeit durch
das Universum bewegen müssten. Für
die Quarks kommt hier allerdings eine
Erschwerung hinzu, da diese, entspre­
chend ihrer Farbladung, nicht als freie
Teilchen existieren können. Tatsächlich
sind die Gluonenfelder um die Quarks
herum stark genug, um gebundene Zu­
stände aus Quarks zu bilden. Baryonen
und Mesonen könnten so trotzdem exis­
tieren,und diese hätten auch eine Masse.
Entsprechend der Einstein'schen Ener­
gie-Masse-Äquivalenz
E
=
mc2 wäre die
Bindungsenergie der Gluonfelder für die
Masse dieser gebundenen Zustände ver­
antwortlich. Massenunterschiede gäbe
es zwischen Baryonen und Mesonen, da
drei Quarks mehr Farbladung und somit
ein stärkeres Gluonfeld bewirken als bei
zwei Quarks. Kleine Unterschiede in den
Massen von Baryonen wären durch die
zusätzlich wirkende elektromagnetische
Bindungsenergie zu erwarten. Gelade­
8 Das Wirkungsfunktional des Standardmodells der Teilchenphysik lässt sich sehr kompakt auf ein
T-Shirt schreiben. Die erste Zeile beschreibt die elektromagnetische, starke und schwache Kraft, die
zweite Zeile beschreibt, wie diese Kräfte auf Fermionen(Quarks und Leptonen) wirken. Die dritte Zeile
beinhaltet, wie Fermionen durch das Higgs-Feld Masse erhalten, und die vierte Zeile enthält das Higgs­
Teilchen und wie es mit den anderen Botenteilchen in Wechselwirkung tritt, sowie das Higgs-Potenzial.
© http://WWW. sciencemuseumshop. co. uk
ne Baryonen wären demnach geringfü­
gig schwerer als neutrale. Als Konse­
quenz wären geladene Baryonen nicht
stabil und würden sehr schnell in neut­
rale Baryonen zerfallen. Mesonen wären
insgesamt instabil (wie auch in unserem
Universum mit aktivem Higgs-Feld). Im
ziemlich inkompressibel sind. Sobald
neten und unserer Atmosphäre nach
Universum gäbe es somit nur neutrale
wir uns aber rasch durch Luft hindurch
wie vor statt, oder ganz gezielt im Lar­
Baryonen, wie Neutronen, und sich mit
bewegen,spüren wir,dass wir Kraft auf­
ge Hadron Collider am CERN. In den
Lichtgeschwindigkeit bewegende Lep­
bringen müssen, ansonsten werden wir
AT LAS- und CMS-Experimenten am
durch die Luft verlangsamt. Wenn wir
Large Hadron Collider gelang es tat­
Weiter wären Photonen, W+, w--und zo
uns schnell durch Luft bewegen, strömt
sächlich, das Higgs-Feld so anzuregen,
Vektor-Bosonen vorhanden, auch die­
die Luft nicht mehr laminar um uns her­
dass dabei Higgs-Teilchen entstanden
se bewegten sich mit Lichtgeschwindig­
um, sondern es entstehen Verwirbelun­
sind und durch ihre Zerfallsprodukte in
keit. Komplexe Strukturen, wie Atome,
gen. Mit dem Higgs-Feld verhält es sich
den Experimenten nachgewiesen wer­
Moleküle, Sterne und Planeten, wären
ganz analog. Wir spüren das Higgs-Feld
den konnten. Die Eigenschaften des
nicht vorhanden. Leben wäre gänzlich
zu keiner Zeit. Anders als in Luft wer­
so neu gefundenen Teilchens stimmen
undenkbar.
den Teilchen auch nicht verlangsamt,
innerhalb der bisher erreichten Mess­
wenn sie sich durch dieses Feld bewe­
genauigkeit exakt mit den durch den
tonen, wie Elektronen und Positronen.
Literatur und Links
Informationen zur Teilchenphysik, welche die Entde­
gen. Teilchen werden quasi gleichför­
BEB-Mechanismus erwarteten Eigen­
ckung des Higgs-Teilchens berücksichtigen, sind noch
mig gedrückt und gestoßen, sodass kein
schaften überein. Daraus ist zu schlie­
nicht häufig in leicht zugänglicher Literatur erhält-
Impuls verloren geht. Das Higgs-Feld
ßen, dass das Higgs-Feld tatsächlich
zeichnet auch kein Inertialsystem aus,
den gesamten Raum füllt, dass das Va­
da es immer nur in Wechselwirkung mit
kuum im Grunde gar nicht leer ist, und
einem Teilchen lokal manifest wird.
die Masse der Elementarteilchen tat­
Die einzige Möglichkeit, das Higgs­
Feld zu messen, ist es direkt anzure­
sächlich nur ein Effekt ist, aber keine
intrinsische Eigenschaft der Teilchen.
1 ich.
Langsam erscheinen aber Lehrbücher auch auf
Deutsch, welche die Thematik gut und übersichtlich
behandeln. Drei Webseiten im deutschsprachigen Raum
bieten eine Fülle an Information für Lehrkräfte, Schüler
und ganz allgemein Interessierte:
http://www. tei lchenwelt.de;
http://www. tei Iehen .at:
http://www. tei Iehenphysik.ch
gen. Ähnlich wie die Luft Verwirbelun­
gen bei lokaler Anregung zeigt, kann
auch das Higgs-Feld angeregt werden,
was sich in Form von Higgs-Teilchen
Ein Universum ohne Higgs-Feld
und ohne Higgs-Teilchen
manifestiert. Dies ist möglich bei Teil­
PD Dr. Hans Peter Beck
Universität Bern
Albert Einstein Center for Fundamental
chenkollisionen, wie sie beim und kurz
Die Frage, wie das Universum aussehen
nach dem Big Bang stattfanden. Auch
würde,wenn es kein Higgs-Feld und so­
heute finden sie in Kollisionen der kos­
mit kein Higgs-Teilchen gäbe,wird öfter
CH-3012 Bern
mischen Strahlung mit Sternen, Pla-
gestellt. Klar ist, dass ohne Higgs-Feld
E-Main: [email protected]
Physics
Labaratory für High Energy Physics
Sidlerstr. 5
ASTRONOMIE+ RAUMFAHRT 51 (2014) 6
33