Der schottische Physiker Peter Higgs
besucht den CMS-Detektor (April 2008).
Foto: CERN
Higgs – auf der Suche nach dem Ursprung der Masse
Higgs – auf der Suche nach dem Ursprung der Masse
Woher kommt die Masse der Elementarteilchen? Teilchenphysiker beschäftigt diese Frage schon seit geraumer Zeit, denn die Masse spielt im Universum eine zentrale Rolle. Es ist bisher ungeklärt, über welchen Mechanismus die Elementarteilchen, aus denen die Materie besteht, ihre Masse erhalten. Als Verursacher haben die Physiker ein überall im Universum vorhandenes Medium in Verdacht, durch das sich alles hindurchbewegt: das Higgs-Feld. Wenn sie das zu diesem Feld gehörende Higgs-Teilchen finden, wäre das ein großartiger Triumph der Menschheit.
Materie besteht aus Teilchen
Alles Sichtbare – Menschen eingenommen – besteht aus drei verschiedenen Teilchen: Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen. All diese Teilchen haben eine Masse. Interessanterweise ist die Teilchenmasse kein primärer Bestandteil des Standardmodells, ganz im Gegenteil: Es beruht sogar auf masselosen Teilchen. Aber ohne die Masse würden alle Teilchen auseinanderfliegen, und nichts wäre so, wie wir es kennen.
Um zu erklären, warum doch alles so ist, wie wir es kennen, hat der theoretische Physiker Peter Higgs aus Schottland eine These aufgestellt. Laut seiner Theorie ist das Universum mit einer Art "Quantensirup" gefüllt, dem Higgs-Feld. Dieser Quantensirup bremst die durch ihn fliegenden Teilchen, er zieht praktisch an ihnen. Dadurch gewinnen sie an Masse. Je stärker ein Teilchen auf das Higgsfeld reagiert, umso mehr Masse hat es, und umso leichter kann es wiederum das Higgsfeld in Schwingungen versetzen. Diese "Wirbel im Quantensirup" äußern sich physikalisch in der Erzeugung von Higgs-Teilchen, nach denen man seit mehr als 40 Jahren sucht. Ihre Entdeckung wäre der Beweis der Existenz des Higgs-Feldes.
 "Zoom (504KB)")
Zusammenhang mit dem Standardmodell
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist überaus erfolgreich: Seit seiner Einführung ist es an allen Teilchenbeschleunigern der Welt aufs Äußerste getestet worden. Das Ergebnis: Es beschreibt die Bestandteile der Materie und ihre Wechselwirkungen, also die Kräfte, die zwischen ihnen wirken, hervorragend. Allerdings ist die Theorie der Teilchenphysik, das Standardmodell, nur zusammen mit dem Higgs-Teilchen mathematisch konsistent – dies ist jedoch der einzige Teil des Modells, den man bisher trotz großer Anstrengungen noch nicht experimentell bestätigen konnte.
Hoffnung auf Nachweis am LHC
Die meisten Eigenschaften, die das Higgs haben muss, sind bekannt: Es hat keine elektrische Ladung und keinen Spin, es ist also ein so genanntes Boson. Was die Physiker allerdings nicht genau kennen, ist die Masse des Higgs-Teilchens selbst. Theoretische Modelle und Experimente an Teilchenbeschleunigern haben gezeigt, dass es schwerer sein muss als 114 Giga-Elektronvolt (GeV; die Einheit, in der Teilchenphysiker die Masse angeben; 1 GeV entspricht etwa der Masse eines Wasserstoffatoms). Indirekte Messungen an Beschleunigern zeigen, dass die Masse des Higgs-Teilchens wahrscheinlich nicht höher ist als 200 GeV. Mit den Detektoren ATLAS und CMS am LHC und mit den Energien, die in den Kollisionen erzeugt werden, wird es möglich sein, das letzte noch fehlende Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, das Higgs-Teilchen, zu erzeugen und nachzuweisen – wenn es denn existiert.
 "Zoom (61KB)")
Simulation eines Higgs-Teilchens, das in
vier Myonen zerfällt, am ATLAS-Detektor.
Grafik: CERN
