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Hintergrundinformationen: Das Higgs-Teilchen

Hintergrundinformationen

Das Higgs-Teilchen - oder auf der Suche nach dem Ursprung der Masse

Das Standardmodell

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Welt der kleinsten Teilchen und die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Es reduziert die Zahl der Bausteine der Welt auf lediglich 12 elementare Materieteilchen. Das Wirken von Kräften beschreibt es mit dem Austausch von Kraftteilchen.

Das Standardmodell der Teilchenphysik wurde in vielen Experimenten überprüft und ist immer wieder hervorragend bestätigt worden. Nur einen entscheidenden Teil, nämlich den, der erklärt, wie Teilchen ihre Masse bekommen, konnten die Wissenschaftler lange nicht im Experiment bestätigen. Bis 2012 das Higgs-Teilchen mehr als 40 Jahre nach seiner theoretischen Vorhersage entdeckt wurde.

Das Higgs hat viele Väter

In den 60er Jahren standen die Wissenschaftler vor einem Problem: Ihr damaliges Theorie-Gebäude konnte die Masse der Elementarteilchen nicht erklären – allerdings haben nachweislich die meisten Elementarteilchen eine Masse. Ohne Masse würde die Welt nicht funktionieren: hätten beispielsweise Elektronen keine Masse, könnten sie gar nicht in den Atomhüllen gebunden bleiben. Es gäbe keine Atome.
Insbesondere erlaubte die unvollständige Theorie nur masselose Kraftteilchen, wie das Photon, Botenteilchen der elektromagnetischen Kraft. So passt auch die im Experiment gemessene Masse der W- und Z-Teilchen, der Botenteilchen der Schwachen Kraft, nicht in die bisher bestätigten Teile des Modells. Dabei erklärt die große Masse dieser Kraftteilchen, warum die Schwache Kraft eine so kurze Reichweite hat, die elektromagnetische Kraft mit dem masselosen Photon als Kraftteilchen hingegen eine unendliche Reichweite.
Um die Masse der W- und Z-Teilchen widerspruchsfrei in das damalige Theoriegebäude einzubauen, schlugen einige Wissenschaftler (Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs, Kibble, Goldstone und Nambu) in den 60er Jahren eine Erweiterung des Standardmodells vor.

Das Higgs: Wie es funktioniert

Sie führten ein neues Feld ein, das Higgs-Feld, das das gesamte Universum durchdringt und den Teilchen ihre Masse verleiht, indem diese mit ihm wechselwirken. Je stärker die Wechselwirkung zwischen Higgs-Feld und Elementarteilchen, je stärker also das Higgs-Feld das Teilchen bremst, desto größer die Masse des Teilchens. Auf diese Weise könnte das Higgs-Feld nicht nur die Masse der Kraftteilchen, sondern auch die der Materieteilchen erklären.

Peter Higgs erkannte 1964, dass mit diesem Feld auch ein neues Teilchen verbunden ist – daher trägt das Teilchen auch seinen Namen. Das Higgs-Teilchen entsteht, wenn sich schwere Teilchen wie Top-Quarks, W- oder Z-Teilchen mit hoher Energie durch das Higgs-Feld bewegen und es stark anregen. Es lässt sich also bei den hochenergetischen Kollisionen im LHC produzieren. Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens haben die Wissenschaftler gezeigt, dass es auch das Higgs-Feld gibt.

Ein Higgs – aber welches?

Jetzt, da man das Higgs-Teilchen gefunden hat, geht die Arbeit erst richtig los: Das Teilchen muss präzise untersucht werden, um zwei Fragen zu beantworten. Erstens: Ist es genau das ins Standardmodell passende Higgs-Teilchen oder weichen seine Eigenschaften von den Vorhersagen ab? Und zweitens: Gibt es noch mehr Higgs-Teilchen? Das Higgs-Teilchen könnte noch schwerere Geschwister haben: Modelle z.B. mit einer sogenannten Supersymmetrie sagen eine ganze Serie von Higgs-Teilchen voraus. Auch die Eigenschaften des leichtesten Higgs-Teilchens wären unterschiedlich, je nachdem ob es sich um das Higgs-Teilchen, des Standardmodells oder um ein supersymmetrisches Higgs-Teilchen handelt.
Um all das zu klären, ist eine Vielzahl präziser Messungen notwendig. Zum Beispiel muss man messen, wie oft das Higgs-Teilchen in welche anderen Teilchen zerfällt, wie schwer es ist und ob es wie vorhergesagt tatsächlich keinen Drehimpuls hat. Für diese Ergebnisse müssen die Zerfälle von sehr vielen Higgs-Teilchen sehr genau untersucht werden. Sollte das Higgs-Teilchen nicht die Erwartungen des Standardmodells erfüllen, wäre dies die Tür zur Entdeckung ganz neuer Physik. Passt das Higgs-Teilchen umgekehrt genau ins Standardmodell, dann fixiert das den Startpunkt auf dem Weg zur Vereinheitlichung aller Kräfte der Natur


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Das Higgs
• hat eine Masse von etwa 125 GeV
• hat den Spin 0, ist also ein Boson
• wurde in den 1960er Jahre vorhergesagt...
• ... und 2012 am CERN entdeckt
• 2013 gab es den Nobelpreis für die theoretischen Vorhersagen für Peter Higgs und François Englert
Weitere Informationen zum Higgs
zum Thema: "Die Welt des Allerkleinsten" auf www.weltderphysik.de