Die Suche nach dem Higgs

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Masselose Teilchen sind mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs

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Masselose Teilchen sind mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs. Masse hingegen macht träge: Massive Teilchen sind immer langsamer als das Licht im Vakuum.

Als Physiker vor über 35 Jahren versuchten, das Verhalten von Elektronen, Quarks, Ws und Zs in dasselbe mathematische Korsett zu pressen, mussten sie zunächst von masselosen Teilchen ausgehen. Das war nicht unproblematisch. Denn Dinge haben nun einmal Masse. Und seien wir froh darüber: Masselose Teilchen bewegen sich unaufhörlich mit der Geschwindigkeit des Lichts durch die Welt. Das mag auf dem Weg ins Büro von Vorteil sein, doch spätestens bei einem romantischen Rendezvous beginnt die Ruhelosigkeit zu stören. Denn völlig masselose Teilchen bilden keine gebundenen Systeme.  

Um die Masse wieder in die ansonsten vortrefflich bestätigte Theorie einzubringen, brauchte es eine theoretische Bremse. Diese ersann im Jahr 1964 zusammen mit Kollegen der Physiker Peter Higgs - Schotte und wohl zukünftiger Nobelpreisinhaber, falls sich zeigt, dass sein Trick funktioniert. Danach stellt sich den Teilchen überall im Universum das so genannte Higgs-Feld in den Weg. Wenn sich die Teilchen durch dieses Feld zwängen, gewinnen sie an Masse und werden träger - durch Wasser zu joggen, fällt schwerer als durch frische Luft. 

Peter Higgs

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Der Physiker Peter Higgs (*1929) war an der Entwicklung des so genannten Higgs-Mechanismus zur Erklärung von massiven Teilchen im Standard-Modell der Teilchenphysik maßgeblich beteiligt.

Die Masse stammt aus der Wechselwirkungsenergie der Teilchen mit dem Higgs-Feld. Dieses hat nämlich (im Gegensatz beispielsweise zum elektromagnetischen Feld) bereits ohne äußeres Zutun eine Feldstärke, die von Null verschieden ist und damit eine Wechselwirkung ermöglicht. Einsteins E=mc² erledigt dann den Rest. Denn danach ist mit der Wechselwirkungsenergie eine Masse verbunden, eben die Masse der Teilchen. Die unterschiedlichen Massen der Teilchen lassen sich jetzt darauf zurückführen, dass die Ws, Zs, Elektronen, Neutrinos und Quarks jeweils verschieden stark mit dem Higgs-Feld wechselwirken und sich somit unterschiedliche Wechselwirkungsenergien, ergo Massen, ergeben.

Bildhaft lässt sich der Higgs-Mechanismus mit einer gut laufenden Prominenten-Party vergleichen, auf der es nur so von Gästen (dem Higgs-Feld) wimmelt. Wenn dort ein Prominenter auftaucht (Teilchen, das massiv werden soll), so zieht er die Aufmerksamkeit der Gäste auf sich: Es bilden sich Knubbel im Higgsfeld, die den Prominenten langsamer werden lassen. Er wird träger, so als ob er an Masse gewönne.

Beim Verständnis des Higgs-Mechanismus hilft ein Vergleich

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Beim Verständnis des Higgs-Mechanismus hilft ein Vergleich (Quelle: DESY).

Soweit die schöne Theorie. Um aus der Idee eine wissenschaftliche Tatsache zu machen, müsste man die Higgs-Teilchen nachweisen, die sich aus dem Higgs-Feld ergeben. Denn nach den Gesetzen der Quantentheorie gehören zu Quantenfeldern entsprechende Quanten. Zum elektromagnetischen Feld gehören die Photonen, zum starken Kraffeld die Gluonen, und so sollte es eben auch zum Higgs-Feld die so genannten Higgs-Teilchen geben.

Nach ihnen suchen Physiker auf der ganze Welt, fündig wurden sie aber noch nicht. Das Besondere an diesem Teilchen, das die Entstehung der Masse der anderen Teilchen erklären soll: Man kennt seine Masse nicht. Aufgrund der Wechselwirkung des Higgs-Feldes mit sich selbst hat auch das Higgs-Teilchen eine Masse. Da man aber nicht weiß, wie groß sie ist, ist es auch sehr schwer, genau nach dem Teilchen Ausschau zu halten.

Die Masse des Higgs-Teilchens lässt sich aber mit verschiedenen Argumenten stark eingrenzen. Eine ganz allgemeine obere Grenze von etwa 1 TeV/c² (1 Billionen Elektronenvolt durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit oder 2 Milliarden Mal die Masse eines Elektrons) folgt aus theoretischen Konsistenzbedingungen. Wenn man zudem fordert, dass das Standard-Modell bis in die Nähe der Planck-Skala (das sind Energien von etwa 1019 eV/c²) fortgesetzt werden kann, lässt sich diese obere Massengrenze auf 200 GeV/c² (200 Milliarden Elektronenvolt durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit) herabsetzen. Auf der anderen Seite konnten Experimente am ehemaligen CERN-Beschleuniger LEP zeigen, dass das Higgs-Teilchen schwerer als 114 GeV/c² sein muss.

Higgs-Teilchen-Fund am LHC

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Higgs-Teilchen-Fund am LHC. Diese Simulation zeigt den Zerfall eines Higgs-Teilchens in vier Myonen, wie er beim LHC-Detektor ATLAS ab 2007 beobachtet werden könnte.

In dem so eingegrenzten Bereich von 114 GeV/c² bis 200 GeV/c² sollte der LHC, der neue Proton-Proton-Beschleuniger am CERN, auf jeden Fall fündig werden. 2007 geht diese neue Maschine in Betrieb, die die Suche nach dem Higgs beenden wird. Und wenn sich das Higgs auch dort nicht zeigt? Dann geht die Suche weiter - nach einer anderen Ursache für die Masse in unserem Universum.

Aber auch wenn das Higgs-Teilchen erst einmal gefunden ist, ist die Arbeit noch nicht getan. Denn in einem zweiten Schritt müssen die Eigenschaften des Higgs-Feldes erforscht werden. Darunter fallen beispielsweise die Stärken, mit denen die unterschiedlichen Teilchen wie Elektronen und Neutrinos mit dem Higgs-Feld wechselwirken. Denn die Theorie sieht vor, dass diese mit der Masse der Teilchen anwachsen müssen. Um die Wechselwirkung des Higgs-Teilchens mit sich selbst zu untersuchen, müssen Paare von Higgs-Teilchen erzeugt werden. Für diese Präzisionsarbeiten hoffen die Teilchenphysiker auf einen zweiten Beschleuniger zum LHC, einen Linearbeschleuniger, mit dem Elektronen auf Positronen beschleunigt werden und der für Präzisionsmessungen besonders geeignet ist.