Wozu eigentlich das Higgs-Teilchen?
Meine heutige Gastautorin ist Marlene Weiss, die am CERN in Genf über topologische Stringtheorien promoviert hat.
Jetzt hatten wir uns alle schon von den Liebsten verabschiedet, wieder mit Rauchen und Trinken angefangen und der Schwiegermutter endlich gesagt, was wir von ihr halten, und dann – wer hätte das gedacht – ist die Welt mit dem Start des LHC am 10. September doch nicht untergegangen. Blöd gelaufen. Aber da es nun noch einen Aufschub gibt, zumal der LHC derzeit ja ohnehin darnieder liegt, können wir uns entspannt zurücklehnen und über den Sinn des Daseins nachdenken.
Zwischen dem Moment der Erleichterung, in dem man realisiert, dass es noch einmal gut gegangen ist, und dem Moment, in dem man wieder voll in der Realität verhaftet ist und sich den Kopf zerbricht, wie man das mit der Schwiegermutter wieder hinbekommt, schwebt man ja manchmal sozusagen in höheren Sphären, berauscht von den unbegrenzten Möglichkeiten des neu geschenkten Lebens. Da stellen sich plötzlich die seltsamsten Fragen, auf die man sonst nie gekommen wäre. Zum Beispiel folgende: Wozu brauchen wir eigentlich dieses Higgsteilchen, das der LHC finden soll?
Wenn das Standardmodell der Teilchenphysik einigermaßen richtig ist, dann verdanken wir dem Higgsteilchen unsere Existenz. Denn ohne das Higgsteilchen gäbe es keine Materie, also nur Teilchen ohne Masse. Von Photonen, aus denen Licht besteht, sind wir nichts anderes gewöhnt, aber wir und alles um uns herum bestehen zunächst mal aus Molekülen und Atomen, die ihrerseits aus Elektronen, Protonen und Neutronen, und letztere beiden aus Quarks. Es wäre nicht so gut, wenn die alle plötzlich nichts mehr wiegen würden. Das würde aber das Standardmodell behaupten, wenn es nicht das Higgs gäbe.
Zuerst einmal das Wichtigste: In der Teilchenphysik ist jedes Teilchen auch ein Feld. So ist zum Beispiel Licht einerseits ein elektromagnetisches Feld, andererseits besteht es aber aus Teilchen, den Photonen. Das gilt auch für das Higgsteilchen. Wie genau jetzt das Standardmodell funktioniert, ist nicht so einfach in einem Absatz zu erklären. Allerdings hängen die Eigenschaften aller Teilchen in ihm eng mit der Symmetrie zusammen.
Symmetrie - der Schlüssel zum HiggsMit Symmetrie meint man hier eine Ansammlung von Aktionen, die man mit einem Objekt durchführen kann, ohne dass sich die physikalischen Gesetze ändern. Wenn ich mich beispielsweise um meine eigene Achse drehe, sieht die Physik in alle Richtungen grundsätzlich gleich aus. Das liegt an der Rotationssymmetrie des Raumes. Es gibt noch andere Symmetrien, zum Beispiel kann man alle elektrischen Ladungen vertauschen, ohne dass sich etwas ändert. Die Symmetrien, die dem Standardmodell zugrunde liegen, sind Symmetrien des Feldraumes, das heißt, ich kann die Felder auf eine bestimmte Art drehen und wenden, ohne dass das messbare Konsequenzen hat.
Die grundsätzliche Idee des Standardmodells der Teilchenphysik ist, dass man eine bestimmte Symmetrie des Feldraumes voraussetzt, und schwupp, kommen die richtigen Teilchen und Kräfte heraus. Historisch lief es natürlich andersherum: Man kannte erst die Grundkräfte und die meisten Teilchen, hat sich dann die passende Symmetrie überlegt und konnte damit die noch fehlenden Teilchen richtig vorhersagen.
Das klingt eigentlich recht einfach. Schade nur, dass diese Symmetrie versteckt ist. Das kann man sich vorstellen wie eine Murmel, die man auf die Spitze eines Mexikanerhutes mit breiter Krempe legt (siehe Bild). Dieser sehr symmetrische Zustand wird aber sehr schnell zerstört: Die Murmel rollt von der Spitze und kommt irgendwo in der Krempe zur Ruhe. Wenn Hut und Krempe perfekt rotationssymmetrisch sind, ist es reiner Zufall, ob die Murmel am Ende rechts, links, hinten oder vorne liegt. Darauf kommt es auch nicht an, nur auf die Tatsache, dass die Murmel eine Richtung auszeichnet und deshalb die Symmetrie verloren geht, obwohl ursprünglich alle Richtungen gleichberechtigt sind. Das nennt man „spontane Symmetriebrechung“. Für uns ist nur der asymmetrische Zustand erkennbar. Wie die ursprüngliche Symmetrie – der Mexikanerhut – aussieht, wissen wir nicht.
Die Masse und das HiggsJetzt könnte man einwenden, herrje, warum erst eine Symmetrie einbauen (der runde Hut) und dann mit der Murmel wieder kaputtmachen, dann könnte man die Symmetrie doch weglassen. Aber dann bricht das ganze Modell zusammen! Auch eine spontan gebrochene Symmetrie ist noch eine Symmetrie, und dass es eine Symmetrie gibt ist absolut lebensnotwendig für die Theorie. Und damit sind wir schon bei den Massen der Teilchen. Man könnte nämlich zum Beispiel Elektronen direkt als Teilchen mit einer bestimmten Masse in die Theorie einbauen. Das zerstört aber zwangsläufig die Symmetrie komplett.
Um das zu vermeiden, kann man die Masse dieser Teilchen jedoch an das Higgs-Feld koppeln. Wie funktioniert das? Der „Hut“ im Bild oben stellt die Potentialfläche des Higgs-Feldes dar. Seine Spitze befindet sich am Nullpunkt des Koordinatensystems, das Stärke und Richtung des Higgsfeldes angibt. Davon wiederum hängt die Masse aller Teilchen ab: Man definiert die Massen von Teilchen wie zum Beispiel Elektronen und Quarks als irgendeine Zahl mal dieser Länge.
Wenn die Murmel auf der Spitze des Hutes liegt, hat das Feld den Wert Null und keine besondere Richtung, die Symmetrie ist nicht gebrochen und alle Teilchen sind masselos. Wegen der eigentümlichen Form der Potentialfläche – des Hutes – ist das aber nicht die günstigste Situation: Das Higgs-Feld kann seine potentielle Energie minimieren, indem es sich hinab in die Hutkrempe begibt. Sobald die Murmel herunter rollt, bekommt das Feld eine „Länge“ (die Entfernung der Murmel von der Mitte) und eine Richtung, die Symmetrie ist spontan gebrochen und die Teilchen bekommen eine Masse.
Das heißt, die Elementarteilchen und damit alle Materie der Welt bekommt ihre Masse erst dadurch, dass das Higgsfeld einen Wert annimmt, der seine potentielle Energie minimiert. Das kann irgendein Punkt in der Hutkrempe sein, die potentielle Energie ist überall gleich. Das Entscheidende ist, dass solche „dynamisch“, mit Hilfe eines Feldes erzeugten Massen im Gegensatz zu festen Werten die Symmetrie nicht zerstören! Damit ist – vorerst – das Standardmodell der Teilchenphysik gerettet.
Deswegen sind die Experimente am LHC in Genf so wichtig: Wenn sich herausstellen sollte, dass es das Higgs doch nicht gibt, ist das ganze Standardmodell, und damit alles, was wir über die Natur der Materie zu wissen glauben, in Frage gestellt. Spannend, oder?
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Ist wirklich das ganze Standardmodel und damit alles, was wir über die Natur der Materie wissen obsolet, nur wenn man das Higgs mit LHC nicht findet? Wird nicht der überwiegende Teil der nachgewiesenen Physik weiter gültig bleiben? Vielleicht freuen sich dann ja die Theoretiker, weil sie sich dann was Neues für die Masse ausdenken dürfen.
Naja, im Prinzip ist das Standardmodell auch ohne das Higgs eine konsistente Theorie. Nur müsste man dann halt einen anderen Mechanismus finden, um die Symmetrie zu brechen und die beobachteten Massen reinzubringen. Es gibt da meines Wissens diverse Möglichkeiten. Es könnte zum Beispiel sein, dass das Higgs kein fundamentales, sondern nur ein zusammengesetztes Teilchen ist, mit dem der beschriebene Mechanismus aber ähnlich funktioniert. Eine andere Möglichkeit ist, dass bei starken Ladungen die Physik eine andere ist und das zur Symmetriebrechung führt. Der Higgsmechanismus ist nur die einfachste bislang bekannte Lösung. Klar wäre es auch aufregend, wenn das Higgs wirklich nicht gefunden wird. Andererseits sind Teile des Standardmodells experimentell so gut bestätigt, dass es kaum einfach komplett falsch sein kann, so wahnsinnig viel Spielraum hat man also auch nicht für eine neue Theorie. Kurz, es wäre eine ganz schön vertrackte Situation. Warten wir's ab!
danke für diese bildhalfte beschreibung. ein sehr schlüssiges modell was sich mit meinem physikwissen decken lässt (physik grundlagen für ingenieure).
Sie haben die Bedeutung des Higgs-Teilchens sehr anschaulich beschrieben.
Ich habe in einem Buch gelesen, das Higgs-Teilchen muß nicht nur aus einem Teilchen bestehen. Wissen Sie etwas darüber?
Ja, es ist in der Tat denkbar, dass das Higgsteilchen kein neues Teilchen, sondern ein gebundener Zustand (hier ein sogennantes Kondensat) aus zwei Teilchen ist. Das könnten zum Beispiel ein Topquark und sein Antiteilchen sein. Solche Fermionpaare kennt man aus der Theorie der Supraleitung. Allerdings setzt das voraus, dass bei hohen Energien die Kopplungen zwischen diesen Teilchen so stark sind, dass solche Paare entstehen können, und dafür braucht man wieder eine neue Theorie. Eine Möglichkeit, das zu erklären, sind die verwandten Technicolor-Modelle, denen noch mehr versteckte Symmetrien zugrunde liegen. Diese führen dann zu neuen (techni-)Fermionen, die auch Paare bilden, und zusammen mit den Top-Paaren kommt bei niedrigeren Energien so etwa das Standardmodell heraus. Das Schöne an all diesen Theorien ist, dass man nicht ad hoc ein Higgs-Feld annehmen muss, für das es keine natürliche Begründung gibt und das das Standardmodell noch vor diverse andere Probleme stellt. Der Nachteil ist leider, dass halbwegs realistische Modelle dieses Typs meist auch wieder schrecklich kompliziert und damit eher unnatürlich werden. Leider kenne ich mich gar nicht damit aus. Wenn der LHC irgendetwas Higgs-ähnliches findet, wird man aber vermutlich mit relativ grosser Sicherheit sagen können, ob es eines, mehrere oder ein zusammengesetztes Feld ist. Ich wage kaum mir auszumalen, was ist, wenn der LHC gar nichts sieht...
Na, da bin ich mal gespannt, ob man bald herausfindet, daß es uns alle und die gesamte Materie gar nicht geben kann. :-)
Mal ernsthaft, nehmen wir an, man findet das Higgs-Teilchen. Wäre das "nur" eine Bestätigung für die Theorie oder könnte man das Wissen auch anwenden und unsere Materie "umbauen" oder dergleichen?
hmm...nö das wär erstmal nur eine Bestätigung für die Theorie. Klar, man weiss vorher nie genau, wo das letztendlich hinführt. Aber Science-Fiction-Anwendungen würde ich eher vermuten, wenn sich herausstellt, dass die Dinge eben nicht so sind, wie man vermutet hat, oder natürlich, wenn zusätzliche Raumdimensionen oder neue (supersymmetrische?) Teilchen gefunden werden. Und überhaupt könnte man wohl kaum Materie einfach "umbauen", schliesslich wissen wir ja eigentlich schon ganz gut, wie sich Standard-Materie verhält, das Higgs soll nur erklären, WARUM das so ist.
Materie "umbauen" war etwas flapsig von mir formuliert. Gegen die Gesetze der Naturwissenschaft läßt sich natürlich nichts erzeugen, verändern. Radioaktivität ist ja auch nur eine natürliche Eigenschaft. Aber in der hohen Konzentration kommt es in der Natur nicht vor und ohne Moderator ließe sich die Kernspaltung nicht zur Energieerzeugung nutzen. In der Chemie kann man auch nur mit den Eigenschaften operieren, die die Moleküle zur Verfügung stellen, doch damit kann man künstliche Stoffe erzeugen, die es in der Natur nicht gibt. Und da würde es mich interessieren, ob man mit dem Wissen über das Higgs-Teilchen etwas anrichten könnte. Aber mir ist auch verständlich, daß das alles noch zu wage ist, um überhaupt etwas dazu zu sagen.
Und nun noch etwas Korinthenkackerei von mir. Wenn man das Higgs-Teilchen finden sollte, dann versteht man vielleicht WIE das so ist, aber sicher nicht WARUM das so ist. ;-)
Sehr geehrte Frau Weiss,
wenn alle Ihre Erklärungen komplizierter Zusammenhänge in der Physik so frisch und verständlich sind wie die o.a., so wünsche ich mir, daß Sie ein Buch schreiben würden über diese Probleme.
Brian Greene ist sicherlich ein blendender Stringtheoretiker und auch Buchautor, aber so richtig verstanden habe ich die Zusammenhänge um das Higgs-Feld und das -Teilchen erst durch Ihre Beschreibung.
Sie erinnern mich mit Ihrer Art zu erklären an Dick Feynmann und seine Didaktik, einfach super.
Wagen Sie sich an so ein Buch! Ich warte hart drauf.
Viel Erfolg im Beruf und evt. in der Lehre
Ihr Dietrich Huber
Huch ... ganz schön spannend O_O
Ich hoffe ja, dass das Higgs-Teilchen nicht gefunden wird... ;-)
Das wäre doch viel, viel spannender, als wenn sich alles bestätigt, oder?
Und auch WENN man das Higgs-Teilchen einmal hat - Wir kennen das doch schon, hat man etwas beantwortet, wirft das nur wieder 99.999 neue Fragen auf.
Richtig guter Artikel! Wunderbar bildlich & verständlich, inwieweit man das auch als normalsterblicher Schüler überhaupt verstehen KANN. ;-)
In der Wirklichkeit sieht die Wissenschaft von lauter Beweise die Eigenschaften der Atomteilchen und der Energien nicht. Denn das Spektrum des Lichtes, die Funktion einer Batterie oder eines Magnets, die Anziehung der Himmelskörper, die Abstoßung der gleichnamigen Teilchen und Anziehung der ungleichnamigen, das schwarze Loch, die Formen der Galaxien, die Spuren der Atomteilchen und die wachsende Natur um uns und schlussendlich das sich ausdehnende Universum sind ausreichende Beispiele für die Antworten auf alle diese Fragen der suchenden Wissenschafter....
...Insgesamt sind es weitere zwei Kräfte die der Gravitation verhelfen ihre Kraft zu entwickeln; die Antigravitationskraft des negativen Pols und die zentrale Kraft, die zwar als Äonsche Kraft eines Dipols (wegen der Äon– Schleife) genannt werden könnte, ist jedoch durch Herr Higgs in einem Atom als Higgsboson postuliert worden, insofern handelt es sich um zentrale Energiekraft eines Körpers, zu der auch ein Atom gehört, beziehungsweise jedes räumliche Dipol.....
....Diese unerwartete Übereinstimmung lag an der Stelle des schwarzen Loches in CERN. Das schwarze Loch befindet sich zwischen zwei Spannungsfeldern des leeren Raumes, wo kein Teilchenzerfall stattfand, und auch keine direkte Teilchenenergie diese Raumsphäre erreichte. Es scheint, dass die Erregung durch den Teilchenzerfall den Raum der Umgebung zur Bildung einer Art Raumhülle statt findet, die im Stande ist Materie zu bilden.....
....Es sieht sehr gefährlich aus.
In Ihrer Selbstbeschreibung taucht das Wort "Topologie" auf, daher meine Frage: Einer der bedeutendsten gegenw. Topologen (der zuerst durch den "Hochgeschwindigkeitsflug" durch die Quantenfeldtheorien, mit dem sein Studium begann, Aufmerksamkeit erregte) schrieb einige Artikel über mögl. Anwendungen der algebraischen Topologie in der Physik:
http://inspirebeta.net/...C+Jack&f=exactauthor
Wie wird das in der th. Physik rezipiert? Ebenso gerne wüßte ich, ob die von A. Connes' vermuteten Anwendungen der "Nichtkommutativen Geometrie" im Standardmodel noch weiterverfolgt werden, oder (wenn ja, warum) als erledigt gelten.