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Fast 50 Jahre nach ihrer Vorhersage haben Teilchenphysiker endlich das Higgs-Boson eingefangen. So hat das Nobelkomitee den diesjährigen Physikpreis an zwei der Theoretiker vergeben, die diese Teilchenjagd initiiert haben. François Englert von der Freien Universität Brüssel (ULB) und Peter Higgs von der Universität Edinburgh, Großbritannien, haben unabhängig voneinander ein Modell abgeleitet, das erklärt, warum Teilchen nicht masselos sind, und dieses Modell erfordert die Existenz des Higgs-Bosons. Beide Arbeiten wurden 1964 in Physical Review Letters veröffentlicht.Das Higgs-Boson ist das letzte Stück des Standardmodells der Teilchenphysik, das nach jahrzehntelanger Suche beobachtet werden muss. Im Juni 2012 gab das CERN mit großem Tamtam bekannt, dass der Large Hadron Collider (LHC) in Genf ein Teilchen mit den richtigen Eigenschaften für das Higgs-Boson entdeckt hatte, was bedeutete, dass die Forscher eine grundlegende Massentheorie bestätigt hatten.

Das Higgs-Boson gibt anderen Teilchen technisch keine Masse. Genauer gesagt ist das Teilchen eine quantisierte Manifestation eines Feldes (das Higgs-Feld), das durch seine Wechselwirkung mit anderen Teilchen Masse erzeugt. Aber warum konnte Masse nicht einfach als gegeben angenommen werden?

Die Antwort geht auf frühere Arbeiten in der Quantenfeldtheorie zurück. Quantenfelder ähneln bekannteren Feldern wie elektrischen und magnetischen Feldern. Aber Quantenfelder enthalten angeregte Zustände, die wir als Teilchen beobachten. Diese Felder können in Materiefelder unterteilt werden (deren Teilchen Elektronen, Quarks usw. sind.) und Kraftfelder (deren Teilchen Photonen, Gluonen usw. sind.). In den späten 1940er Jahren zeigten Theoretiker, dass eine Quantenfeldtheorie von Photonen und Elektronen elektromagnetische Wechselwirkungen bei hoher Energie erfolgreich erklären konnte.

Die Theorie hatte jedoch Probleme, nukleare Wechselwirkungen zu modellieren. Die kurze Reichweite der schwachen Kernkraft implizierte, dass ihre entsprechenden Teilchen Masse hatten, im Gegensatz zum masselosen Photon, dem Teilchen, das mit elektromagnetischen Feldern assoziiert ist. Das einfache Aufkleben einer Masse auf ein krafttragendes Teilchen hatte katastrophale Auswirkungen und führte dazu, dass bestimmte Vorhersagen bis ins Unendliche auseinandergingen. In den frühen 1960er Jahren waren Theoretiker damit beschäftigt, nach alternativen Wegen zu suchen, wie Masse in die Theorie eingeführt werden könnte.Die von Higgs, Englert und Robert Brout (der mit Englert an der ULB gearbeitet hat, aber jetzt verstorben ist) formulierte Lösung schlägt vor, dass der gesamte Raum mit einem Feld gefüllt ist, das mit den schwachen Kraftteilchen interagiert, um ihnen Masse zu verleihen. Dies geschieht, weil angenommen wird, dass das Feld im leeren Raum nicht Null ist. Dieser Grundzustand ungleich Null verletzt eine Symmetrie, die als grundlegend für die Quantenfeldtheorie gilt. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass diese Art des Symmetriebruchs zu einem masselosen, spinlosen Teilchen führte, das durch Experimente ausgeschlossen wurde . Englert, Brout und Higgs zeigten, wie man dieses unerwünschte Teilchen verschwinden lassen konnte, indem man das raumfüllende Feld mit dem schwachen Kraftfeld koppelte. Als sie alle Wechselwirkungen herausarbeiteten, stellten sie fest, dass die Kraftteilchen effektiv eine Masse hatten und das unerwünschte, masselose, spinlose Teilchen im Wesentlichen von den schwachen Teilchen absorbiert wurde. Diese Teilchen erhielten dadurch einen dritten Spinzustand, und das einzige verbleibende spinlose Teilchen war das massive Higgs-Boson. Eine ähnliche Theorie wurde im selben Jahr von einem dritten Team von Theoretikern entwickelt .Nachfolgende Arbeiten zeigten, dass der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus (oder kurz „Higgs-Mechanismus“) nicht nur schwachen Teilchen, sondern auch Elektronen, Quarks und anderen fundamentalen Teilchen Masse verleihen kann. Je stärker ein Teilchen mit dem Higgs-Feld interagiert, desto massereicher ist es. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der größte Teil der Masse in zusammengesetzten Teilchen, wie Protonen, Kernen und Atomen, nicht vom Higgs-Mechanismus stammt, sondern von der Bindungsenergie, die diese Teilchen zusammenhält.“Brout und Englert und Higgs haben eine sehr clevere Idee entwickelt, die jetzt als Higgs-Mechanismus bekannt ist“, sagt Michael Turner von der University of Chicago. „Es liefert eine Erklärung für eine der einfachsten Fragen, die man stellen kann: Warum haben Teilchen Masse? Eine so einfache Frage – aber sehr tiefgründig -, dass viele nicht einmal daran denken, sie zu stellen.“ Um diesen Mechanismus zu validieren, bauten Teilchenphysiker den LHC, die größte und technologisch fortschrittlichste Maschine, die jemals gebaut wurde“, sagt Joseph Incandela, Sprecher des CMS-Experiments, das einer der Detektoren war, die das Higgs-Boson entdeckten. „Ich denke, die Leute schauen sich das an und haben das Gefühl, dass die Teilchenphysik hier so etwas wie eine Mondlandung geschafft hat“, sagt er.

–Michael Schirber

Michael Schirber ist korrespondierender Redakteur für Physik mit Sitz in Lyon, Frankreich.

1. J. Goldstone, „Feldtheorien mit Supraleiterlösungen“, Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam und S. Weinberg, „Gebrochene Symmetrien“, Phys. Rev. 127, 965 (1962)
2. G. S. Guralnik, C. R. Hagen und T. W. B. Kibble, „Globale Erhaltungsgesetze und masselose Partikel“, Phys. Rev. Lett. 13, 585 (1964)

Weitere Informationen

• Nobelpreisankündigung mit begleitendem Hintergrund

  Focus Story zum Nobelpreis 2008 für Theorie des Symmetriebruchs

  Kurze Geschichte des Higgs-Mechanismus von der Universität Edinburgh

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