30. März - Higgs-Teilchen

Das Higgs-Teilchen ist seit gestern und das Experiment beim CERN in der Schweiz in alle Munde – aber was ist einen Higgs-Teilchen?

Das Higgs-Teilchen, benannt nach dem britischen Physiker Peter Higgs, ist ein hypothetisches Austauschteilchen, das im Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wird.

Die Teilchenphysik ist eine Disziplin der Physik, welche sich der Erforschung der Teilchen widmet. Beschränkte sich dies gegen Ende des 19. Jahrhunderts auf Moleküle, Atome und Nukleonen, so liegt der Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeit heute auf den Elementarteilchen.

In der modernen Teilchenphysik geschieht die experimentelle Überprüfung physikalischer Modelle primär durch Teilchenbeschleuniger, in denen verschiedene Teilchen aufeinander geschossen werden (beispielsweise Elektronen auf Positronen). Anhand der entstehenden Reaktionsprodukte, deren Verteilung in den Teilchen- und Strahlungsdetektoren und der Energie- und Impulsbilanz lassen sich neue und bekannte Teilchen identifizieren.

Als sich die Zahl der bekannten Elementarteilchen immer weiter vergrößerte, widmete man sich der Ordnung dieser Partikel nach ihren Eigenschaften und begann gleichzeitig Vorhersagen über noch nicht beobachtete Teilchen aufzustellen. Der gegenwärtige Stand der Teilchenphysik – und viele ihrer Vorhersagen – ist im sogenannten Standardmodell zusammengefasst.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik (SM) ist eine physikalische Theorie, welche die bekannten Elementarteilchen und Wechselwirkungen zwischen diesen beschreibt. Die drei vom Standardmodell beschriebenen Wechselwirkungen sind die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung.

Das Standardmodell ist eine relativistische Quantenfeldtheorie: Die Theorie gehorcht den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie. Die fundamentalen Objekte sind Felder in der Raumzeit (Feldtheorie), die nur in diskreten Paketen verändert werden (Quantentheorie). In einer passenden Darstellung entsprechen die diskreten Pakete gerade den beobachteten Teilchen.

Die Voraussagen des SMs sind durch teilchenphysikalische Experimente recht gut bestätigt. Allerdings bezieht das SM die Gravitation nicht mit ein und kann einige Beobachtungen nicht erklären. Außerdem müssen immerhin 18 Parameter, deren Werte nicht aus der Theorie hervorgehen, anhand von experimentellen Ergebnissen festgelegt werden.

Es wird dadurch recht „biegsam“, so dass es sich in einem gewissen Rahmen den tatsächlich gemachten Beobachtungen anpassen kann. Obwohl das Standardmodell die Grundlage der modernen Teilchenphysik darstellt, reicht es zur Erklärung der Welt nicht aus. Es gibt deshalb zahlreiche Bemühungen, es zu erweitern oder abzulösen.
Im Standardmodell existieren zwölf Teilchen und zwölf Antiteilchen, welche in Leptonen und Quarks unterteilt werden. Die Kräfte, welche zwischen diesen Teilchen wirken, werden durch den Austausch von Eichbosonen vermittelt.

Für die elektromagnetische Wechselwirkung ist dies das masselose Photon, für die schwache Wechselwirkung die massiven W-Bosonen und das ebenfalls massive Z-Boson, während die starke Wechselwirkung durch acht masselose Gluonen vermittelt wird. Auch gibt es die Annahme, dass ein Graviton existieren könnte, welches die Gravitation vermittelt.

Ein wichtiger Unterschied gegenüber Vorstellungen der Alltagswelt und der klassischen Physik ist, dass das Standardmodell sehr stark holistisch geprägt ist. Verbinden sich mehrere Bausteine zu einem einzigen neuen Gegenstand, stellt man sich klassisch vor, dass die Bausteine im neuen Gegenstand noch vorhanden sind und dort weiterexistieren; bei einem Zerfall des neuen Gegenstandes erhält man wie beim Auseinanderbauen eines Lego-Modells wieder die ursprünglichen Bausteine.

Auch im Standardmodell können zwei zusammenstoßende Teilchen (z. B. ein Elektron und ein Positron) sich zu einem einzigen (z. B. einem Photon) verbinden. Das neue Teilchen wird jedoch nicht als aus den beiden ursprünglichen zusammengesetzt gedacht, sondern ist wieder ein "unteilbares" (d. h. ohne Substruktur) Elementarteilchen für sich allein. Diese Vorstellung entspricht der Beobachtung, dass das neue Teilchen in Teilchen anderer Arten zerfallen kann als die, aus denen es entstanden ist.

Im Rahmen des Standardmodells wird zusätzlich das Higgs-Boson vorausgesagt. Forscher gehen davon aus, dass der LHC des CERN in der Lage sein wird, das Higgs-Boson nachzuweisen. Sollte das auch mit diesem Teilchenbeschleuniger nicht gelingen, müsste die Theorie von der Existenz des Teilchens verworfen werden. Der Grund, warum man davon ausgeht, dass das Higgs-Boson existiert, ist nicht, dass es in der Vergangenheit direkte Beobachtungen gegeben hätte, die auf diese Existenz hinweisen. Durch das Higgs-Boson ließe sich vielmehr theoretisch elegant erklären, warum (fast) alle anderen Teilchen nicht masselos (wie z. B. das Photon) sind, sondern eine Masse besitzen.