Higgs Boson

Was sind Elementarteilchen?

Die Frage, aus welchen Bausteinen die Welt um uns herum besteht, beschäftigt die Menschen schon seit der Antike. Im fünften Jahrhundert vor Christus postulierten zwei exzentrische Philosophen (Leukipp und Demokrit), die Welt bestehe aus winzig kleinen unteilbaren Teilchen. Diese nannten sie Atome von dem griechischen Wort atomos für unteilbar.

Heute wissen wir selbstverständlich, dass diese kleinen Teilchen existieren, aber auch, dass sie nicht unteilbar sind. Der Begriff Atome hat sich gehalten, obwohl sie selbst aus einem Kern mit Protonen und Neutronen und einer Atomhülle mit Elektronen bestehen. Protonen und Neutronen bestehen wiederum aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten up- und down-Quarks.

(Das ganze kannst du dir ein bisschen wie eine russische Matrjoschka-Puppe vorstellen)

Um den Überblick zu behalten, haben Physiker*innen das Standard-Modell der Elementarteilchen entwickelt.

Auf der folgenden Abbildung siehst du das Standard-Modell der Elementarteilchen tabellarisch zusammengefasst.

Abb. 1 - Standardmodell der Elementarteilchen

Bereits an der Farbgebung erkennst du, dass wir die Elementarteilchen in verschiedene Gruppen einordnen.

Dabei unterscheidest du grundlegend zwischen den Fermionen und den Bosonen.

Auch das Higgs-Teilchen gehört zu den Bosonen, aber was genau macht das Higgs-Boson?

Higgs Boson – Higgs-Mechanismus

So schlüssig das Standardmodell der Elementarteilchen auf den ersten Blick aussieht, es hat einen großen Nachteil:Es funktioniert mathematisch nur, wenn die Elementarteilchen masselos sind. Doch ganz offensichtlich hat Materie in unserem Universum eine Masse. Woher kommt also diese Masse der Teilchen?

Für dieses Problem entwickelte der namensgebende Physiker Peter Higgs zusammen mit anderen Physikern den sogenannten Higgs-Mechanismus. Dieser Mechanismus verleiht den Teilchen ihre Masse.

Das Higgs-Feld entstand nicht gleichzeitig mit dem Big Bang. In der kurzen Zeitspanne zwischen dem Urknall und der Entstehung des Higgs-Felds besaßen ersten Teilchen keine Masse und bewegten sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das schnell expandierende Universum.

Doch als das Universum abkühlte und die Temperatur unter einen kritischen Wert fiel, entstand das Higgs Feld. Die meisten Teilchen traten sofort mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung. Als Nebeneffekt dieser Wechselwirkung wurden die Teilchen langsamer und erhielten ihre Masse.

Je stärker ein Teilchen mit dem Higgs-Feld interagiert, desto mehr Masse bekommt es. Das Photon interagiert überhaupt nicht mit dem Higgs-Feld und ist deshalb masselos. Das Photon ist übrigens in vielen Fällen ein "Sonderfall" unter den Elementarteilchen. Willst du mehr dazu wissen? Keine Sorge, auch zum Quantenobjekt Photon gibt es einen Artikel auf StudySmarter.

Diese Interaktion siehst du auch auf dem folgenden Bild, dargestellt als die Krümmung der Linien um die Teilchen. Die Linien repräsentieren das Higgs-Feld. Quarks interagieren sehr stark mit dem Higgs-Feld und bekommen dadurch viel Masse. Elektronen interagieren weniger mit dem Higgs-Feld und sind deshalb sehr leicht. Wie du siehst, interagiert das Photon überhaupt nicht mit dem Higgs-Feld.

Abb. 2 - Interaktion verschiedener Quanten mit dem Higgs-Feld

Die Vorstellung ist ein wenig abstrakt, deshalb entwickelte der britische Physiker David Miller eine Analogie mit der wir uns das etwas besser vorstellen können.

Alternativ kannst du dir das vielleicht so vorstellen: Für ein Teilchen, dass sich durch das Higgs-Feld bewegt, ist dieses Feld wie Honig. Das Teilchen kommt schwerer voran und der Honig bleibt an dem Teilchen kleben.

Higgs Boson – Erklärung

Aus dem Standardmodell der Elementarteilchen wissen wir, dass viele der uns bekannten Wechselwirkungen durch ein Austauschteilchen (die Bosonen) vermittelt werden: das Photon zum Beispiel, das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung.

Nach der Theorie des Wellen-Teilchen-Dualismus sind die sogenannten Elementarteilchen in dem Sinne keine reinen Teilchen. Sie besitzen nämlich auch Welleneigenschaften, du nennst sie auch Quanten. Schau dir dazu am besten den Artikel zur de Broglie Wellenlänge an, dort erklären wir dir sogar, wie du diese Materiewellen berechnest!

Demnach sind Quanten Anregungen des entsprechenden Quantenfelds. Das klingt sehr kompliziert, stell dir das Feld vereinfacht wie die Saiten einer Violine vor. Die Anregung entspricht der Schwingung einer Saite. Das gilt auch für das Higgs-Boson.

Das Higgs-Boson hat einige spezielle Eigenschaften, an welchen wir es erkennen können.

Eigenschaften des Higgs Bosons

Das Higgs-Boson ist elektrisch neutral geladen und besitzt einen Spin von null, d. h. es hat keinen Spin. Der Spin ist eine Eigenschaft der Elementarteilchen, die du dir ein bisschen wie ihren Eigendrehimpuls bei ihrer Rotation um die eigene Achse vorstellen kannst. Das Higgs-Boson ist bisher das einzige bekannte Teilchen mit einem Spin von null.

Außerdem ist das Higgs-Boson selbst sehr massereich.

Durch seine Große Masse zerfällt es sehr schnell (nach nur ${10}^{-11}$ Sekunden ) in andere Teilchen, zum Beispiel in zwei Photonen oder in vier Elektronen. Das macht es sehr schwer zu finden und deshalb hat es auch lange gedauert, bis wir die Theorie von Peter Higgs bestätigen konnten.

Higgs Boson – Entdeckung

Wie findest du etwas, dass weniger als eine Nanosekunde lang existiert? Das ist enorm schwierig, vor allem wenn du nicht weißt, wann und wo dieses Teilchen entsteht. Deshalb müssen wir das Teilchen in einem Experiment selbst erzeugen. Genau das ist den Physiker*innen am CERN 2012 gelungen!

Das CERN ist eine internationale Forschungseinrichtung für Teilchenphysik in Genf nahe der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich. Dort steht – tief unter der Erde – der 27 km große ringförmige LHC (Large Hadron Collider).

Momentan ist der LHC der größte Teilchenbeschleuniger der Welt.

Im LHC werden Protonen auf unfassbar hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und kollidieren dann miteinander. Die Kollision führt zur Entstehung neuer Teilchen. Stell dir vor, dass du zwei Gläser mit sehr viel Kraft gegeneinander stößt (bitte nicht ausprobieren!). Die Gläser zersplittern in ganz viele kleine Teile. So ungefähr führt auch die Kollision dazu, dass die Protonen in kleinere Teilchen zerfallen.

Abb. 3 - Visualisierung einer Protonenkollision im LHC

Die Teilchen werden von riesigen Detektoren erfasst und die Daten ausgewertet. Im Juli 2012 erfassten die Detektoren am CERN Teilchen, die durch den Zerfall eines Higgs-Bosons entstehen. Dadurch wurde die Theorie des Higgs-Bosons bestätigt.