2012 konntest du es überall in den Nachrichten lesen: Die Physiker*innen am CERN haben einen Nachweis für das Higgs-Boson gefunden! Ein Jahr später erhielten die Physiker Peter Higgs und Francois Englert für die Vorhersage dieses Teilchens den Nobelpreis für Physik. Aber um was genau handelt es sich eigentlich bei diesem mysteriösen Teilchen und warum wird es als Gottesteilchen bezeichnet?
Higgs Boson – Definition
Stell dir ein masseloses Universum vor. In diesem Universum gibt es keine Atome, keine Moleküle, überhaupt keine Materie. Dort ist nichts als leeren Raum (Vakuum) und Energie. Genau so würde unser Universum ohne das Higgs-Boson aussehen.
Das Higgs-Boson verleiht allen anderen Teilchen ihre Masse, deshalb bezeichnest du es auch als Gottesteilchen. Durch die Masse von Teilchen formt sich erst Materie, wie wir sie heute kennen. Das Higgs-Boson gehört zum Standardmodell der Elementarteilchen und wurde 1964 von Peter Higgs und Francois Englert theoretisch vorausgesagt.
Aber wie genau funktioniert dieser Prozess in dem Teilchen ihre Masse erhalten? Werfen wir dazu zunächst einen Blick auf das Standardmodell der Elementarteilchen.
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)
Ob es noch kleiner als Quarks wird, wissen wir nicht sicher. Die String-Theorie besagt, dass diese wiederum aus eindimensionalen, vibrierenden Strings bestehen. Diese Theorie ist aber stark umstritten und bisher wurde sie noch nicht bewiesen.
Um den Überblick zu behalten, haben Physiker*innen das Standard-Modell der Elementarteilchen entwickelt.
Das Standard-Modell der Elementarteilchen fasst alle bisherigen Erkenntnisse der Teilchenphysik zusammen. In ihm befinden sich die kleinsten bekannten Bausteine der Materie, die Elementarteilchen, sowie die Austauschteilchen der verschiedenen Wechselwirkungskräfte.
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.
Fermionen sind die Bausteine der Materie. Aus ihnen setzen sich die Atome und damit unsere gesamte Welt zusammen. Bosonen hingegen sind die Träger der Grundkräfte unseres Universums und verantwortlich für die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Teilchen. Wenn du mehr darüber wissen möchtest, schau dir unseren Artikel zum Thema Elementarteilchen auf StudySmarter an!
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.
Nach der Theorie des Higgs-Mechanismus gibt es überall im Universum ein unsichtbares Feld, das sogenannte Higgs-Feld. Bewegt sich ein Teilchen durch dieses Feld, tritt es mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung und erhält dadurch seine 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.
Nach der von Albert Einstein entwickelten speziellen Relativitätstheorie gibt es eine Obergrenze für die Geschwindigkeit: die Lichtgeschwindigkeit. Nichts in unserem Universum kann sich schneller bewegen und nur masselose Teilchen, wie das Photon, kann Lichtgeschwindigkeit überhaupt erreichen.
Das liegt an Einsteins Theorie von der Äquivalenz von Masse und Energie, sie sind quasi zwei Seiten derselben Medaille und können ineinander umgewandelt werden.
Wenn du nun ein Objekt beschleunigst, führst du ihm Energie zu. Indirekt führst du ihm damit auch Masse zu. Dadurch wird es schwerer, das Objekt zu beschleunigen. Die Energie, die du brauchst, um etwas auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, geht irgendwann gegen unendlich.
Wenn du mehr spannendes aus der Relativitätstheorie hören möchtest, schau dir einfach unseren Artikel dazu auf StudySmarter an!
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
Auch wenn die Darstellung oft sehr ähnlich ist und die Effekte sich auf den ersten Blick wenig unterscheiden, darfst du die Wirkung des Higgs-Felds nicht mit der Gravitation verwechseln. Das Higgs-Feld verleiht Objekten ihre Masse, Gravitation ist dagegen die Krümmung der Raum-Zeit um einen Körper, der bereits eine Masse besitzt.
Die Vorstellung ist ein wenig abstrakt, deshalb entwickelte der britische Physiker David Miller eine Analogie mit der wir uns das etwas besser vorstellen können.
Stell dir vor, du befindest dich in einer gut besuchten Bar. Die Besucher sind das Higgs-Feld und verteilen sich im Raum. Nun öffnen sich die Türen und ein Filmstar betritt die Bar (der Filmstar ist in der Analogie das Elementarteilchen – beim Betreten der Bar hat er noch keine Masse). Viele der Besucher drängen sich nun um den Filmstar, deshalb kommt er nur schwer voran. Durch die vielen Menschen um ihn herum erhält er quasi seine Masse.
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 ist das Teilchen des Higgs-Feldes. Es entsteht durch eine Anregung des Higgs-Feldes und spielt eine wichtige Rolle bei dem Higgs-Mechanismus.
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.
Die Masse des Higgs-Bosons beträgt:
Die Masse wird also durch Energie und die Lichtgeschwindigkeit angegeben.
Das macht Sinn, wenn wir Einsteins Formel nach der Masse umstellen:
Damit ist das Higgs-Boson ungefähr 245.000 mal schwerer als ein Elektron!
Durch seine Große Masse zerfällt es sehr schnell (nach nur 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.
Warum das Higgs-Boson selbst Masse hat, wissen die Physiker*innen bisher selbst nicht genau.
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.
Higgs Boson - Das Wichtigste
- Das Higgs-Boson wurde in den 1960ern von Peter Higgs und Francois Englert vorhergesagt und 2012 von den Physiker*innen am CERN nachgewiesen.
- Das Higgs-Teilchen gehört zum Standardmodell der Elementarteilchen und zur Klasse der Bosonen.
- Das Higgs-Boson ist das Teilchen des Higgs-Felds, welches den gesamten Kosmos durchspannt.
- Nach dem Higgs-Mechanismus erhalten Teilchen, die mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung treten, ihre Masse und werden dabei langsamer.
- Das Higgs-Boson ist das einzige bekannte Teilchen ohne Spin. Es ist sehr massereich und zerfällt sehr schnell.
- Das Higgs-Boson wird auch als Gottesteilchen bezeichnet, da es allen anderen Teilchen ihre Masse verleiht und dadurch überhaupt erst unser Universum wie wir es kennen entstehen kann.
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