Die Entdeckung des Higgs-Teilchens: Oder wie das Universum seine Masse bekam (German Edition)

– wenn es energiereich genug ist – ein ganzer »Salat« von sehr unterschiedlichen und exotischen Teilchen, und allesamt fliegen sie in sämtliche Richtungen davon. Doch genauso schnell, wie sie entstanden sind, zerfallen die meisten von ihnen auch wieder in leichtere Objekte und Energie. Schafft man es, diese Prozesse in unseren Detektoren stattfinden zu lassen, so können wir sie beim Entstehen und Vergehen beobachten.
    Die Beständigkeit der Welt, wie wir sie erleben, ist – so gesehen – etwas Ungewöhnliches. (Streng genommen müssen wir Physiker zugeben, dass man sich noch gar nicht sicher darüber ist, ob Protonen wirklich absolut stabil sind. Sie könnten irgendwann zerfallen.) Man fand Regeln, nach denen diese kuriosen Umwandlungsprozesse in der Natur stattfinden. Eine von ihnen ist sehr berühmt, sie lautet: E = m 0 c 2 und wurde von Albert Einstein in seiner Relativitätstheorie im Jahr 1905 formuliert. Das c steht für die Lichtgeschwindigkeit und das m 0 für die Ruhemasse eines Körpers – das ist diejenige Masse, die er hat, wenn er sich nicht bewegt. Bewegte Körper besitzen eine größerer Masse. Einsteins Gleichung beschreibt, dass massive Objekte entstehen können, wenn man nur genug Energie E in ein System pumpt. Genügend Energie steht bereit, sobald die Gleichung m 0 = E/c 2 erfüllt ist. Über dieselbe Gleichung lässt sich zudem auch die Masse eines Körpers in Einheiten der Energie angeben. Dabei ist es gebräuchlich, das c 2 wegzulassen. Die Masse eines Protons beträgt beispielsweise 938 MeV (eV oder Elektronenvolt ist hierbei eine Einheit der Energie, MeV bedeutet 10 +6 eV oder eine Million eV).

    Abbildung 2: Teilchen-Salat. Die spiralförmigen Trajektorien zeigen sehr schön, wie geladene Teilchen innerhalb eines Magnetfeldes durch die Lorentzkraft auf Kreisbahnen gezwungen werden und durch den Energieverlust, den sie bei einer solchen Beschleunigung erfahren, zum Zentrum ihrer Kreisbewegung hin spiralisieren. Je nach Ladung, Masse und Geschwindigkeit der Objekte entstehen unterschiedliche Linien.
    © 1998 CERN, Genf
    Die wirklichen Elementarteilchen
    1964 nahm man an, dass die meisten der unglaublich vielen neuen Objekte in Wirklichkeit Zusammensetzungen einiger noch viel kleinerer Bausteine sind, die jedoch bis dahin nicht beobachtet worden waren: die Quarks. Diese Teilchen wurden verrückterweise immer noch nicht einzeln detektiert, man geht heutzutage sogar davon aus, dass sie auch niemals isoliert beobachtet werden können. Seltsamerweise treten sie immer nur in Gruppen auf. Nichtsdestotrotz konnte mit dem Quarkmodell sehr erfolgreich Physik betrieben werden, sodass es mittlerweile zum Standardhandwerkszeug eines Physikers gehört.
    Die in Abbildung 3 dargestellten Teilchen bilden das »Alphabet des Universums«, wie es der Physiker David Griffiths elegant formulierte. Unser Higgs-Teilchen befindet sich innerhalb dieses Alphabets rechts oben (mit dem Symbol H) und nimmt sichtbar eine Sonderrolle ein. Um diesen Sachverhalt besser verstehen zu können, widmen wir uns vorerst dem Rest des Modells.

    Abbildung 3: Standardmodell der Elementarteilchenphysik
    © Juergen Meyndt/Physik/Universität Freiburg
    Fermionen
    Als Fermionen bezeichnet man – vereinfacht gesagt – alle Teilchen, die Materie aufbauen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Kästchen im oberen Teil enthalten die sechs verschiedenen Quarks, diejenigen im unteren Teil die sechs sogenannten Leptonen. Unser Universum besteht hauptsächlich aus vier dieser Teilchen. Es sind die vier Objekte mit den Symbolen »u«, »d«, »v e « und »e«.
    Beginnen wir mit demjenigen Bestandteil dieses Modells, den jeder Leser dieses Buchs kennen dürfte: dem Elektron. Es ist das einzige Element des »alten« Weltbilds, das heute immer noch den Status eines Elementarteilchens genießt. Es wird mit dem Symbol »e« gekennzeichnet und steht links bei den Leptonen. Im Kästchen unter dem »e« sieht man das Symbol für jenes geheimnisvolle Teilchen, das sekündlich in astronomischer Zahl unsere Körper durchflutet: das Neutrino (»v e «). Bei den Quarks findet sich in der ersten Spalte das Up- und das Down-Quark (mit »u« und »d« abgekürzt). Eine Kombination dieser Quarks bilden das uns bekannte Proton und das Neutron. Up-Quarks haben eine positive elektrische Ladung von zwei Dritteln der Ladung eines Protons, also + 2 ∕ 3 e, Down-Quarks sind mit – 1 ∕ 3 e geladen. Ein Proton besteht demnach aus zwei Up-Quarks und einem