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

man ein Proton auf eine Waage legen, so wären 96 Prozent seines Gewichts auf jene Energie zurückzuführen, die zwischen seinen Quarks hin und her fließt. Man spricht hier von Bindungsenergie. Laut Einstein ist Masse erstarrte Energie. Nur vier Prozent des Gewichts des Protons haben mit der eigentlichen Masse seiner Quarks zu tun, und diese Masse wiederum ist die erstarrte Wechselwirkungsenergie der Quarks mit dem Higgs-Feld.

    Abbildung 24: Die Schwingung entlang des »Abhangs« der Hutkrempe ist möglich. Sie verursacht das Higgs Boson.
    © Philip Tanedo, www.quantumdiaries.org
    Die Forderung nach gewissen Symmetrien im Universum mündet in ein Modell für das Higgs-Feld. Dieses sieht in seiner einfachsten Form aus wie ein mexikanischer Hut (siehe Abbildung 23). In der Mitte liegt ein Hügel (Hutkrone), der von einem rinnenartigen, konkav gewölbten Graben umgeben wird (Hutkrempe).
    Sehen wir doch mal die Masse nicht länger als fixe Größe gemäß dem Motto: »Dieses Teilchen wiegt 10 GeV.« Sondern betrachten wir sie als eine dynamische Variable, die sich auf unserem mexikanischen Hut bewegen kann. In diesem Modell kann man sich die Masse als eine sich auf dem Hut bewegende Kugel vorstellen. Die Kugel steht hierbei nicht repräsentativ für ein Teilchen, sondern für einen Zustand des Feldes. Ihr Abstand vom Mittelpunkt des Huts (auf dem Scheitel der Hutkrone) bestimmt die Masse unseres Teilchens. Zu Beginn sitzt die Kugel genau auf diesem Mittelpunkt, wo die Symmetrieachse des Huts verläuft – die W- und Z-Bosonen besitzen keine Masse. Doch so wie eine Kugel einen Berg hinunterrollt, um ihre Energie zu minimieren, so strebt nun auch unsere imaginäre Kugel danach, in die Krempe hineinzurollen. Schon die winzigste Störung genügt – und die Kugel rollt aus ihrer instabilen Gleichgewichtslage nach unten. Die Symmetrie ist gebrochen. Unsere Kugel befindet sich nun nicht mehr auf dem »Nullpunkt«, sondern hat einen bestimmten Abstand zu ihrer ursprünglichen Position (Abbildung 24). Diesem Abstand entspricht die nun von Null verschiedene Masse der W- und Z-Bosonen.
    Analog zum fallenden Kreisel hat unsere Kugel also die Symmetrie gebrochen. Man beachte hierbei, dass das Potenzial, also die Energie des Feldes, prinzipiell immer noch symmetrisch ist. Lediglich aus dem Blickwinkel der Kugel schaut es nicht mehr symmetrisch aus. Die Kugel »sieht« sozusagen nur noch ihre Krempe und den Anstieg der Hutkrone. Wir haben also eine gebrochene Symmetrie, obwohl wir uns immer noch in einem vom Mittelpunkt aus betrachtet symmetrischen Potenzial befinden. Es entsteht also ein asymmetrischer Eindruck, der unseren W- und Z-Bosonen eine Masse verleiht. Trotzdem bleibt unsere Eichsymmetrie erhalten, da der Hut prinzipiell immer noch eine symmetrische Form hat.
    Das Higgs-Boson
    Doch wo genau kann in diesem Modell ein Higgs-Boson auftreten? Wenn es nachgewiesen werden kann, können wir beweisen, dass unsere Überlegungen zur Kugel auch der Realität entsprechen und nicht nur einen mathematischen Rechentrick darstellen.
    In der Quantenfeldtheorie haben Teilchen eine besondere Form der Existenz, sie sind allesamt Anregungen beziehungsweise Schwingungen von Feldern. Um den Begriff des Feldes zu veranschaulichen, stelle man sich eine Wasserfläche vor, auf der sich Wellen befinden. Die Wasserfläche steht für das Feld und durchsetzt den gesamten Raum, während die Teilchen durch Wellen dargestellt werden. Wellen sind nur so lange zu beobachten, wie das Wasser hin und her schwingt. In diesem Sinne sind also Teilchen Anregungen eines Feldes. Im Bild des mexikanischen Huts entspricht der Zustand eines Feldes der Bewegung der Kugel.
    In der Quantenfeldtheorie besteht das Universum aus einer Ansammlung von Feldern. Erst durch die Anregung eines dieser Felder entsteht ein Teilchen, zum Beispiel ein Elektron. Existiert das Higgs-Feld tatsächlich, so hat unsere Kugel die Möglichkeit, die Seitenwände der Hutkrone auf und ab zu rollen, wodurch eine Schwingung erzeugt wird. Dieser Schwingbewegung des Higgs-Feldes entspricht ein Teilchen – das Higgs-Boson.
    Zusammenfassung
    Befände sich das Universum im Inneren einer gigantischen, stromdurchflossenen Spule, so wäre das gesamte Universum mit einem homogenen Magnetfeld durchflutet. Sämtliche geladene Teilchen flögen dann auf seltsamen Bahnen durch das Universum. Für uns jedoch wären diese verrückten Bewegungen eben der natürliche Lauf der Dinge. Würde man uns erklären, dass es