Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

gestattet den Elementarteilchen, Masse zu erwerben, da es die Symmetrie der schwachen Kraft bricht, die ohne es vorhanden wäre. Die Theorie der elementaren Kräfte erhält zwar die Symmetrie, die mit der schwachen Kraft verbunden ist, aber diese Symmetrie wird vom Higgs-Feld gebrochen, das das Vakuum durchflutet.
    Durch das Einbringen von Ladung in das Vakuum bricht der Higgs-Mechanismus die Symmetrie, die mit der schwachen Kraft verbunden ist. Und das tut er bei einer bestimmten Skala. Diese Skala wird durch die Verteilung der Ladungen im Vakuum bestimmt. Bei hohen Energien oder äquivalent dazu – gemäß der Quantenmechanik – bei kleinen Abständen werden die Teilchen keiner schwachen Ladung begegnen und sich deshalb so verhalten, als ob sie keine Masse hätten. Bei kleinen Abständen oder äquivalent dazu bei hohen Energien scheint daher die Symmetrie zu gelten. Bei großen Abständen jedoch wirkt die schwache Ladung in gewisser Hinsicht wie eine Reibungskraft, die die Teilchen abbremsen würde. Nur bei niedrigen Energien oder äquivalent dazu bei großen Abständen scheint das Higgs-Feld den Teilchen Masse zu verleihen.
    Und genauso sollte es auch sein. Die gefährlichen Wechselwirkungen, die bei massiven Teilchen keinen Sinn ergäben, treten nur bei hohen Energien auf. Bei niedrigen Energien können – und müssen den Experimenten zufolge – die Teilchen Masse haben. Der Higgs-Mechanismus, der die Symmetrie der schwachen Kraft spontan bricht, ist die einzige Möglichkeit, die wir kennen, um diese Aufgabe zu erfüllen.
    Obwohl wir die Teilchen noch nicht beobachtet haben, die für den Higgs-Mechanismus verantwortlich sind, welcher selbst wiederum die Verantwortung für die Massen der Elementarteilchen trägt, haben wir experimentelle Belege dafür, dass der Higgs-Mechanismus in der Natur zum Tragen kommt. Er wurde schon oft in einem völlig anderen Zusammenhang beobachtet – nämlich bei supraleitenden Materialien. Supraleitfähigkeit ergibt sich dann, wenn Elektronen Paare bilden und diese Paare ein Material durchdringen. Das sogenannte Kondensat in einem Supraleiter besteht aus Elektronenpaaren, die dieselbe Rolle spielen, die das Higgs-Feld in unserem oben genannten Beispiel einnimmt.
    Aber anstatt die schwache Ladung zu tragen, ist das Kondensat in einem Supraleiter Träger der elektrischen Ladung. Das Kondensat verleiht daher dem Photon Masse, das den Elektromagnetismus innerhalb des supraleitenden Materials vermittelt. Die Masse schirmt die Ladung ab , was bedeutet, dass innerhalb eines Supraleiters elektrische und magnetische Felder nicht sehr weit reichen. Über eine kurze Entfernung fällt die Kraft sehr schnell ab. Die Quantenmechanik und die spezielle Relativitätstheorie sagen uns, dass dieser Abschirmungsabstand innerhalb eines Supraleiters das unmittelbare Ergebnis einer Photonenmasse ist, die nur innerhalb des Substrats des Supraleiters existiert. In diesen Materialien können elektrische Felder nicht weiter über den Abschirmungsabstand hinaus vordringen, weil das Photon beim Abprallen der Elektronenpaare, die den Supraleiter durchdringen, eine Masse erwirbt.
    Der Higgs-Mechanismus funktioniert ähnlich. Aber anstelle von Elektronenpaaren (die eine elektrische Ladung tragen), die den Stoff durchdringen, sagen wir vorher, dass es ein Higgs-Feld gibt (das Träger der schwachen Ladung ist), das das Vakuum durchdringt. Und anstatt dass ein Photon eine Masse erwirbt, die die elektrische Ladung abschirmt, stellen wir fest, dass die schwachen Eichbosonen eine Masse erwerben, die die schwache Ladung abschirmt. Da schwache Eichbosonen eine von null verschiedene Masse besitzen, wirkt die schwache Kraft nur über sehr kurze Entfernungen, die kleiner sind als der Atomkern.
    Da dies die einzige widerspruchsfreie Möglichkeit ist, um Eichbosonen eine Masse zuzuweisen, sind die Physiker ziemlich zuversichtlich, dass der Higgs-Mechanismus in der Natur vorkommt. Und wir erwarten, dass er nicht nur für die Masse der Eichbosonen, sondern auch für die Masse aller Elementarteilchen verantwortlich ist. Wir kennen keine andere widerspruchsfreie Theorie, die zulässt, dass die schwach geladenen Teilchen des Standardmodells Masse besitzen.
    Dies war ein schwieriger Abschnitt, der mehrere abstrakte Begriffe enthielt. Die Vorstellungen eines Higgs-Mechanismus und eines Higgs-Feldes sind wesentlich mit der Quantenfeldtheorie und der Elementarteilchenphysik verknüpft und weit entfernt von Phänomenen, die wir