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

bleibt. Eine weitere entscheidende Lücke in unserem Verständnis – eine Lücke, für die der LHC ganz bestimmt die Mittel zu ihrer Schließung besitzt – ist die Art und Weise, wie die Masse der grundlegenden Teilchen entsteht. Diese Frage klingt wahrscheinlich etwas seltsam (es sei denn natürlich, Sie haben mein erstes Buch gelesen), da wir die Tendenz haben, uns die Masse von etwas als etwas Gegebenes vorzustellen – als eine intrinsische, unabdingbare Eigenschaft des Teilchens.
    Und in einem gewissen Sinn ist das auch richtig. Die Masse ist eine der Eigenschaften – in Verbindung mit der Ladung und den Wechselwirkungen –, die ein Teilchen definieren.
    Teilchen haben zwar immer eine Energie, die von null verschieden ist, aber die Masse ist eine intrinsische Eigenschaft, die viele mögliche Werte annehmen kann, darunter auch null. Eine von Einsteins wichtigen Einsichten war die Erkenntnis, dass der Wert der Masse eines Teilchens angibt, wie viel Energie es im Ruhezustand besitzt. Aber Teilchen haben nicht immer einen nicht-schwindenden Wert für ihre Masse. Und diejenigen, deren Masse wie die des Photons null ist, befinden sich nie in Ruhe.
    Die von null verschiedene Masse der Elementarteilchen, die eine ihrer intrinsischen Eigenschaften sind, stellt ein gewaltiges Rätsel dar. Nicht nur Quarks und Leptonen, sondern auch schwache Eichbosonen – die Teilchen, die die schwache Kraft vermitteln – haben eine Masse, die von null verschieden ist. Experimentalphysiker haben diese Masse gemessen, aber die einfachsten Regeln der Physik gestatten sie einfach nicht. Die Vorhersagen des Standardmodells sind zwar erfolgreich, wenn wir einfach annehmen, dass die Teilchen diese Masse besitzen. Aber wir wissen nicht, woher sie überhaupt kam. Die einfachsten Regeln lassen sich offenkundig nicht anwenden, und etwas Subtileres ist im Gange.
    Elementarteilchenphysiker sind der Meinung, dass diese nicht-verschwindenden Massen nur dadurch entstanden, dass in der Frühzeit des Universums etwas ganz Dramatisches geschah, und zwar in einem Vorgang, der zu Ehren des schottischen Physikers Peter Higgs, der als einer der Ersten zeigte, wie Masse entstehen könnte, gewöhnlich Higgs-Mechanismus genannt wird. Mindestens sechs Autoren trugen jedoch ähnliche Ideen bei. Daher hören Sie vielleicht auch vom Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble-Mechanismus. Ich werde aber bei »Higgs-Mechanismus« bleiben. [35]   Die Idee – wie auch immer wir sie nennen – besteht darin, dass ein Phasenübergang (vielleicht wie der Phasenübergang von sprudelndem, flüssigem Wasser in gasförmigen Dampf) stattfand, der die Natur des Universums wirklich veränderte. Während ganz zu Beginn Teilchen keine Masse hatten und mit Lichtgeschwindigkeit umherschwirrten, besaßen die Teilchen dann später – nach diesem Phasenübergang, der mit dem sogenannten Higgs-Feld zu tun hat – Masse und bewegten sich langsamer. Der Higgs-Mechanismus gibt Auskunft darüber, wie Elementarteilchen mit verschwindender Masse bei Abwesenheit des Higgs-Feldes dazu übergehen, die von null verschiedenen Massen zu besitzen, die wir in Experimenten gemessen haben.
    Wenn die Elementarteilchenphysiker recht haben und der Higgs-Mechanismus im Universum am Werk ist, dann wird der LHC verräterische Anzeichen aufspüren, die Auskunft über die Geschichte des Universums geben. In der einfachsten Version bestehen die Belege in einem Teilchen – im gleichnamigen Higgs-Boson.
    Noch raffinierteren physikalischen Theorien zufolge, in denen der Higgs-Mechanismus ebenfalls am Werk ist, könnte das Higgs-Boson von anderen Teilchen mit ungefähr derselben Masse begleitet werden, oder das Higgs-Teilchen könnte ganz durch bestimmte andere Teilchen ersetzt werden.
    Unabhängig davon wie der Higgs-Mechanismus umgesetzt ist, erwarten wir, dass der LHC etwas Interessantes hervorbringt. Es könnte ein Higgs-Boson sein. Es könnte ein Beleg für eine exotischere Theorie sein, wie z.B. Technicolor, die wir später besprechen werden. Oder es könnte etwas völlig Unvorhergesehenes sein. Wenn alles wie geplant verläuft, werden Experimente am LHC bestimmen, durch was der Higgs-Mechanismus umgesetzt wurde. Was man auch immer finden wird, die Entdeckung wird uns etwas Interessantes darüber sagen, wie Teilchen zu ihrer Masse kommen.
    Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, das die grundlegendsten Elemente der Materie und ihre Wechselwirkungen beschreibt, ist bewundernswert