Higgs-Boson
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Higgs-Boson (H) |
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| Klassifikation | |
| Elementarteilchen Boson |
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| Eigenschaften | |
| Ladung | neutral |
| Masse | 116−130 GeV/c2 |
| Spin | 0 |
| Wechselwirkung | schwach |
Das Higgs-Boson oder Higgs-Teilchen (benannt nach dem britischen Physiker Peter Higgs) ist das einzige Elementarteilchen im Standardmodell der Elementarteilchenphysik, das bisher experimentell nicht nachgewiesen werden konnte. Theoretisch wird die Existenz des Higgs-Bosons vom Higgs-Mechanismus (einem Teil des Standardmodells) vorhergesagt, der die Erklärung für die Massen der experimentell nachgewiesenen Eichbosonen, der Z- und W-Bosonen, liefert. Da die Existenz mindestens einer Sorte von Higgs-Bosonen notwendige Folge eines Higgs-Mechanismus ist, würde der bisher noch fehlende Nachweis eines Higgs-Bosons als wichtiger Hinweis auf die Gültigkeit des Standardmodells zentrale Bedeutung haben.
Der Versuch dieses noch fehlenden Nachweises läuft aktuell an den Experimenten ATLAS und CMS am Large Hadron Collider (LHC) des CERN-Instituts in Genf.
Im allgemeinen Sprachgebrauch wird das Higgs-Boson häufig als Ursache für die Masse von Objekten angeführt. Dies ist aus zwei Gründen unpräzise bzw. falsch: Zum einen entspricht dem Higgs-Boson genau der Teil des Higgs-Mechanismus, der nicht für die Massen der Eichbosonen verantwortlich ist – mathematisch ist das Higgs-Boson eine Anregung um den für die Massen verantwortlichen besonderen Grundzustand herum. Zum anderen beruht der Großteil der Masse vieler Objekte auf der Bindungsenergie in Hadronen, insbesondere in Protonen und Neutronen. Unabhängig davon kann der Higgs-Mechanismus auch Beiträge zur Masse anderer Elementarteilchen als der Eichbosonen liefern, beispielsweise für Fermionen.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Geschichte
1964 entwickelten Peter Higgs,[1] François Englert und Robert Brout[2] sowie Gerald Guralnik, Carl R. Hagen und Tom Kibble[3] einen formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Teilchen in Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem Higgs-Feld) massiv werden. Obwohl Englert und Brout ihr Manuskript etwas eher eingereicht und publiziert hatten, wurde das in populären Darstellungen auch als Gottesteilchen bezeichnete Teilchen[4][5] allein nach Higgs benannt. Ursprünglich im Rahmen der Festkörperphysik entwickelt und mit der Supraleitung verwandt, wurde der Mechanismus auch auf die Elementarteilchenphysik übertragen. Hier erhalten auf diese Weise nicht nur alle Quarks und Leptonen ihre Masse, sondern insbesondere auch die für die schwache Wechselwirkung verantwortlichen W- und Z-Bosonen.
1967 wurde der Higgs-Mechanismus, der ursprünglich nur für abelsche Eichtheorien formuliert worden war, von T. W. B. Kibble auf nichtabelsche Eichtheorien übertragen.[6]
1968 wandte Abdus Salam[7] den Higgs-Kibble-Mechanismus auf die elektroschwache Theorie von Sheldon Lee Glashow[8] und Steven Weinberg[9] an und vollendete damit das Standardmodell der Teilchenphysik, wofür alle drei 1979 den Nobelpreis für Physik erhielten.
Eine ursprünglich als fundamental angesehene Eigenschaft der Teilchen (eben die Masse) wird somit als „Nebeneffekt“ einer Wechselwirkung vorgestellt. Dass Masse durch Wechselwirkung entsteht, ist dabei nicht nur auf den Higgs-Mechanismus beschränkt. Tatsächlich beruht der größte Teil der Masse unserer Alltagswelt auf der starken Wechselwirkung zwischen den Quarks in den Nukleonen des Atomkerns. Die Masse der Quarks selbst macht nur einen kleinen Anteil an der Masse eines Atomkerns aus.
[Bearbeiten] Eigenschaften
Das Higgs-Teilchen des Standardmodells hat keine elektrische Ladung. Weil es mit Null einen ganzzahligen Spin hat, ist es ein Boson, genauer: ein Skalarboson. Nach Berechnungen des Fermilab von 2006 liegt seine Masse im Falle seiner Existenz zwischen 117 und 153 GeV/c² (ermittelt aus Messungen der W-Boson-Masse). Anfang Dezember 2011 wurden erste Zwischenresultate der Experimente am LHC des CERN veröffentlicht, wonach die Existenz eines Standard-Modell-Higgs-Bosons in verschiedenen Massenbereichen mit hohen Konfidenzniveaus ausgeschlossen werden konnte. Gemäß diesen Resultaten liegt die Masse des Higgs, falls es existieren sollte, im Bereich von 116–130 GeV/c² (ATLAS[10]) bzw. 115–127 GeV/c² (CMS[11]). Dabei seien eventuell sogar schon Higgs-Teilchen detektiert worden. Bei diesen Detektionen wurde eine Masse von 124 bis 126 GeV/c² gemessen (zum Vergleich: Proton und Neutron haben je rund 1 GeV/c²). Eine endgültige Klärung, ob es sich bei dem beobachteten Phänomen in diesem Massebereich um das Higgs-Boson oder eine statistische Abweichung handelt, wird im Laufe des Jahres 2012 erwartet.[12]
Für den Fall, dass im Bereich bis 200 GeV/c² kein Higgs-Teilchen gefunden werden sollte, sagen einige Theorien ein Higgs-Multiplett vorher, welches auch bei höheren Energien realisiert sein könnte. Die Stärke der Yukawa-Kopplung, mit der das Higgs-Feld an die anderen Teilchen koppelt, ist proportional zur Masse des Teilchens und Yukawa-artig, d. h. kurzreichweitig wegen der negativ-exponentiellen Abhängigkeit vom Abstand.
[Bearbeiten] Higgs-Teilchen im Standardmodell
Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es notwendige Folge eines Higgs-Mechanismus ist, der – bisher – die einfachste bekannte und experimentell konsistente Erklärung dafür ist, wie die Z- und W-Bosonen eine Masse haben können. Die grundlegende Theorie erfordert masselose Eichbosonen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert. Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie die eigentlich masselosen Eichbosonen durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld doch eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung, da beide auf nur eine, grundlegende „elektroschwache“ Wechselwirkung mit (ursprünglich) masselosen Eichbosonen zurückgeführt werden können.
Da sich viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als plausibel. Allerdings konnte bisher (Stand 2011) kein Higgs-Boson direkt beobachtet werden. Es ist damit das einzige Teilchen des Standardmodells, das experimentell noch nicht nachgewiesen werden konnte. Ursache dafür ist u. a. die sehr geringe Produktionsrate im Energiebereich bestehender Elementarteilchenbeschleuniger. Der Teilchenbeschleuniger Tevatron am Fermilab konnte das Higgs-Boson bisher nicht nachweisen, allerdings besteht noch die Hoffnung, einen Nachweis zu finden oder zumindest den erlaubten Parameterbereich signifikant einzuschränken.[13]
Auch durch den LEP am CERN sowie durch die Experimente am Fermilab[14] konnte das Higgs-Boson nicht nachgewiesen werden. Zusammen mit den Messungen der LHC-Experimente[15] ATLAS und CMS kann mittlerweile ein großer Massenbereich mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Sollte das Higgs-Teilchen im Standardmodell existieren, muss seine Masse demnach zwischen 116 GeV/c² und etwa 127 GeV/c² liegen oder größer als 466 GeV/c² sein.[15][16][11] Beide LHC-Experimente sahen 2011 im Bereich von 120 bis 130 GeV/c² mehr Ereignisse als erwartet wurden, was ein erstes Anzeichen für das Higgs-Boson sein kann. Um das zu bestätigen oder zu widerlegen, müssen aber noch mehr Daten gesammelt werden.[17]
[Bearbeiten] Supersymmetrische Erweiterung
Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell (MSSM), einer Erweiterung des Standardmodells für die Supersymmetrie, gibt es fünf Higgs-Bosonen, drei „neutrale“ und zwei „geladene“ (die Begriffe „neutral“ bzw. „geladen“ sind dabei wie in der elektroschwachen Eichtheorie definiert):
| enthalten in … | Masse | Elektrische Ladung | Symm.eigenschaft | |
|---|---|---|---|---|
| neutral | geladen | |||
| Standardmodell (Higgs-Boson) |
rel. leicht |  |
– | Skalar |
| MSSM | schwer |  |
 |
|
 |
– | Pseudoskalar | ||
Das A-Teilchen ist ungerade bzgl. der CP-Symmetrie, d. h. es ist ein Pseudoskalar, während das h- und das H-Boson CP-gerade sind (Skalare). Außerdem koppelt das A-Teilchen nicht an die drei Eichbosonen W+, W− bzw. Z.
Das h-Boson hat abhängig vom benutzten Benchmark-Szenario eine theoretisch erlaubte Masse von maximal 133 GeV/c² und gilt daher als besonders ähnlich zum Higgs-Boson des Standardmodells.[18][19]
[Bearbeiten] Siehe auch
[Bearbeiten] Literatur
- Gordon Kane: Das Higgs-Teilchen. Das Geheimnis der Masse. In: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 2006, Nr. 2, ISSN 0170-2971, S. 36–43.
- John F. Gunion, Sally Dawson, Howard E. Haber: The Higgs Hunter's Guide. Perseus Publ., Cambridge Mass 2000, ISBN 0-7382-0305-X.
- Walter Greiner: Eichtheorie der schwachen Wechselwirkung. Thun, Frankfurt am Main 1995, ISBN 3-8171-1427-3, S. 133 ff..
[Bearbeiten] Weblinks
Commons: Higgs-Boson – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien- F. Pires: What exactly is the Higgs boson? Have physicists proved that it really exists? 21. Oktober 1999, abgerufen am 13. Dezember 2009.
- Andrea Naica-Loebell: Wurde das Higgs-Boson entdeckt? In: Telepolis. 2004, abgerufen am 2008 (deutsch).
- Werner B. Schneider: Das Higgs-Boson – Grundlagen der Teilchenphysik. (enthält eine Übersetzung des preisgekrönten Textes von David J. Miller: A quasi-political Explanation of the Higgs Boson)
- Was ist ein Higgs-Teilchen? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 25. Mai 2005.
[Bearbeiten] Einzelnachweise
- ↑ P. W. Higgs: Broken symmetries, massless particles and gauge fields. In: Phys. Lett.. 12, 1964, S. 132. doi:10.1016/0031-9163(64)91136-9.
P. W. Higgs: Broken symmetries and the masses of gauge bosons. In: Phys. Rev. Lett.. 13, 1964. doi:10.1103/PhysRevLett.13.508. - ↑ F. Englert, R. Brout: Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons. In: Phys. Rev. Lett.. 13, 1964, S. 321. doi:10.1103/PhysRevLett.13.321.
- ↑ G. S. Guralnik, C. R. Hagen, T. W. B. Kibble: Global conservation laws and massless particles. In: Phys. Rev. Lett.. 13, 1964, S. 585. doi:10.1103/PhysRevLett.13.585.
- ↑ Higgs-Boson: Hoffen auf das Gottesteilchen – Artikel bei Spiegel online, vom 7. Dezember 2011
- ↑ Teilchenbeschleuniger LHC: Warum nennt man das Higgs-Boson auch »Gottesteilchen«? – Artikel (Seite 2/2 in Im Trommelfeuer der Urknälle) bei Zeit online, vom 7.4.2010
- ↑ T. W. B. Kibble: Symmetry breaking in non-Abelian gauge theories. In: Phys. Rev.. 155, 1967, S. 1554. doi:10.1103/PhysRev.155.1554.
- ↑ A. Salam: Weak and electromagnetic interactions. In: Proc. Nobel Symp.. 8, 1968, S. 367–377.
- ↑ S. L. Glashow: Partial symmetries of weak interactions. In: Nucl. Phys.. 22, 1961. doi:10.1016/0029-5582(61)90469-2.
- ↑ S. Weinberg: A model of leptons. In: Phys. Rev. Lett.. 19, 1967. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264.
- ↑ http://www.atlas.ch/news/2011/status-report-dec-2011.html
- ↑ a b http://cms.web.cern.ch/news/cms-search-standard-model-higgs-boson-lhc-data-2010-and-2011
- ↑ http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR25.11E.html
- ↑ Nach aktuellen Veröffentlichungen (Anfang 2010) der D0- und CDF-Kollaborationen am Tevatron kann der Energiebereich um 160 GeV für die Masse des Higgs-Bosons anscheinend ausgeschlossen werden, sodass jetzt eine Masse zwischen 115 und 150 GeV diskutiert wird, siehe T. Aaltonen et al. in: Physical Review Letters. Band 104, 2010, 061803 und V. M. Abazov et al. in: Physical Review Letters. Band 104, 2010, 06180, [1] und [2]
- ↑ Kurt Riesselmann: Higgs territory continues to shrink. 13. März 2009.
- ↑ a b CERN Presse-Veröffentlichung: LHC experiments present latest results at Mumbai conference 22. August 2011
- ↑ Pressemitteilung von ATLAS (13. Dez. 2011)
- ↑ [3], Physicists weigh up Higgs signals - ein eher skeptischer, aber präziser Artikel einer vom britischen IOP unterstützten Webadresse (physicsworld.com), abgerufen am 14. Dez. 2011
- ↑ David Eriksson: H±W∓ production at the LHC. High Energy Physics, Uppsala University, IKP seminar, 6. Oktober 2006 (PDF).
- ↑ Janusz Rosiek: Complete Set of Feynman Rules for the MSSM – inkl. erratum. 6. November 1995, KA-TP-8-1995, hep-ph/9511250 hep-ph/9511250, doi:10.1103/PhysRevD.41.3464.
