Das Higgs-Boson oder Higgs-Teilchen ist ein nach dem britischen Physiker Peter W. Higgs benanntes Elementarteilchen aus dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Es ist elektrisch neutral, hat Spin 0 und zerfällt nach sehr kurzer Zeit.
Das Higgs-Teilchen gehört zum Higgs-Mechanismus, einer schon in den 1960er Jahren vorgeschlagenen Theorie, nach der außer dem Higgs-Boson selbst alle Elementarteilchen (beispielsweise das Elektron) ihre Masse erst durch die Wechselwirkung mit dem allgegenwärtigen Higgs-Feld erhalten.
Für den experimentellen Nachweis des Higgs-Bosons sind Teilchenbeschleuniger mit ausreichender Energie und Luminosität nötig, weshalb der Nachweis erst fünf Jahrzehnte später gelang. Im Juli 2012 publizierte das Beschleunigerzentrum CERN den Nachweis eines am Large Hadron Collider erzeugten Teilchens, bei dem es sich um das Higgs-Boson handeln könnte. Diese Vermutung wurde durch weitere Daten bekräftigt, die experimentelle Bestätigung gilt seitdem als gesichert. François Englert und Peter Higgs wurden für die theoretische Entwicklung des Higgs-Mechanismus 2013 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.Nobelprize.org: The Nobel Prize in Physics 2013. Abgerufen am 8. Oktober 2013.
Higgs-Teilchen im Standardmodell
mini|Simulation des Zerfalls eines Higgs-Teilchens am CMS-Detektor Die Bausteine des Standardmodells der Teilchenphysik lassen sich in vier Gruppen aufteilen: die Quarks (die Grundbausteine der Atomkerne), die Leptonen (z. B. das Elektron), die Eichbosonen (die die Wechselwirkungen zwischen Teilchen vermitteln) und das Higgs-Feld.
Durch die zweite Quantisierung wird in der Physik der anschauliche Gegensatz zwischen Teilchen und Wellen aufgehoben, ein Teilchen wird als angeregter Zustand des entsprechenden Quantenfeldes dargestellt. Demnach entspricht das Higgs-Boson einer quantenmechanischen Anregung des Higgs-Feldes, die sich als nachweisbares Teilchen äußert.
Bildhaft ausgedrückt entspricht das Higgs-Feld einer Violin- oder Gitarrensaite als schwingungsfähigem System mit Grundzustand und Vibrationen. In diesem Bild entspricht das Higgs-Boson dem Vibrationsmuster der Saite, die durch bestimmte Energiezufuhr in charakteristische Schwingung versetzt und damit angeregt wurde. Dies ist bei einer Saite als Ton einer bestimmten Tonhöhe hörbar. Genau dieses „In-Schwingung-Bringen der Saite“ geschieht aufgrund der erforderlichen sehr hohen Energien erst bei Kollisionen in Hochenergie-Teilchenbeschleunigern. Mit dem Nachweis des Higgs-Bosons wurde auch der Nachweis für das zugrunde liegende Higgs-Feld erbracht.
Higgs-Mechanismus
Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil seine Existenz vom Higgs-Mechanismus, einem festen Bestandteil des Standardmodells, vorhergesagt wird.
Die für das Standardmodell grundlegende Eichtheorie erfordert aus mathematischen Gründen, dass die Eichbosonen, die die Wechselwirkungen zwischen anderen Teilchen hervorbringen, selbst Teilchen ohne Masse sind. Das ist beim Eichboson der elektromagnetischen Wechselwirkung, dem Photon, und bei den Eichbosonen der starken Wechselwirkung, den Gluonen, wirklich gegeben, bei den Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung, den W- und Z-Bosonen, aber nicht. Diese haben eine verhältnismäßig große Masse, welche die kurze Reichweite verursacht, die die „schwache Wechselwirkung“ im Verhältnis zur elektromagnetischen Wechselwirkung so schwach erscheinen lässt.
Der Higgs-Mechanismus zeigt, dass die in der ursprünglichen Gleichung der Theorie masselosen W- und Z-Bosonen in allen weiteren Gleichungen so erscheinen können wie Teilchen mit einer bestimmten Masse. Dazu muss man sie mit einem weiteren physikalischen Feld in Wechselwirkung treten lassen, dem eigens hierfür eingeführten Higgs-Feld. Die elementaren Anregungen des Higgs-Felds sind die Higgs-Bosonen. So ermöglicht der Higgs-Mechanismus, eine grundlegende Eichtheorie aufzustellen, in der die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht sind. Durch ihre Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld werden dann auch die Massen der fermionischen Elementarteilchen (Quarks und Leptonen) erklärt.
Die Masse der Elementarteilchen, eine früher als ursprünglich angesehene Eigenschaft, wird somit als Folge einer neuen Art Wechselwirkung gedeutet. Nur der Ursprung der Higgs-Masse selbst entzieht sich dieser Deutung; er bleibt weiter ungeklärt.
Experimenteller Nachweis Das Higgs-Boson hat nach den bisherigen Ergebnissen im Vergleich mit den meisten anderen Elementarteilchen eine sehr große Masse von etwa 125 GeV/c2, das entspricht etwa zwei Eisenatomen (zum Vergleich: Das Z-Boson hat die Masse 91 GeV/c2, das Myon 106 MeV/c2, das Elektron 511 keV/c2, das Elektron-Neutrino weniger als 1,1 eV/c2).
Um die zur Erzeugung benötigte Schwerpunktsenergie aufzubringen, werden große Teilchenbeschleuniger verwendet. Wegen seiner kurzen Lebensdauer von zirka 10−22 s zerfällt das Higgs-Boson praktisch am Ort des Entstehens in andere Elementarteilchen, bevorzugt in die mit der größtmöglichen Masse. In den Experimenten werden diese Zerfallsprodukte und ihre Eigenschaften gemessen und die Messwerte verglichen mit Computersimulationen des Experiments ohne und mit Higgs-Boson.
Insbesondere durchsucht man die in Frage kommenden Kombinationen von Zerfallsprodukten daraufhin, ob eine bestimmte invariante Masse mit größerer Häufigkeit auftritt, als aufgrund bekannter anderer Reaktionen zu erwarten wäre.
Da auch statistische Schwankungen ein solches Signal vortäuschen können, wird von der Entdeckung eines neuen Teilchens ganz allgemein erst dann gesprochen, wenn im Vergleich dazu ein Zufall im Mittel 3,5 Millionen oder mehr Versuche bräuchte, um (zufälligerweise!) ein derart signifikantes Ereignis zustande zu bringen (man spricht von einer Signifikanz von mindestens 5 σ).Beitrag von David Spiegelhalter zum Zahlenwert 1 : 3,5 Mio. als Reaktion auf eine falsche Darstellung in einem Nature-Artikel zur Higgs-Teilchen-Suche. Die enorm große Zahl 3,5 Millionen ist der Kehrwert der weiter unten genannten sehr kleinen Zahl p; 5,0 σ entspricht p=2,8 × 10−7. Das entspricht etwa der Häufigkeit, beim 22-maligen Werfen einer fairen zweiseitigen Münze 22-mal „Zahl“ zu erhalten.
Higgs-Boson und die Ursache von Masse In vereinfachten Darstellungen wird häufig das Higgs-Boson pauschal als Ursache von Masse dargestellt. Dies ist aus mehreren Gründen falsch bzw. unpräzise: Zum einen ist es das Higgs-Feld, das überall mit gleicher Stärke vorhanden ist und mit den Elementarteilchen des Standardmodells eine Wechselwirkung hat, durch die sie sich so verhalten, als hätten sie eine bestimmte, unveränderliche Masse; ausgenommen sind die Photonen und Gluonen, weil sie keine Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld haben. Weiter wird die Masse des Higgs-Bosons selbst nicht erst aus einer Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld erklärt, sondern im Standardmodell als eine Voraussetzung angenommen, um den Higgs-Mechanismus überhaupt erst zu ermöglichen. Die durch das Higgs-Feld entstandenen Massenwerte der Teilchen tragen nur ca. 1 % zur wägbaren Masse der gewöhnlichen Materie bei, denn diese beruht nach der Äquivalenz von Masse und Energie auch auf sämtlichen Wechselwirkungen ihrer Bestandteile. Daher gehen über 99 % der wägbaren Masse der gewöhnlichen Materie allein aus der starken Bindung zwischen den Quarks in den Nukleonen der Atomkerne hervor. Im Feld dieser starken Wechselwirkung treten kurzzeitig virtuelle Quark-Antiquark-Paare auf, die als Seequarks bezeichnet werden und maßgeblich zur gesamten Masse der Protonen und Neutronen beitragen.The Asymmetry of Antimatter in the Proton, Nature, 24. Februar 2021Photonen, Gluonen, W- und Z-Bosonen: Von den Kräften, die die Welt zusammenhalten, Marc Wagner, Goethe-Universität Frankfurt, 3. Juni 2020, ab Zeitpunkt 1:08:36 Die durch das Higgs-Feld erzeugten Massen der Quarks und der Elektronen tragen nur das restliche ca. 1 % bei.
Geschichte Entwicklung der Theorie mini|hochkant|Peter Higgs (2009) 1964 entwickelten Peter Higgs und zwei Forscherteams – einerseits François Englert und Robert Brout, andererseits Gerald Guralnik, Carl R. Hagen und T. W. B. Kibble – unabhängig voneinander und ungefähr gleichzeitig denselben formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Elementarteilchen in Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem „Higgs-Feld“) massiv werden. Obwohl alle drei Arbeiten hintereinander in ein und derselben Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen, wobei Englert und Brout ihr Manuskript etwas eher eingereicht hatten, sodass ihre Veröffentlichung vor denjenigen der anderen Autoren platziert wurde, benannte man das Feld und sein Teilchen (das Feldquant) allein nach Higgs. Er war der einzige, der explizit von einem neuen Teilchen gesprochen hatte.
Der Higgs-Mechanismus wurde ursprünglich in Analogie zur Festkörperphysik entwickelt und dabei nur für abelsche Eichtheorien formuliert.Bei den sogenannten abelschen Gruppen wird angenommen, dass es – wie bei der Multiplikation zweier reeller Zahlen – bei der Hintereinanderausführung zweier Gruppenelemente a bzw. b nicht auf die Reihenfolge ankommt, Für nichtabelsche Gruppen trifft dies nicht zu. Nachdem er 1967 von T. W. B. Kibble auf nichtabelsche Eichtheorien (Yang-Mills-Theorien) übertragen worden war, konnte der Mechanismus auf die schwache Wechselwirkung angewendet werden. Das führte zur Vorhersage der – experimentell 1983 bestätigten – großen Masse der für die schwache Wechselwirkung verantwortlichen W- und Z-Bosonen.
In zwei unabhängigen Arbeiten wandten Steven Weinberg 1967 und Abdus Salam 1968 den Higgs-Mechanismus auf die elektroschwache Theorie von Sheldon Lee Glashow an und schufen damit das Standardmodell der Teilchenphysik, wofür alle drei 1979 den Nobelpreis für Physik erhielten.
Die in populären Darstellungen,Higgs-Boson: Hoffen auf das Gottesteilchen. Bei: Spiegel online. 7. Dezember 2011.Teilchenbeschleuniger LHC: Warum nennt man das Higgs-Boson auch »Gottesteilchen«? Bei: Zeit online. 7. April 2010. Seite 2/2 in Im Trommelfeuer der Urknälle. aber nur selten in der seriösen Wissenschaft verwendete Bezeichnung „Gottesteilchen“ stammt von dem Verlag, in dem der Nobelpreisträger Leon Max LedermanThe God Particle. (PDF). S. 2. sein Buch The goddamn particle („Das gottverdammte Teilchen“) veröffentlichen wollte. Der Verleger zwang ihn, den Titel in The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? („Das Gottesteilchen: Wenn das Universum die Antwort ist, was ist die Frage?“) abzuändern.
Peter Higgs selbst lehnte den Ausdruck Gottesteilchen ab, da er religiöse Menschen verletzen könne.Interview: The man behind the ‘God particle’. In: New Scientist. 13. September 2008, S. 44–45.
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