Interview Matthias Schott

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Interview mit CERN-Physiker Dr. Matthias Schott

Teil 2: Über das HIGGS-Teilchen und den HIGGS-Mechanismus

Drillingsraum: Was ist das HIGGS-Teilchen?

Dr. Matthias Schott: Zunächst mal ganz theoretisch: Das Higgs-Teilchen ist ein massives, skalares Teilchen, dass vom Standard-Modell der Teilchenphysik postuliert wird. Bisher konnte es aber in keinem Experiment nachgewiesen werden.

Jetzt aber im Detail: Das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle bisherigen Experimente sehr sehr gut. Eine Grundlage der Theorie ist, dass sich alle Kräfte (auch Wechselwirkungen genannt) durch Felder beschreiben lassen. Ein Beispiel für diese Felder sind zum Beispiel elektromagnetische Felder, die ja durch die bekannten Maxwell-Gleichungen beschrieben werden. Da es sich beim Standardmodell um eine Quantentheorie handelt, quantisiert man diese Felder, d.h. man ordnet jedem Feld ein Teilchen zu. Im Falle vom elektromagnetischen Feld sind die zugehörigen Quanten die Photonen. Diese Photonen dienen als Austauschteilchen, die die Kraft zwischen zwei elektrisch geladenen Teilchen vermitteln. Ähnlich ist es nun beim Higgs-Teilchen. Die Quanten des Higgs-Feldes nennt man Higgs-Bosonen (also Higgs-Teilchen), und diese koppeln an Teilchen, die Masse haben.

Hinzuschreiben die Struktur der Gleichungen so ändert, dass sie eben nicht mehr Eichsymmetrisch sind. Damit verliert die gesamte Theorie in gewisser Weise ihre Grundlage und man kann die Theorie nicht mehr nutzen um Vorhersagen zu treffen. Also brauchte man eine andere Methode um den Teilchen im Standardmodell Masse zu geben, und da kam Peter Higgs eben auf die Lösung mit dem Higgs-Feld. Ich weiß, das Ganze ist ziemlich abstrakt, aber Teilchenphysik ist eben abstrakt.

By the way: Die grundlegende Idee kommt glaube ich aus der Festkörperphysik.

Drillingsraum: Wie kann man ein HIGGS-Teilchen im Detektor nachweisen, wie funktioniert das genau?

Dr. Matthias Schott: Das Higgs-Teilchen selbst zerfällt im Teilchendetektor so schnell in andere Teilchen, dass man lediglich seine Zerfallsprodukte nachweisen kann. Welche Zerfallsprodukte das sind, hängt nun ganz von der Masse des Higgs-Teilchens ab, die wir ja noch nicht kennen. Nehmen wir zum Beispiel an, dass das Higgs-Teilchen mehr als doppelt so schwer ist, wie zwei Z-Bosonen, so zerfällt es meist auch in zwei Z-Bosonen.

Drillingsraum: Laut dem Physiker Peter Higgs kommt die Masse der Teilchen durch den HIGGS-Mechanismus zustande. Laut Einsteins E=mc² „entsteht“ Masse aber auch dann, wenn man den Energiegehalt eines Teilchens erhöht. Wie passen diese zwei Theorien zusammen?

Dr. Matthias Schott: Im Standardmodell ist die spezielle Relativitätstheorie integriert, es ist sogar ein fundamentaler Bestandteil. Also sind es in gewisser weise keine zwei Theorien. Nun aber zur Masse: Betrachten wir hierfür vielleicht die Masse eines Protons. Ein Proton besteht nach dem Standardmodell aus drei Quarks. Naiverweise würde man annehmen, dass die Masse der Quarks also ungefähr 1/3 der Masse des Protons beträgt. Dies ist jedoch falsch, denn die Masse der Quarks ist viel viel kleiner.

Dr. Matthias Schott: In einfach Worten kann man sich das Ganze so vorstellen: Die Higgs-Teilchen koppeln bzw. wechselwirken mit allen Elementarteilchen, die Masse haben. Diese Wechselwirkung kann man sich als eine Art Reibung vorstellen. So ist es zum Beispiel schwerer ein Objekt im Wasser zu beschleunigen als im Vakuum. Diese Reibung im Wasser kann man als eine Art Masse interpretieren, da schwerere Objekte auch schwerer zu beschleunigen sind. Das Ganze ist nur ein Bild, aber im Prinzip kann man sich vorstellen, dass die Teilchen durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld Masse bekommen.