Teilchenphysik

Das Standardmodell beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen und ist dabei eine äußerst erfolgreiche Theorie. Bisher steht kein experimenteller Befund im Widerspruch zum Standardmodell. Allerdings musste die ursprüngliche Theorie ergänzt werden. Das theoretische Gebäude des Standardmodells funktioniert nämlich nur dann, wenn Elementarteilchen beim Urknall masselos entstanden sind. Doch das blieb of­fensichtlich nicht so: Masselose Teilchen hätten keine festen Strukturen bilden können, weil sie stets mit Lichtgeschwindigkeit fliegen. Wie erhalten Teilchen also nachträglich ihre Masse?

Eine mögliche Erklärung haben Peter HIGGS (* 1929) und andere Physiker 1964 vorgeschlagen: Ihre Theorie besagt, dass kurz nach dem Urknall durch die Abkühlung im ganzen Universum das sogenannte „Higgs-Feld“ kondensierte. Mehrere Forscher hatten gleichzeitig die Idee für diese Erklärung: BROUT, ENGLERT, GURALNIK, HAGEN, HIGGS und KIBBLE. Daher gibt es verschiedene Bezeichnungen für das Higgs-Feld, z.B. "BEH-Feld" für Brout-Englert-Higgs-Feld. Peter HIGGS brachte aber die Idee in Umlauf, dass zu dem Feld auch ein neues Elementarteilchen gehören müsste - deshalb trägt das "Higgs-Teilchen" seinen Namen.

Manche Teilchen, wie beispielsweise Photonen, fliegen ungehindert durch das BEH-Feld und bewegen sich daher mit Lichtgeschwindigkeit; andere Teilchen wechselwirken mit dem BEH-Feld und bewegen sich langsamer – sie ver­halten sich, als hätten sie Masse. Warum verschiedene Materieteilchen allerdings jeweils eine bestimmte Masse tragen und nicht irgendeine an­dere, erklärt das Modell nicht. Wir spüren das Higgs-Feld nicht, weil es strukturlos und homogen ist und überall im Universum existiert – so ähnlich, wie man Luft nicht bemerkt, wenn es windstill ist. Erst wenn man in der Luft Druckwellen erzeugt, spürt man diese als Geräusch oder Wind. Analog dazu sollte das BEH-Feld „schwingen“, wenn energiereiche Teilchen hindurchfliegen. Diese Schwingungen heißen „Higgs-Teilchen“; sie sollten sich als kurzlebige Ele­mentarteilchen erzeugen und nachweisen lassen. Der Teilchenbeschleuniger LHC wurde insbesondere zu die­sem Zweck gebaut.

Das Teilchen, das 2012 am CERN nachgewiesen wur­de, hat die Eigenschaften, die das Standardmodell für das Higgs-Teilchen mit einer Masse von 126 GeV vor­hersagt: Es ist elektrisch neutral und zerfällt unter anderem in Paare von W-Teilchen, von Z-Teilchen oder Photonen. Ob alle Eigenschaften mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmen, und es vielleicht nicht ein sondern mehrere Higgs-Teilchen gibt, wird in den kommenden Jahren untersucht werden. 2013 wurde der Nobelpreis für Physik an François Englert und Peter W. Higgs vergeben "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider" Übersetzung: "für die theoretische Entdeckung eines Mechanismus, der zu unserem Verständnis der Herkunft der Masse subatomarer Teilchen beiträgt und der vor kurzem durch die Entdeckung des vorhergesagten fundamentalen Teilchens, durch die Experimente ATLAS und CMS an CERNs Large Hadron Collider, bestätigt wurde".

Weitere Informationen zum Nobelpreis für Physik 2013 finden sich hier.

CERN Animation (englisch) zum BEH-Feld

Die obigen Informationen stammen aus dem Material für Lehrkräfte des Netzwerks Teilchenwelt.