Higgs-Boson

Higgs-Boson (H)
Klassifikation
Elementarteilchen Boson
Eigenschaften
Ladung	neutral
Masse	> 114.000 MeV/c2
Spin	0
Wechselwirkung	schwach

Simulation des hypothetischen Zerfalls eines Higgs-Teilchens, CMS/CERN

Das Higgs-Boson oder Higgs-Teilchen – benannt nach dem britischen Physiker Peter Higgs – ist ein Elementarteilchen, das im Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wird und als einziges bisher noch nicht gefunden wurde (November 2011).

Nach der Vorhersage des Modells ist die träge Masse (also der Widerstand gegen Beschleunigung) keine grundlegende Eigenschaft der Elementarteilchen, sondern entsteht erst durch die Yukawa-Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld oder – im Falle der massiven Eichbosonen – durch den Higgs-Mechanismus. Die Masse zusammengesetzter Teilchen wird allerdings durch die Bindungsenergie verändert; speziell die Masse des Protons und Neutrons ist bei weitem dominiert durch die Energie des Gluonfeldes.

Im Jahr 1964 wurde das Higgs-Boson fast gleichzeitig von Peter Higgs und von François Englert und Robert Brout sowie von Tom Kibble, Carl R. Hagen und Gerald Guralnik vorhergesagt.^{[1] [2][3]} Obwohl nicht Higgs, sondern Englert und Brout ihr Manuskript etwas eher eingereicht und ihre Arbeit veröffentlicht hatten, wurde das Teilchen allein nach Higgs benannt.

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. 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 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.^[4] 1968 wandte Abdus Salam^[5] den Higgs-Kibble-Mechanismus auf die elektroschwache Theorie von Sheldon Lee Glashow^[6] und Steven Weinberg^[7] an und vollendete damit das Standardmodell der Teilchenphysik, wofür alle drei 1979 den Nobelpreis für Physik erhielten.

Die 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).

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 wahrscheinlich zwischen 117 und 153 GeV/c² (ermittelt aus Messungen der W-Boson-Masse). Zum Vergleich: Proton und Neutron haben je ca. 1 GeV/c².

Für den Fall, dass im Bereich bis 200 GeV 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.

Higgs-Teilchen im Standardmodell

Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es – bisher – die einfachste bekannte und experimentell konsistente Erklärung dafür ist, wie die Eichbosonen, die die Grundkräfte vermitteln, eine Masse haben können – denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Eichbosonen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert. Die Eichbosonen der schwachen Kraft, die W- und Z-Bosonen, haben aber sogar eine recht große Masse (≈ 80 bzw. ≈ 91 GeV/c²). 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) lauter 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 in Betrieb befindliche 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.^[8]

Auch durch den LEP am CERN sowie durch die Experimente am Fermilab^[9] konnte das Higgs-Boson nicht nachgewiesen werden. Zusammen mit den Messungen der LHC-Experimente^[10] 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 114 GeV/c² und etwa 145 GeV/c² liegen oder größer als 466 GeV/c² sein.^[10]

Beide LHC-Experimente sahen im Bereich von 130 bis 150 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.

Supersymmetrische Erweiterung

Es gibt eine Erweiterung des Standardmodells für die sog. Supersymmetrie, das minimale supersymmetrische Standardmodell (MSSM). Hier gibt es fünf  Higgs-Bosonen: Drei „neutrale“ (h, H, A) und zwei „geladene“: H⁺,  H^- (die Begriffe „neutral“ bzw. „geladen“ sind wie in der elektroschwachen Eichtheorie definiert). Von den verschiedenen Higgs-Bosonen des MSSM ist das A-Teilchen ungerade bzgl. der CP-Symmetrie, während das h- und H-Boson CP-gerade sind. Das A-Teilchen koppelt 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.^[11][12]

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..

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

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} 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.
2. ↑ ^{a b} 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.
3. ↑ ^{a b} 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.
4. ↑ T. W. B. Kibble: Symmetry breaking in non-Abelian gauge theories. In: Phys. Rev.. 155, 1967, S. 1554. doi:10.1103/PhysRev.155.1554.
5. ↑ A. Salam: Weak and electromagnetic interactions. In: Proc. Nobel Symp.. 8, 1968, S. 367–377.
6. ↑ S. L. Glashow: Partial symmetries of weak interactions. In: Nucl. Phys.. 22, 1961. doi:10.1016/0029-5582(61)90469-2.
7. ↑ S. Weinberg: A model of leptons. In: Phys. Rev. Lett.. 19, 1967. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264.
8. ↑ 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]
9. ↑ Kurt Riesselmann: Higgs territory continues to shrink. 13. März 2009.
10. ↑ ^{a b} CERN Presse-Veröffentlichung: LHC experiments present latest results at Mumbai conference 22. August 2011
11. ↑ David Eriksson: H^±W^∓ production at the LHC. High Energy Physics, Uppsala University, IKP seminar, 6. Oktober 2006 (PDF).
12. ↑ 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.

Normdaten: SWD in der DNB: 4209328-4