Higgs-Boson

Das Higgs-Boson oder Higgs-Teilchen ist ein nach dem britischen Physiker Peter 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 alle Elementarteilchen (beispielsweise das Elektron) ihre Masse erst durch die Wechselwirkung mit dem allgegenwärtigen Higgs-Feld erhalten. Für den experimentellen Nachweis des Higgs-Bosons und die Bestimmung seiner Masse sind Teilchenbeschleuniger ausreichender Energie und Luminosität nötig, weswegen der Nachweis über mehrere Jahrzehnte hinweg nicht gelang. Erst im Juli 2012 hat das Beschleunigerzentrum CERN den Nachweis eines Teilchens am Large Hadron Collider bekanntgegeben, bei dem es sich um das Higgs-Boson handeln könnte. Nachdem die Vermutung durch Analyse weiterer Daten bekräftigt werden konnte, gilt die experimentelle Bestätigung als so weit fortgeschritten, dass François Englert und Peter Higgs für die theoretische Entwicklung des Higgs-Mechanismus der Nobelpreis für Physik 2013 zuerkannt wurde. Die international koordinierte Auswertung der entstehenden Messdaten wird sich noch über Jahre hinaus um das ganze Bild weiter zu testen und gegebenenfalls zu verfeinern.

Higgs-Teilchen im Standardmodell

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 sogenannte zweite Quantisierung wird in der Physik der anschauliche Gegensatz zwischen Teilchen und Wellen aufgehoben, ein Teilchen wird als angeregter Zustand des entsprechenden Quantenfeldes dargestellt. Das Higgs-Boson entspricht demnach 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. Das Higgs-Boson entspricht in diesem Bild 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 soll auch der Nachweis für das zugrunde liegende Higgs-Feld erbracht werden.

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, wirklich gegeben, bei den Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung, den W- und Z-Bosonen, aber nicht. Sie haben eine verhältnismäßig große Masse, die 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 doch in allen weiteren Gleichungen genauso 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 die Masse des Higgs-Bosons selbst entzieht sich dieser Deutung, sie bleibt weiter ungeklärt.

Experimenteller Nachweis

Das Higgs-Boson hat nach den bisherigen Ergebnissen eine im Vergleich mit den meisten anderen Elementarteilchen sehr große Masse von etwa 125 GeV/c² – das entspricht etwa zwei Eisen-Atomen (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 2,2 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 mit Computersimulationen des Experiments ohne und mit Higgs-Boson verglichen. 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 der Zufall im Mittel 3,5 Millionen oder mehr Versuche brauchte, um (zufälligerweise!) ein derart signifikantes Ereignis zustande zu bringen (man spricht von einer Signifikanz von mindestens 5 σ). Das entspricht etwa der Häufigkeit, dass beim 23-maligen Werfen einer fairen zweiseitigen Münze 23-mal die gleiche Seite („Zahl“ oder „Wappen“) oben ist.

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 mit dem Higgs-Feld keine Wechselwirkung 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 zu ermöglichen. Die so entstandenen Massenwerte der übrigen Teilchen tragen aber zur wägbaren Masse der gewohnten Materie, letztlich also der Masse der Atome, nur ca. 1 Prozent bei, denn diese beruht nach der Äquivalenz von Masse und Energie auch auf sämtlichen Wechselwirkungen ihrer Bestandteile. Zu über 99 % steckt die Atommasse im Atomkern, dessen Masse wiederum zu etwa 99 % allein aus der starken Bindung zwischen den Quarks in seinen Nukleonen resultiert. Entsprechend gering ist der Beitrag der durch das Higgs-Feld erzeugten Masse der Quarks und Elektronen.

Geschichte

Entwicklung der Theorie

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.

Der Higgs-Mechanismus wurde ursprünglich in Analogie zur Festkörperphysik entwickelt und dabei nur für abelsche Eichtheorien formuliert. 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, aber nur selten in der seriösen Wissenschaft verwendete Bezeichnung „Gottesteilchen“ stammt von dem Verlag, in dem der Nobelpreisträger Leon Max Lederman 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 lehnt den Ausdruck Gottesteilchen ab, da er religiöse Menschen verletzen könne.

Experimentelle Suche

Überblick

Die obenstehenden Abbildungen zeigen in Form von Feynman-Diagrammen links zwei Mechanismen, nach denen ein Higgs-Boson am LHC produziert werden könnte. Rechts sind zwei mögliche Zerfallswege („Zerfallskanäle“) für Higgs-Bosonen dargestellt. Der Zerfall eines Higgs-Bosons in zwei Photonen führt dazu, dass in einem Beschleunigerexperiment gegenüber einem Modell ohne Higgs-Boson mehr Photonenpaare mit einer Schwerpunktsenergie oder invarianten Masse gleich der Masse des Higgs-Bosons erzeugt werden. Da das Higgs-Boson selbst nicht mit Photonen wechselwirkt, muss der Zerfall über intermediäre elektrisch geladene Teilchen (im obigen Diagramm über ein geladenes Fermion ) erfolgen. Der Zerfall eines Higgs-Bosons in vier elektrisch geladene Leptonen mittels intermediärer Z-Bosonen zählt zusammen mit dem Zerfall in zwei Photonen zu den wichtigen Entdeckungskanälen für das Higgs-Boson. Durch systematisches kombiniertes Suchen nach diesen Zerfällen konnten an zwei unabhängigen Detektoren des LHC deutliche Hinweise auf die Existenz eines entsprechenden Teilchens gefunden werden. Die lokale Signifikanz beträgt hierbei 5,9 σ, was einen Irrtum bei der Entdeckung weitestgehend ausschließt.

Resultate

Da sich viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als plausibel. Nach dem Standardmodell und Experimenten mit anderen Teilchen sollte die Masse des Higgs-Bosons, sofern es existiert, höchstens 200 GeV/c² sein. (Zum Vergleich: Proton und Neutron haben je rund 1 GeV/c².) Wäre in diesem Bereich kein Higgs-Teilchen gefunden worden, sagten einige Theorien ein Higgs-Multiplett vorher, welches auch bei höheren Energien realisiert sein könnte.

Bereits 2003 konnten Datenauswertungen am LEP am CERN 114,4 GeV/c² als Untergrenze für die Masse ermitteln.

Zusätzlich konnte bei Messungen der CDF- und D0-Experimente (2010) am Tevatron von Fermilab der Bereich 156–175 GeV/c² ausgeschlossen werden.

Im Dezember 2011 und Februar 2012 wurden vorläufige Berichte der Experimente am LHC des CERN veröffentlicht, wonach die Existenz eines Standardmodell-Higgs-Bosons in verschiedenen Massenbereichen mit hohen Konfidenzniveaus ausgeschlossen werden konnte. Hierbei wurden Daten aus 2011 von Teilchenkollisionen mit Energien von ungefähr 7 TeV ausgewertet. Gemäß diesen Resultaten liegt die Masse des Higgs-Bosons, falls es existieren sollte, im Bereich von 116 bis 130 GeV/c² (ATLAS) bzw. 115 bis 127 GeV/c² (CMS).

Dabei konnten erste Anzeichen für die Existenz des Teilchens gewonnen werden. Bei diesen Detektionen wurde eine Masse von 124 bis 126 GeV/c² mit einer lokalen Signifikanz von über 3 σ gemessen. Für die Anerkennung als wissenschaftliche Entdeckung in der Teilchenphysik sind allerdings mindestens 5 σ erforderlich. Im Juli ergab eine weitere Analyse der 2011-Daten durch ATLAS eine lokale Signifikanz von 2,9 σ bei ungefähr 126 GeV/c².

Auch die CDF- und DØ-Gruppen des inzwischen stillgelegten Tevatron lieferten im März und Juli 2012 neue Datenauswertungen, die mögliche Hinweise auf das Higgs-Boson im Bereich 115–135 GeV/c² enthielten, mit einer Signifikanz von 2,9 σ.

Am 4. Juli 2012 veröffentlichten die LHC-Experimente ATLAS und CMS Ergebnisse, wonach ein Teilchen mit einer Masse von 125–127 GeV/c² gefunden wurde. Hierbei wurden zusätzlich Daten aus 2012 von Teilchenkollisionen mit Energien von ungefähr 8 TeV ausgewertet. Die lokale Signifikanz erreichte bei beiden Experimenten 5 σ, wobei die Einbeziehung weiterer Kanäle bei CMS die statistische Signifikanz des angegebenen Wertes leicht reduzierte (4,9 σ). Die Massen des neuen Teilchens ergaben sich zu ∼126,5 GeV/c ² (ATLAS), und 125,3 ± 0,6 GeV/c² (CMS).

Am 31. Juli 2012 verbesserte ATLAS die Datenanalyse durch Einbeziehung eines weiteren Kanals und erhöhte so die Signifikanz auf 5,9 σ bei einer Masse von 126 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/c². Ebenso erhöhte CMS die Signifikanz auf 5 σ bei einer Masse von 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/c².

Um sicherzustellen, dass das gefundene Teilchen tatsächlich das Higgs-Boson des Standardmodells ist, müssen weitere Daten gewonnen und ausgewertet werden. Insbesondere muss für das gefundene Teilchen untersucht werden, mit welchen Häufigkeiten die verschiedenen möglichen Kombinationen anderer Teilchen auftreten, in die es zerfällt. Für das Higgs-Boson gilt nämlich eine spezifische Voraussage: Die Wahrscheinlichkeit, beim Zerfall ein Teilchen zu erzeugen, steigt proportional zum Quadrat der Masse des Teilchens. Im November 2012 wurden von der ATLAS- und der CMS-Kooperation Ergebnisse zu fünf verschiedenen Zerfallskanälen veröffentlicht (Zerfall in (1) zwei Gammaquanten, (2) vier Elektronen oder Myonen, (3) zwei Elektronen/Myonen und zwei Neutrinos, (4) zwei -Leptonen oder (5) zwei Bottom-Quarks). Sie widersprechen den Voraussagen des Standardmodells nicht, sind aber noch mit zu großen Unsicherheitsbereichen behaftet, als dass eine endgültige Bestätigung gefolgert werden könnte.

M. Schumacher und C. Weiser schrieben in einem Artikel einer Physik-Zeitschrift im August 2012: „Die Entdeckung eines Higgs-artigen Teilchens nach jahrzehntelangen Anstrengungen ist ein Meilenstein der Physik, unabhängig davon, ob es sich letztendlich als das Higgs-Boson des Standardmodells, das einer erweiterten Theorie oder etwas völlig Unerwartetes erweist.“

Im März 2013 stellten ATLAS und CMS neue Analysen vor, die bestätigen, dass das neue Teilchen zu den Vorhersagen für das Higgs-Boson passt, auch Messungen in den Jahren 2015 und 2016 bestätigten dies.

Higgs-Bosonen außerhalb des Standardmodells

Supersymmetrie

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):

Higgs-Bosonen im MSSM

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.

Zu diesen fünf Higgs-Bosonen werden in diesem Modell als Superpartner noch fünf weitere, sogenannte Higgsinos postuliert.

Zusammengesetzte Teilchen

Die Idee, dass das Higgs-Boson nicht elementar, sondern ein zusammengesetztes Teilchen ist, wird z. B. in Technicolor-Theorien behandelt. Hierbei wird angenommen, dass eine neue starke Wechselwirkung existiert und dass das Higgs-Boson ein Bindungszustand dieser Wechselwirkung ist. 2013 stellten dänische und belgische Wissenschaftler fest, dass die bisherigen Messungen auch mit Technicolor kompatibel seien.

Ein anderer Ansatz zur Erklärung der Teilchenmassen als Alternative zum Higgs-Mechanismus beruht auf der Annahme, auch die bisher als fundamental und punktförmig angenommenen Teilchen, Quarks und Leptonen, seien zusammengesetzt aus „Haplonen“ und ihre Masse sei das Äquivalent der Wechselwirkung zwischen den Haplonen. In diesem Bild ist auch das am CERN neu entdeckte Teilchen ein aus Haplonen zusammengesetztes Boson.

Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de

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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 24.11. 2021