Happy Birthday, Higgs-Boson!

Nach­dem die­ses Jahr schon der Stern-Ger­lach-Ver­such sei­nen 100. Geburts­tag fei­ern durf­te, wird heu­te, am 4. Juli 2022, das Higgs-Boson 10 Jah­re alt – Hap­py Bir­th­day!
Das gilt natür­lich nur, wenn ein Teil­chen sei­nen Geburts­tag dann fei­ert, wenn zum ers­ten Mal offi­zi­ell sei­ne Ent­de­ckung bekannt gege­ben wird. Das haben näm­lich am 4. Juli 2012 zwei Expe­ri­men­te am Lar­ge Hadron Col­li­der (LHC) am CERN getan.

Die Ele­men­tar­teil­chen im Stan­dard­mo­dell der Teil­chen­phy­sik. Ohne das Higgs-Feld und das zuge­hö­ri­ge Higgs-Boson wären alle Ele­men­tar­teil­chen mas­se­los.
(Quel­le: Wikipedia)

Der Mecha­nis­mus hin­ter dem Higgs-Boson wur­de in den 1960er Jah­ren unab­hän­gig von­ein­an­der von eini­gen Theo­re­ti­kern pos­tu­liert, um den ursprüng­lich mas­se­lo­sen Ele­men­tar­teil­chen eine Mas­se zu geben. Dabei wech­sel­wir­ken die Ele­men­tar­teil­chen mit dem Higgs-Feld, des­sen Quan­ten „Higgs-Teil­chen“ genannt wer­den. Oft wird für die­se Wech­sel­wir­kung fol­gen­de Ana­lo­gie verwendet:

Auf einer Par­ty ste­hen vie­le Gäs­te in einem Raum. Wenn eine berühm­te Per­son den Raum betritt, drän­gen sich vie­le Leu­te um die­se Per­son. Für sie wird es sehr viel schwe­rer, sich zu bewe­gen, als für eine weni­ger bekann­te Per­son, die von der Men­schen­men­ge kaum bemerkt wird. Auf eine ähn­li­che Wei­se kann das Higgs-Feld zu bestimm­ten Teil­chen stär­ker hin­ge­zo­gen wer­den als zu ande­ren und ihnen so (unter­schied­li­che) Mas­sen geben.

Quantenfelder und Elementarteilchen

In der Teil­chen­phy­sik las­sen sich vie­le Phä­no­me­ne sehr genau durch soge­nann­te Quan­ten­fel­der beschrei­ben. Die­se Fel­der fül­len den gesam­ten Raum und sind im Prin­zip immer da – im Bild oben die Par­ty­gäs­te. In man­chen Fäl­len wer­den aller­dings ihre Effek­te deut­li­cher als in ande­ren, etwa dann, wenn ihre Feld­stär­ke an ein­zel­nen Orten zunimmt. Das kann zum Bei­spiel durch die Wech­sel­wir­kung mit ande­ren Quan­ten­fel­dern pas­sie­ren. Quan­ti­sier­te Anre­gun­gen eines Quan­ten­fel­des wer­den als Teil­chen inter­pre­tiert, die sich zum Bei­spiel an einem bestimm­ten Ort auf­hal­ten kön­nen – wie unser Pro­mi in der Analogie.

Der expe­ri­men­tel­le Nach­weis, dass es das Higgs-Boson (und damit auch das zugrun­de lie­gen­de Higgs-Feld) wirk­lich gibt, war sehr auf­wän­dig und es hat bei­na­he 50 Jah­re gedau­ert, bis im Jahr 2012 end­lich end­gül­tig klar war: es gibt das Higgs-Feld und wir ver­ste­hen (halb­wegs), wie wir sei­ne Anre­gun­gen erzeu­gen und beob­ach­ten können.

Die Menschen dahinter

Wie bei vie­len Ent­de­ckun­gen ins­be­son­de­re in den letz­ten Jah­ren, so sind auch an der Erfor­schung des Higgs-Teil­chens unvor­stell­bar vie­le Men­schen betei­ligt gewe­sen. Zual­ler­erst natür­lich all die geschick­ten Experimentalphysiker*innen, die auch nach 50 Jah­ren nicht auf­ge­ge­ben hat­ten, das Higgs noch zu finden.

Und noch davor natür­lich eine Rei­he von Theo­re­ti­kern, die erst auf die Idee kamen, dass es das Higgs-Feld geben könn­te und was es alles kann. An ers­ter Stel­le natür­lich Peter Higgs selbst, der 1964 als ers­ter über­haupt in einer Ver­öf­fent­li­chung die Exis­tenz eines soge­nann­ten ska­la­ren Teil­chens pos­tu­liert hat, das ande­ren Ele­men­tar­teil­chen eine Mas­se geben könn­te. Im sel­ben Jahr hat­ten kurz vor­her schon Robert Brout und Fran­çois Eng­lert bereits den glei­chen Mecha­nis­mus zur Erklä­rung end­li­cher Teil­chen­mas­sen beschrie­ben. Sie hat­ten aller­dings noch nicht expli­zit von den quan­ti­sier­ten Anre­gun­gen des zugrun­de lie­gen­den Fel­des gespro­chen. Etwa gleich­zei­tig hat­ten auch Gerald Gural­nik, Richard Hagen und Tom Kib­b­le einen ähn­li­chen Mecha­nis­mus vorgeschlagen.

Fran­çois Eng­lert und Peter Higgs wur­de 2013 der Phy­sik-Nobel­preis ver­lie­hen „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“.

Häu­fig über­se­hen – und fast genau so häu­fig von Festkörperphysiker*innen erwähnt – wird, dass ein sehr ähn­li­cher Mecha­nis­mus bereits etwas frü­her im Kon­text der Supra­lei­tung von Phil­ip Ander­son vor­ge­schla­gen wur­de. Des­we­gen ver­wen­den man­che Leu­te ger­ne den Namen „Ander­son-Higgs-Mecha­nis­mus“, ins­be­son­de­re im Festkörper-Kontext.

Was für eine Überleitung…

Der Kom­men­tar zu Ander­son bringt mich her­vor­ra­gend zu dem Buch, das ich aktu­ell lese: „A Mind Over Mat­ter“ von Andrew Zang­will beschäf­tigt sich mit dem Leben von Phil Ander­son und „the Phy­sics of the Very Many“. Noch bin ich zwar mit dem Lesen erst in Ander­sons Stu­di­en­zeit in Bos­ton, aber bis jetzt gefällt mir das Buch sehr gut. Und ehr­lich gesagt macht es auch viel Spaß, in der Bio­gra­fie eines mei­ner Phy­sik-Ido­le über die Orte zu lesen, wo ich vor ein paar Mona­ten gemüt­lich Kaf­fee auf dem Har­vard-Cam­pus getrun­ken habe 😉

Allen, die Lese­stoff zum Higgs- und ande­ren Teil­chen suchen, kann ich nur noch­mal Frank Wilc­zeks „Fun­da­men­tals“ sehr ans Herz legen. Kür­zer geht es mit einem Phy­sik Kon­kret zum Higgs-Boson oder die­sem Arti­kel dar­über, wie das Higgs der Wis­sen­schafts­kom­mu­ni­ka­ti­on gehol­fen hat. Viel­leicht hab ich euch ja neu­gie­rig gemacht und ihr möch­tet mehr erfahren 🙂

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