Higgs-Boson
Das Higgs-Boson (oder Higgs-Teilchen) ist ein Teilchen im Standardmodell der Physik. In den 1960er Jahren war Peter Higgs der erste Mensch, der die Existenz dieses Teilchens vermutete. Am 14. März 2013 bestätigten Wissenschaftler am CERN vorläufig, dass sie ein Higgs-Teilchen gefunden hatten.
Das Higgs-Teilchen ist eines der 17 Teilchen im Standardmodell, dem Modell der Physik, das alle bekannten Grundteilchen beschreibt. Das Higgs-Teilchen ist ein Boson. Man geht davon aus, dass Bosonen Teilchen sind, die für alle physikalischen Kräfte verantwortlich sind. Andere bekannte Bosonen sind das Photon, die W- und Z-Bosonen und das Gluon. Die Wissenschaftler wissen noch nicht, wie sie die Gravitation mit dem Standardmodell kombinieren können.
Das Higgs-Feld ist ein fundamentaler Bereich von entscheidender Bedeutung für die Theorie der Teilchenphysik. Im Gegensatz zu anderen bekannten Feldern, wie dem elektromagnetischen Feld, nimmt das Higgs-Feld fast überall den gleichen Nicht-Null-Wert an. Die Frage nach der Existenz des Higgs-Feldes war der letzte nicht verifizierte Teil des Standardmodells der Teilchenphysik und nach Ansicht einiger war es "das zentrale Problem der Teilchenphysik".
Es ist schwierig, das Higgs-Boson nachzuweisen. Das Higgs-Boson ist im Vergleich zu anderen Teilchen sehr massiv, so dass es nicht sehr lange überdauert. Normalerweise gibt es hier keine Higgs-Bosonen, weil es so viel Energie benötigt, um eines herzustellen. Der Large Hadron Collider am CERN wurde vor allem aus diesem Grund gebaut. Er beschleunigt zwei Teilchenpakete fast auf Lichtgeschwindigkeit (in entgegengesetzter Richtung), bevor er sie auf eine Bahn bringt, auf der sie miteinander kollidieren.
Jede Kollision erzeugt ein Schauer von neuen Teilchen, die von Detektoren um den Kollisionspunkt herum detektiert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Higgs-Boson auftritt und entdeckt wird, ist immer noch sehr gering (eins zu 10 Milliarden). Um die wenigen Kollisionen mit Beweisen für das Higgs-Boson zu finden, zerschlägt der LHC Billionen von Teilchen, und Supercomputer durchforsten eine riesige Datenmenge.
Higgs-Bosonen gehorchen dem Energieerhaltungsgesetz, das besagt, dass keine Energie erzeugt oder zerstört wird, sondern stattdessen übertragen werden oder ihre Form verändern kann. Zunächst beginnt die Energie in dem Eichboson, das mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung tritt. Diese Energie liegt in Form von kinetischer Energie als Bewegung vor. Nachdem das Eichboson mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung getreten ist, verlangsamt es sich. Diese Verlangsamung reduziert die Menge der kinetischen Energie im Eichboson. Diese Energie wird jedoch nicht zerstört. Stattdessen geht die Energie aus der Bewegung in das Feld ein und wird in Massenenergie umgewandelt, d.h. in die in der Masse gespeicherte Energie. Die erzeugte Masse kann zu dem werden, was wir ein Higgs-Boson nennen. Die Menge der erzeugten Masse stammt aus Einsteins berühmter Gleichung E=mc2, die besagt, dass Masse gleich einer großen Energiemenge ist (z.B. entspricht 1 kg Masse fast 90 Billiarden Joule Energie - die gleiche Energiemenge, die die ganze Welt in etwa eineinviertel Stunden im Jahr 2008 verbraucht hat). Da die durch das Higgs-Feld erzeugte Masse-Energiemenge gleich der Menge an kinetischer Energie ist, die das Eichboson beim Abbremsen verloren hat, wird Energie gespart.
Higgs-Bosonen werden in einer Vielzahl von Science-Fiction-Geschichten verwendet. Der Physiker Leon Lederman nannte es 1993 das "Gottesteilchen".
Ein computergeneriertes Bild einer Higgs-Interaktion
Entdeckung
Am 12. Dezember 2011 gaben die beiden Teams am Large Hadron Collider auf der Suche nach dem Higgs-Boson, ATLAS und CMS, bekannt, dass sie endlich Ergebnisse gesehen hätten, die auf die Existenz des Higgs-Bosons hindeuten könnten; sie wussten jedoch nicht mit Sicherheit, ob dies wahr ist.
Am 4. Juli 2012 erklärten die Teams am Large Hadron Collider, dass sie ein Teilchen entdeckt hätten, das ihrer Meinung nach das Higgs-Boson ist.
Am 14. März 2013 hatten die Teams noch viel mehr Tests durchgeführt und verkündet, dass sie das neue Teilchen nun für ein Higgs-Boson halten.
Fragen und Antworten
F: Was ist das Higgs-Boson?
A: Das Higgs-Boson ist ein Teilchen aus dem Standardmodell der Physik. Es wurde erstmals von Peter Higgs in den 1960er Jahren vorgeschlagen und am 14. März 2013 von Wissenschaftlern am CERN bestätigt. Es ist eines von 17 Teilchen im Standardmodell und ein Boson, von dem man annimmt, dass es für die physikalischen Kräfte verantwortlich ist.
F: Wie funktioniert das Higgs-Feld?
A: Das Higgs-Feld ist ein fundamentales Feld, das fast überall einen Wert ungleich Null annimmt. Es war der letzte nicht verifizierte Teil des Standardmodells und seine Existenz wurde als "das zentrale Problem der Teilchenphysik" angesehen. Wenn Eichbosonen mit ihm wechselwirken, werden sie langsamer und ihre kinetische Energie wird in Masse-Energie umgewandelt, die zu dem wird, was wir ein Higgs-Boson nennen. Dieser Prozess gehorcht dem Energieerhaltungssatz, der besagt, dass keine Energie erzeugt oder vernichtet wird, sondern nur übertragen werden oder die Form ändern kann.
F: Warum ist es schwierig, das Higgs-Boson nachzuweisen?
A: Das Higgs-Boson hat im Vergleich zu anderen Teilchen eine sehr große Masse, so dass es nicht sehr lange existiert. Es ist normalerweise nicht in der Nähe, weil es so viel Energie braucht, um es zu erzeugen. Um es zu finden, verwenden Wissenschaftler Supercomputer, die riesige Datenmengen aus Billionen von Teilchenkollisionen am Large Hadron Collider (LHC) des CERN durchforsten. Selbst dann besteht nur eine geringe Chance (eins zu 10 Milliarden), dass Beweise für ein Higgs auftauchen und entdeckt werden.
F: Welche anderen bekannten Bosonen gibt es?
A: Zu den anderen bekannten Bosonen gehören Photonen, W- und Z-Bosonen und Gluonen.
F: Wie hängt Einsteins Gleichung E=mc2 mit der Erzeugung von Masse-Energie aus kinetischer Energie zusammen?
A: Einsteins berühmte Gleichung besagt, dass Masse einer extrem großen Menge an Energie entspricht (zum Beispiel 1 kg = 90 Billiarden Joule). Wenn sich die kinetische Energie von Eichbosonen, die mit dem Higgs-Feld wechselwirken, verlangsamt, geht dieselbe Menge an kinetischer Energie in die Erzeugung von Masseenergie über, die zu dem wird, was wir als Higgs-Boson bezeichnen - so bleibt die Gesamtenergie gemäß den Erhaltungsgesetzen erhalten.
F: Welche Rolle spielen Science-Fiction-Geschichten für das Verständnis der Funktionsweise von Higgs-Bosonen?
A: In Science-Fiction-Geschichten sind Higgsbosonen oft Teil der Handlung, aber diese Geschichten liefern nicht unbedingt genaue wissenschaftliche Informationen darüber, wie sie funktionieren - sie dienen eher der Unterhaltung als allem anderen!
