Higgs-Mechanismus
Das Higgs-Feld ist ein Energiefeld, von dem man annimmt, dass es in jeder Region des Universums existiert. Begleitet wird das Feld von einem fundamentalen Teilchen, dem so genannten Higgs-Boson, mit dem das Feld in ständiger Wechselwirkung mit anderen Teilchen wie etwa dem Elektron steht. Teilchen, die mit dem Feld wechselwirken, haben eine "gegebene" Masse und werden, ähnlich wie ein Objekt, das durch einen Melassesirup (oder Melasse) hindurchgeht, beim Durchgang durch das Feld langsamer. Das Ergebnis eines Teilchens, das Masse aus dem Feld "gewinnt", ist die Verhinderung seiner Fähigkeit, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen.
Die Masse selbst wird nicht durch das Higgs-Feld erzeugt; der Akt, Materie oder Energie aus dem Nichts zu erzeugen, würde gegen die Erhaltungssätze verstoßen. Die Masse wird jedoch von den Teilchen über ihre Higgs-Feldwechselwirkungen mit dem Higgs-Boson gewonnen. Higgs-Bosonen enthalten die relative Masse in Form von Energie, und sobald das Feld ein ehemals massenloses Teilchen beschenkt hat, wird das betreffende Teilchen langsamer, da es nun "schwer" geworden ist.
Wenn es das Higgs-Feld nicht gäbe, hätten die Teilchen nicht die erforderliche Masse, um sich gegenseitig anzuziehen, und würden mit Lichtgeschwindigkeit frei herumschweben. Auch die Gravitation würde nicht existieren, weil die Masse nicht da wäre, um andere Massen anzuziehen.
Die Verleihung von Masse an ein Objekt wird als Higgs-Effekt bezeichnet. Dieser Effekt überträgt Masse oder Energie auf jedes Teilchen, das durch ihn hindurchgeht. Licht, das es durchquert, gewinnt Energie, nicht Masse, weil seine Wellenform keine Masse hat, während seine Teilchenform sich ständig mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.
Ein computergeneriertes Bild einer Higgs-Interaktion
Der Higgs-Effekt
Der Higgs-Effekt wurde erstmals 1968 von Autoren der PRL-Symmetrie brechenden Papiere theoretisiert. Im Jahr 1964 verfassten drei Teams wissenschaftliche Arbeiten, die verwandte, aber unterschiedliche Ansätze zur Erklärung der Entstehung von Masse in lokalen Eichtheorien vorschlugen.
Im Jahr 2013 wurde das Higgs-Boson, und implizit der Higgs-Effekt, am Large Hadron Collider versuchsweise nachgewiesen (und das Higgs-Boson wurde am 4. Juli 2012 entdeckt). Der Effekt wurde als Entdeckung eines fehlenden Teils des Standardmodells angesehen.
Nach der Eichtheorie (der Theorie, die dem Standardmodell zugrunde liegt) sollten alle krafttragenden Teilchen masselos sein. Die Kraftteilchen, die die schwache Kraft vermitteln, haben jedoch Masse. Dies ist auf den Higgs-Effekt zurückzuführen, der die SU(2)-Symmetrie bricht; (SU steht für Special Unitary, eine Art von Matrix, und 2 bezieht sich auf die Größe der beteiligten Matrizen).
Eine Symmetrie eines Systems ist eine an einem System vorgenommene Operation, wie Rotation oder Verschiebung, die das System im Wesentlichen unverändert lässt. Eine Symmetrie stellt auch eine Regel dafür auf, wie sich etwas immer verhalten sollte, wenn es nicht von einer äußeren Kraft beeinflusst wird. Ein Beispiel ist ein Zauberwürfel. Wenn wir einen Zauberwürfel nehmen und ihn mit beliebigen Zügen verschlüsseln, ist es immer noch möglich, ihn zu lösen. Da jeder Zug, den wir machen, immer noch den Zauberwürfel lösbar macht, können wir sagen, dass diese Züge "Symmetrien" des Zauberwürfels sind. Zusammen bilden sie das, was wir die Symmetriegruppe des Zauberwürfels nennen. Wenn Sie eine dieser Züge machen, ändert sich das Rätsel nicht, es bleibt immer lösbar. Aber wir können diese Symmetrie brechen, indem wir den Würfel auseinandernehmen und auf eine völlig falsche Art und Weise wieder zusammensetzen. Ganz gleich, welche Züge wir jetzt versuchen, es ist nicht möglich, den Würfel zu lösen. Den Würfel auseinander zu nehmen und auf die falsche Art und Weise wieder zusammenzusetzen, ist die "äußere Kraft": Ohne diese äußere Kraft macht nichts, was wir mit dem Würfel tun, ihn unlösbar. Die Symmetrie des Zauberwürfels besteht darin, dass er lösbar bleibt, egal welche Bewegungen wir machen, solange wir den Würfel nicht auseinandernehmen.
Erzeugung des Higgs-Bosons
Die Art und Weise, wie die SU(2)-Symmetrie gebrochen wird, wird als "spontanes Brechen der Symmetrie" bezeichnet. Spontan bedeutet zufällig oder unerwartet, Symmetrien sind die Regeln, die geändert werden, und "Brechen" bezieht sich auf die Tatsache, dass die Symmetrien nicht mehr die gleichen sind. Das Ergebnis eines spontanen Symmetriebruchs der SU(2)-Symmetrie kann ein Higgs-Boson sein.
Grund für Higgs-Effekt
Der Higgs-Effekt tritt auf, weil die Natur zum niedrigsten Energiezustand "neigt". Der Higgs-Effekt tritt auf, weil Eichbosonen in der Nähe eines Higgs-Feldes in ihren niedrigsten Energiezuständen sein wollen, und dies würde mindestens eine Symmetrie brechen.
Um zu rechtfertigen, dass einem vermeintlich massenlosen Teilchen Masse verliehen wurde, waren die Wissenschaftler gezwungen, etwas Ungewöhnliches zu tun. Sie gingen davon aus, dass Vakua (leerer Raum) tatsächlich Energie besitzen, und auf diese Weise würde, wenn ein Teilchen, das wir für masselos halten, in das Vakuum eindringen würde, die Energie aus dem Vakuum in das Teilchen übertragen und ihm Masse verleihen. Ein Mathematiker namens Jeffrey Goldstone bewies, dass, wenn man eine Symmetrie verletzt (eine Symmetrie mit einem Zauberwürfel wäre zum Beispiel, wenn man feststellt, dass die Ecken immer 0 oder 3 Mal gedreht werden müssen, um lösbar zu sein (es funktioniert)), eine Reaktion auftritt. Im Falle des Zauberwürfels wird der Würfel unlösbar, wenn er verletzt wird. Im Falle des Higgs-Feldes entsteht etwas, das nach Jeffrey Goldstone (und einem anderen Wissenschaftler, der mit ihm arbeitete, namens Yoichiro Nambu) benannt ist, ein Nambu-Goldstone-Boson. Dabei handelt es sich um eine erregte oder energetische Form des Vakuums, die man sich vorstellen kann und die das oben gezeigte zeigt. Dies wurde zuerst von Peter Higgs erklärt.
Das so genannte "mexikanische Hut-Potenzial".
Fragen und Antworten
F: Was ist das Higgs-Feld?
A: Das Higgs-Feld ist ein Energiefeld, von dem man annimmt, dass es in jeder Region des Universums existiert.
F: Welches ist das fundamentale Teilchen, das mit dem Higgs-Feld verbunden ist?
A: Das fundamentale Teilchen, das mit dem Higgs-Feld in Verbindung gebracht wird, ist das Higgs-Boson.
F: Was geschieht, wenn Teilchen mit dem Higgs-Feld wechselwirken?
A: Teilchen, die mit dem Higgs-Feld wechselwirken, erhalten eine Masse und werden langsamer, wenn sie das Feld durchqueren.
F: Erzeugt das Higgs-Feld Masse?
A: Nein, das Higgs-Feld erzeugt keine Masse. Die Teilchen erhalten ihre Masse durch ihre Wechselwirkung mit dem Higgs-Boson.
F: Was ist das Ergebnis, wenn ein Teilchen durch das Higgs-Feld Masse gewinnt?
A: Wenn ein Teilchen durch das Higgs-Feld an Masse gewinnt, wird es daran gehindert, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen.
F: Was würde passieren, wenn es das Higgs-Feld nicht gäbe?
A: Wenn es das Higgs-Feld nicht gäbe, hätten die Teilchen nicht die nötige Masse, um sich gegenseitig anzuziehen und würden frei mit Lichtgeschwindigkeit umherschweben.
F: Was ist der Higgs-Effekt?
A: Der Higgs-Effekt bezeichnet den Prozess, bei dem einem Objekt Masse verliehen wird. Er tritt auf, wenn Teilchen das Higgs-Feld durchqueren und mit dem Higgs-Boson wechselwirken.
