Higgs-TeilchenUnd alle Fragen offen

Wahrscheinlich haben Physiker das Higgs-Teilchen entdeckt. Es vervollständigt eine alte Theorie – und bringt gleichzeitig der Teilchenphysik viel Ungewissheit. von 

Die größte Maschine aller Zeiten hat ein uraltes Rätsel gelöst. Galileo Galilei scheiterte daran, als er die Bahnen der Planeten beschrieb. Ebenso erging es Isaac Newton, als er die Gesetze der Schwerkraft formulierte. Albert Einstein erkannte das Problem – und umschiffte es elegant in seiner Relativitätstheorie. Es geht um die Antwort auf eine einfache Frage: Warum bleibt ein Teller auf einem Tisch stehen, wenn man blitzschnell das Tischtuch darunter wegzieht?

Im Physikunterricht lernen Schüler, dass die Trägheit der Masse den Teller stehen lässt. Die Masse, das erfahren Physikstudenten, stammt hauptsächlich von der enormen Bindungsenergie zwischen Quarks, den Bausteinen der Atomkerne. Über den Ursprung des letzten Prozents der Trägheit aber – der sogenannten Ruhemasse der Quarks – konnten ihre Professoren bis vor einer Woche nur spekulieren. Doch nun haben sie eine Antwort: Das Higgs-Feld ist wahrscheinlich verantwortlich. Es verleiht den Quarks (und auch den viel leichteren Elektronen) Masse. Da wir, wie alle irdische Materie, hauptsächlich aus Quarks und Elektronen bestehen, sind wir eingebunden in das universale Higgs-Feld.

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Der Large Hadron Collider (LHC) am Genfer Kernforschungszentrum Cern hat das zum Feld gehörende Elementarteilchen, das Higgs-Boson, wahrscheinlich aufgespürt. Es ist der vorläufige Höhepunkt des ambitioniertesten Experiments der Wissenschaftsgeschichte. Aber eines ist der Sensationsfund nicht: eine Überraschung. Bereits 1964 hatten drei Forscherteams unabhängig voneinander den Quell der Trägheit vorhergesagt. Jetzt wurde ihre Vorhersage bestätigt. Schon in der Nacht vor der Verkündung am 4. Juli kampierten junge Physiker in Genf vor dem Seminarraum. Als am nächsten Morgen Beweise für ein neues Teilchen präsentiert wurden, verwandelte sich der Hörsaal kurzzeitig in eine Fanmeile der Physik. Ein grauhaariger Herr reckte die Faust in die Luft. Der Namenspate des Teilchens, der mittlerweile 83-jährige Peter Higgs, kämpfte mit den Tränen.

Mit der Existenz des Higgs-Teilchens ist bewiesen, dass ein unsichtbares Energiefeld jeden Flecken des Universums durchzieht. Eine Art moderner Äther, an dem sich Elementarteilchen reiben und so ihre Schwere erhalten. Das Higgs-Feld macht Elementarteilchen träge. Es ist wie hüfthohes Wasser, das die Bewegung der Beine bremst.

Wie ein moderner Äther durchzieht ein unsichtbares Energiefeld das Weltall

Für Physiker wird ein Traum wahr. Ihr mikroskopisches Modell, mit dem sie seit vier Jahrzehnten das Innerste der Natur erklären, beschreibt tatsächlich die Wirklichkeit. Das »Standardmodell« der Teilchenphysik charakterisiert die elementaren Bausteine des Kosmos sowie die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Dieses Regelwerk kann genau erklären, warum der Atomkern des Eisens sehr stabil ist, während der Kern des Plutoniums zerfällt.

Als der größte Triumph der Teilchenphysiker gilt jedoch, dass ihre Formeln nicht nur den Mikrokosmos beschreiben, sondern bis in die Tiefen des Weltraums reichen. Sogar die Geburtswehen des Kosmos lassen sich damit erfassen. Im ersten Augenblick allen Seins kochte das Weltall noch Quadrillionen Mal heißer als das Innere der Sonne. Physiker glauben, dass diese Ursuppe für den winzigen Bruchteil einer Sekunde nur eine Urkraft beherrschte, aus der dann die vier uns bekannten Grundkräfte hervorgingen: Schwerkraft, Elektromagnetismus, starke Kernkraft (die Atomkerne zusammenhält) und schwache Kernkraft (die Atomkerne zerfallen lässt). Das Fundament des Standardmodells entstand 1967. Unter anderem der Amerikaner Steven Weinberg konnte zeigen, dass zwei der vier Grundkräfte kurz nach dem Urknall vermutlich tatsächlich verschmolzen waren: die elektromagnetische und die schwache Kernkraft (man nennt sie die »elektroschwache Kraft«).

Aber Weinberg musste ein zusätzliches Element in seine Formeln zwängen, weil er nur so manchen Teilchen seiner Theorie Masse geben konnte. »Der Higgs-Mechanismus erschien als die einzige Möglichkeit, die Theorie zu retten«, sagt Peter Mättig, Cern-Physiker von der Universität Wuppertal.

Doch erst mit großtechnischer Aufrüstung ließen sich die Vorhersagen der elektroschwachen Theorie experimentell überprüfen. Der Nachweis der Kräfte gelingt indirekt, indem das dazugehörige Elementarteilchen nachgewiesen wird. Das Teilchen der elektroschwachen Kraft musste jedoch sehr schwer sein. Je massereicher aber die Elementarteilchen sind, die man mit einem Beschleuniger sichtbar machen möchte, desto größer muss die Nachweismaschine ausfallen. Ohne die kulturelle Faszination der Amerikaner für das Große hätte man wohl kaum immer größere Wissenschaftseinrichtungen dieser Art gebaut, schrieb einst der Wissenschaftshistoriker Peter Galison von der Harvard University. Während sie in der Nachkriegszeit noch in eine Halle passten, nahmen sie bald ganze Landstriche in Beschlag.

Leserkommentare
  1. Wie sie schon richtig anmerken verleiht das Higgs Feld lediglich den bekannten Elementarteilchen ihre Ruhemasse. Es ist aber nicht für sämtliche Masse des Universums und noch nicht einmal für sämtliche gewöhnliche Masse verantwortlich, da diese ja zum größten Teil aus Bindungsenergie besteht, wie sie ebenfalls richtig anmerken. Somit ist der Ursprung der Massenträgheit zum größten Teil eben immer noch unbekannt. Weiterhin ist auch nicht bekannt, wie die Massenträgheit mit der schweren Masse zusammenhängt oder was dem Higgs Teilchen selbst oder auch den Teilchen der dunklen Materie (die immerhin fast 70% der Materie des Universums ausmacht) ihre Masse verleiht.
    Des Weiteren kann das Standardmodell auch nicht beantworten, warum es genau drei Teilchengenerationen von Leptonen, Neutrinos und Quarks gibt oder warum diese Teilchen genau diese Massen annehmen. Es gibt da noch viel zu erforschen und dass das Standardmodell nicht der Weisheit letzter Schluss sein kann ist auch schon seit langem bekannt. Natürlich ist es immer eine Prioritätsentscheidung, ob man noch mehr Geld für Teilchenbeschleuniger ausgeben will. Immerhin liefern sie wichtige Erkenntnisse über den Ursprung des Kosmos, bringen die Technologie und die internationale Zusammenarbeit voran. Demgegenüber wird schon für Maßnahmen wie z.B. die Abwrackprämie, die möglicherweise überhaupt nichts bringen relativ viel Geld verpulvert.

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