Nobelpreise: Higgs-Teilchen und -Mechanismus preisgekrönt
Ungewöhnlich lange ließ sich das Nobelkomitee dieses Mal Zeit, bis es die diesjährigen Physiknobelpreisträger verkündete. Und dann waren es genau jene Kandidaten, mit denen die meisten Fachleute gerechnet hatten: Peter Higgs und François Englert für die Entdeckung eines Mechanismus, der Elementarteilchen ihre Masse verleiht.
Der tatsächliche Nachweis des durch die Preisträger postulierten Higgs-Teilchens mit dem Riesenbeschleuniger LHC des CERN in Genf ist ein derart großer Triumph der Teilchenphysik, dass der Physikpreis in diesem Jahr eigentlich nur dafür vergeben werden konnte. Immerhin war das Higgs-Teilchen nicht weniger als der letzte fehlende Stein im Baukasten der Elementarteilchen. Am Ende bedeutet die Entdeckung aber noch mehr: Sie vollendet eine seit 60 Jahren entwickelte Theorie, welche die Materie und die in ihr wirkenden Kräfte beschreibt. Alle Fortschritte auf diesem Weg – mehrere davon bereits mit dem Physiknobelpreis geehrt –, basieren auf der Annahme, dass Higgs' Theorie stimmt. Hätte sie sich als falsch erwiesen, wäre das ganze schöne Gebäude eingestürzt. Erst jetzt erstrahlt das so genannte Standardmodell der Teilchenphysik in vollem Glanz.
Am Beginn dieser Geschichte steht die Symmetrie. Sie spielt in der Physik eine grundlegende Rolle, auch wenn uns die umgebende Natur bei Weitem nicht überall symmetrisch erscheint. Physiker arbeiten jedoch mit mathematischen Symmetrien, die nach anderen Regeln funktionieren als die menschliche Anschauung. "Wenn die Mathematik die Sprache der Natur ist, dann ist die Symmetrie ihre Syntax", schreibt der Teilchenphysiker am CERN Gian Franceso Giudice in seinem Buch "Reise in den Zeptoraum".
In den 1950er Jahren suchten zwei Theoretiker nach einer Möglichkeit, die damals bekannten Grundkräfte in einheitlicher Weise zu beschreiben: den zwischen elektrisch geladenen Körpern wirkenden Elektromagnetismus und die im Innern der Atome wirkende schwache Kraft. Grundlage dieser neuen Beschreibung war die Einführung von Teilchen, die die Kräfte übertragen. Demnach sorgen Lichtteilchen (Photonen) für die elektromagnetische Kraft. Für die schwache Kraft sagte die Theorie gleich drei bis dahin unbekannte Kraftpartikel voraus.
Die Symmetrie verlangte nun, dass alle vier Kraftteilchen masselos sind. Auf das Photon trifft das zu. Experimente sprachen aber eindeutig dafür, dass die Überträger der schwachen Kraft eine Masse besitzen müssen. Die Theorie konnte also nicht stimmen.
Das Higgs-Feld stört die perfekte Symmetrie
Einen Ausweg aus dieser Sackgasse zeigten schließlich die Arbeiten von Peter Higgs sowie Robert Brout und François Englert auf. Sie sagten voraus, dass das Universum von einem Feld durchzogen ist, das manchen Teilchen Masse verleiht, anderen nicht. Man kann sich das so vorstellen, als wäre der Raum mit einer Substanz erfüllt: Einige Teilchensorten werden von diesem Stoff gebremst und gewissermaßen "schwer", sie erhalten also Masse und können sich nur langsam bewegen. Je stärker sie in dem Feld abgebremst werden, desto schwerer sind sie. Andere Teilchen wie die Photonen spüren das Feld überhaupt nicht und bewegen sich darin völlig ungehindert. Sie sind masselos und immer mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs. Das später nach Higgs benannte Feld bringt also die perfekte Symmetrie in eine Schräglage, und zwar genau so, dass es die Welt der Teilchen erklärt.
Wettlauf im Jahre 1964
Die Karriere von Peter Higgs hatte alles andere als verheißungsvoll begonnen: Nachdem er 1954 am King’s College in London promovierte, bewarb er sich an mehreren Universitäten auf Dozentenstellen – erfolglos. Schließlich kam er 1960 an der Universität von Edinburgh unter. Auch die Veröffentlichung seiner bahnbrechender Idee sollte dann nicht ohne Hindernisse verlaufen. Vor allem befand er sich -ohne sein Wissen – im Wettlauf mit zwei Konkurrenten.
Ende Juni 1964 hatten Robert Brout und François Englert von der Freien Universität Brüssel bei der Zeitschrift "Physical Review Letters" eine Arbeit zum selben Thema wie Higgs eingereicht. Sie erschien am 31. August. Higgs schickte seine erste Arbeit Mitte Juli an die Zeitschrift "Physics Letters", wo sie erst Ende September erschien. Währenddessen hatte Higgs seine Theorie ausgebaut und eine zweite Veröffentlichung genau an dem Tag bei der Zeitschrift "Physics Letters" eingereicht, als die Arbeit von Brout und Englert erschien. Doch der Herausgeber der Fachzeitschrift erkannte den Wert von Higgs Theorie nicht und lehnte sie ab. Umgehend zog Higgs seine Arbeit zurück und reichte sie bei "Physical Review Letters" ein, wo schon seine erste Veröffentlichung erschienen war. Doch auch hier war ein Gutachter unzufrieden: Higgs sollte die Arbeit von Brout und Englert erwähnen, die ihm entgangen war. Er kam dieser Forderung nach. Vor allem aber wies er am Ende der nur eineinhalb Seiten langen Arbeit auf die Möglichkeit hin, dass dem Masse verleihenden Feld auch ein Teilchen zugeordnet werden müsse: das Higgs-Teilchen. Das eröffnete überhaupt erst die Möglichkeit, das nicht direkt nachweisbare Feld indirekt über dessen "Inkarnation" als Teilchen zu entdecken. Genau das gelang ein halbes Jahrhundert später mit dem LHC am CERN.
Wegen dieser Verzögerungen erschien Higgs’ zweite Arbeit erst im Oktober 1964. Zur selben Zeit diskutierte er über das Problem mit Gerald Guralnik, Carl Hagen und Tom Kibble vom Imperial College in London, die im selben Monat ihre Lösung des Masseproblems bei den Physical Review Letters einreichten, wo sie zwei Monate später erschien.
Der Begriff Higgs-Mechanismus wurde in 1970er Jahren erfunden. Sein Entdecker legte stets Wert auf die Klarstellung, dass nicht er diese Bezeichnung eingeführt hat und viel lieber alle daran beteiligten Physiker genannt sähe. Preiskomitees waren sich darin uneins. Im Jahr 2004 erhielten lediglich Englert, Brout und Higgs den angesehenen Wolf-Preis, während 2010 die Amerikanische Physikalische Gesellschaft Englert, Brout, Higgs, Guralnik, Hagen und Kibble mit dem ebenfalls renommierten Sakurai-Preis ehrte.
Da der Physiknobelpreis höchstens an drei Forscher vergeben werden kann, musste das Komitee auswählen und entschied sich für Higgs und Englert, Brout ist 2011 verstorben. Thomas Gehrmann von der Universität Zürich hält die Auswahl für berechtigt: "Englert und Brout hatten bereits eine Anwendung auf die schwache Wechselwirkung im Auge, Higgs hat zudem als Erster die Existenz eines dazu gehörigen Teilchens vorhergesagt."
Als Erste erkannten Sheldon Glashow, Steven Weinberg und Abdus Salam die volle Tragweite dieser Idee. Sie schufen eine Vereinigungstheorie für die elektromagnetische und schwache Kraft und sagten für Letztere drei mit Masse behaftete Kraftteilchen voraus, wofür sie 1979 mit dem Physiknobelpreis geehrt wurden. Vier Jahre darauf entdeckten die Arbeitsgruppen um Carlo Rubbia und Simon van der Meer am CERN die drei postulierten Teilchen, genannt W-und Z-Bosonen – und erhielten prompt ein Jahr später ebenfalls die begehrte Ehrung. Auch die nobelpreisbelohnte Theorie der kleinsten Materiebausteine, der Quarks, kommt ohne Higgs nicht aus.
Die Bedeutung des ominösen Energiefelds für das gängige physikalische Erklärungsmodell des Universum wurde enorm: Ohne Feld darf es keinerlei feste Materie geben, geschweige denn Leben; der Kosmos wäre erfüllt von lichtschnell umhersausenden Teilchen. Doch anfangs war eben alles nur Theorie, geradezu ein mathematischer Trick. Die entscheidende Frage blieb deshalb: Gibt es das Feld wirklich? Und wie könnte man es nachweisen?
Nach den Regeln der Quantenphysik sind mit einem Feld stets Teilchen verbunden. Sie existieren jedoch nicht immer. Dafür muss man das Feld erst anregen: Es schlägt dann Wellen, die wir als Teilchen beobachten. Allen Physikern war allerdings klar, dass man das Higgs-Feld sehr hart anschlagen muss. Das geht nur, indem man Teilchen mit extrem hoher Energie, sprich Geschwindigkeit, aufeinanderschießt und sie in einem Energieblitz explodieren.
Jetzt kann an Ort und Stelle ein Higgs-Teilchen entstehen – welches aber instabil ist und in weniger als einem Tausendstel einer Milliardstel einer Milliardstel Sekunde wieder zerfällt. Das ist viel zu kurz, um es nachweisen zu können, selbst mit den haushohen Detektoren des LHC. Diese registrieren aber die Zerfallsprodukte des Higgs-Teilchens, und weil die Theorie diese sehr genau vorhersagt, können die Teilchenphysiker aus den Trümmern auf das kurzzeitig ins Leben gerufene Higgs-Teilchen schließen und sogar seine Eigenschaften, etwa die Masse, bestimmen.
Dabei hatten viele Physiker anfangs daran gezweifelt, dass es technisch einmal möglich sein würde, das Higgs-Teilchen nachzuweisen. Noch 1976 warnte der berühmte Theoretiker John Ellis vom CERN in einem häufig zitierten Artikel davor, eine große experimentelle Suche überhaupt erst anzustrengen. Doch 1984 trafen sich Physiker erstmals, um über einen neuen Großbeschleuniger mit genau diesem Ziel zu diskutieren. Ein Vierteljahrhundert später begann die Suche, die nun zum Erfolg geführt hat. Damit ist das theoretische Gebäude der Elementarteilchen vollendet.
What comes next?
Die meisten Wissenschaftler sind aber davon überzeugt, dass die Physik mit dem Higgs-Feld nicht am Ende angekommen ist. Das Standardmodell der Teilchenphysik dürfte nur ein Übergangsstadium zu einer weitaus umfassenderen Theorie sein, schließlich erklärt der Higgs-Mechanismus zum Beispiel nicht die Werte der Teilchenmassen. Sie scheinen willkürlich zu sein und folgen keiner erkennbaren Regel, was in der Physik selten ist. Und nicht einmal die Masse des Higgs-Teilchens sagt die Theorie vorher. "Die Theorie erklärt alles sehr schön, aber sie wirkt in mancher Hinsicht etwas konstruiert", sagt Robert Harlander von der Universität Wuppertal, und zudem "erscheint die Masse ungewöhnlich klein", ergänzt er.
Überdies: Das Standardmodell gilt ausschließlich für die uns bekannte Materieform, aus der alle Sterne, Planeten und wir Menschen bestehen. Die macht aber nach heutiger Kenntnis nur fünf Prozent aller im Universum vorhandenen Materie aus. Fünfmal mehr beinhaltet die Dunkle Materie. "Über das Wesen dieser Substanz macht die Higgs-Theorie überhaupt keine Aussage", so Christoph Grab von der Universität Zürich. Vielleicht, so die Hoffnung der Physiker, wird man mit dem LHC, der 2015 mit verdoppelter Energie wieder anlaufen soll, auf weitere Teilchen stoßen, die den Weg zu einer neuen Physik weisen.
Lesen Sie dazu auch unser aktuelles Interview mit ATLAS-Forscher Thomas Naumann: "Das Higgs hat viele Väter".
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