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Higgs-Boson

Das Higgs-Boson oder Higgs-Teilchen ist ein hypothetisches Elementarteilchen, das im Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wird. Im Standardmodell ist die Masse der Elementarteilchen keine grundlegende Eigenschaft ihrer selbst, sondern entsteht erst durch den Higgs-Mechanismus.

Inhaltsverzeichnis

Historie

1964 entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Teilchen durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem Higgs-Feld) massiv werden. Ursprünglich im Rahmen der Festkörperphysik entwickelt und mit der Supraleitung verwandt, wurde das gleiche Prinzip auf die Elementarteilchenphysik übertragen, wo auf diese Weise nicht nur alle Quarks und Leptonen ihre Masse erhalten, sondern auch die für die schwache Wechselwirkung verantwortlichen W- und Z-Bosonen. Interessant dabei ist, dass eine ursprünglich als fundamental angesehene Eigenschaft (eben die Masse) der Teilchen sich nunmehr als "Nebeneffekt" einer Wechselwirkung darstellt. Dass Masse durch Wechselwirkung entsteht, ist dabei nicht nur auf den schon erwähnten Higgs-Mechanismus beschränkt; tatsächlich beruht der größte Teil der Masse unserer Alltagswelt nicht auf dem Higgs-Effekt, sondern auf der starken Wechselwirkung zwischen den Quarks in den Nukleonen des Atomkerns (die Masse der Quarks macht nur einen kleinen Anteil der Masse eines Atomkerns aus).

Eigenschaften

Das physikalische Higgs-Teilchen hat keine elektrische Ladung. Weil es zudem ganzzahligen Spin hat (nämlich den Wert Null), ist es ein Boson. Nach aktuellen Berechnungen (2006) liegt seine Masse wahrscheinlich zwischen 117 Gigaelektronenvolt (GeV) und 153 GeV (Fermilab 2007, ermittelt aus Messungen der W-Boson-Masse; Protonen und Neutronen haben ca. 1 GeV). Für den Fall, dass im Bereich bis 200 GeV kein Higgs-Teilchen gefunden wird, gibt es Theorien, die ein Higgs-Multiplett vorhersagen, welches auch bei höheren Energien realisiert sein könnte. Das Higgs-Feld koppelt an die anderen Teilchen, wobei die Stärke dieser sogenannten Yukawa-Kopplung proportional zur Masse des Teilchens ist. Die Wechselwirkung des Higgs-Feldes mit den ursprünglich masselosen Zuständen, die durch diese Wechselwirkung massiv werden, ist dabei Yukawa-artig (kurzreichweitig wegen der exponentiellen Abhängigkeit von der Masse).

Higgs-Teilchen im Standardmodell

Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es - bisher - die einfachste bekannte und experimentell konsistente Erklärung dafür ist, wie die Eichbosonen, die die Grundkräfte vermitteln, eine Masse haben können - denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Eichbosonen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert. Die Eichbosonen der schwachen Kraft, die W- und Z-Bosonen, haben aber sogar eine recht große Masse. Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie eigentlich masselose Eichbosonen durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung, da beide auf nur eine, grundlegende "elektroschwache" Wechselwirkung mit (ursprünglich) lauter masselosen Eichbosonen zurückgeführt werden können. Da viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung sich experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als durchaus gut abgesichert.

Allerdings konnte bisher (Stand Juni 2008) kein Higgs-Boson direkt beobachtet werden. Es ist damit das einzige Teilchen des Standardmodells, das experimentell noch nicht nachgewiesen werden konnte. Ursache ist, dass die Produktionsrate im Energiebereich bestehender Elementarteilchenbeschleuniger sehr gering ist. Der im Augenblick höchstenergetische Teilchenbeschleuniger Tevatron am Fermilab konnte das Higgs-Boson bisher nicht nachweisen, allerdings besteht noch die Hoffnung, eine Evidenz zu finden oder zumindest den erlaubten Parameterbereich signifikant einzuschränken. Auch am LEP (ebenfalls am CERN) konnte das Higgs-Boson nicht nachgewiesen werden. Daher kann die derzeitige experimentelle Untergrenze für die Masse des Higgs-Bosons mit 114,1 (2006) GeV angegeben werden. Elementarteilchenphysiker hoffen, mit dem Ende 2008 (geplant) in Betrieb gehenden LHC am CERN das Higgs-Boson herzustellen.

Higgs-Teilchen im Minimalen supersymmetrischen Standardmodell (MSSM)

In der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodels (MSSM) gibt es zwei Higgs-Dupletts und in Folge dessen fünf Higgs-Bosonen: Drei neutrale (h, H, A) und zwei geladene (H , H ). Das A-Boson ist CP-ungerade, während das h- und H-Boson CP-gerade sind. Das A Boson koppelt nicht an W und Z-Bosonen. Das h-Boson hat (abhängig vom Benchmark-Szenario) eine theoretisch erlaubte Masse von maximal 133 GeV und gilt daher als standardmodell-ähnlich.

Literatur

Videos