Auf der Suche nach dem "Teilchen Gottes"
Bis Ende dieses Jahrzehnts könnte das Higgs-Boson in Chicago oder Genf gefunden werden
Gegen Ende des Jahres 2000 wurde es im Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik (CERN) in Genf dramatisch: Die Abschaltung des ausgedienten Teilchenbeschleunigers LEP wurde um einen Monat verschoben, weil eine Physikergruppe Hinweise auf die Existenz des "Teilchen Gottes" gefunden hatte (siehe Meldungen rechts). Doch obwohl es noch einige weitere Hinweise auf dieses von Physikern Higgs-Boson genannte Teilchen gab, entschied man sich für die Abschaltung des LEP, um den Bau des neuen und größeren Teilchenbeschleunigers LHC nicht weiter zu verzögern. Dieser soll die Jagd nach dem Higgs-Boson ab dem Jahr 2007 fortsetzen. Welche Bedeutung das "Teilchen Gottes" für die modernen physikalischen Theorien hat, erklärt Edward Witten vom Institute for Advanced Study in Princeton im Fachmagazin Nature (Bd. 429, S. 507).
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Kurz auf einen Nenner gebracht: Das Higgs-Teilchen hat die "Schwere" in die Welt getragen. Es verleiht den anderen Teilchen Masse – deshalb sein Beiname "Teilchen Gottes". Außerdem ist das Higgs-Boson das einzige noch nicht gefundene Teilchen, dessen Existenz von der Standardtheorie der Teilchenphysik vorhergesagt wird.
Eingeführt wurde das Higgs-Teilchen im Jahr 1964 von Peter Higgs von der Universität Edinburgh. Man brauchte eine Erklärung dafür, warum das Photon – das Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft – keine Masse hat, während die W- und Z-Bosonen eine relativ große Masse haben. Die W- und Z-Bosonen sind die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung, die den radioaktiven Zerfall in Atomkernen verursacht. Wegen der großen Masse der Austauschteilchen hat die schwache Wechselwirkung glücklicherweise eine sehr kurze Reichweite. Sonst würde die Materie in unserem Universum augenblicklich zerfallen.
Dagegen hat die elektromagnetische Wechselwirkung wegen des masselosen Photons eine sehr große Reichweite. Radio- und Fernsehübertragungen oder die Kommunikation mit weit entfernten Raumsonden wären sonst nicht möglich. Dieser Gegensatz zwischen schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkung ist aber ohne weitere Erklärung nicht zu verstehen. Denn ansonsten sind sich diese beiden Theorien und die mathematischen Gleichungen, die sie beschreiben, sehr ähnlich.
Peter Higgs löst dieses Problem durch eine "spontane Symmetriebrechung", die im Universum kurz nach dem Urknall stattfand und vom Higgs-Teilchen verursacht wird. Kurz nach dem Urknall gab es den heutigen Unterschied zwischen schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkung noch nicht. Der Grund waren die extrem hohen Temperaturen. Als das Universum abkühlte, wurde unterhalb einer bestimmten Temperatur die Symmetrie zwischen den beiden Wechselwirkungen aufgehoben oder "gebrochen", wie Physiker es nennen. Das Ergebnis dieser Symmetriebrechung war, dass die W- und Z-Photonen Masse bekamen, während das Photon masselos blieb.
Eine ähnliche Symmetriebrechung geschieht beim Gefrieren von Wasser. Während es im flüssigen Wasser keine bevorzugte Richtung im Raum gibt, ordnen Eiskristalle sich in Gittern an. Nach dem Gefrieren sind bestimmte Achsenrichtungen gegenüber anderen Raumrichtungen ausgezeichnet. Die vorher vorhandene Symmetrie wurde beim Gefrieren spontan gebrochen. Welche Achsenrichtungen der Eiskristall dabei wählt, unterliegt dem Zufall. Im Fall der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung geschieht solch eine Symmetriebrechung allerdings nicht im realen Raum, sondern in einem abstrakten mathematischen Raum, der die Wechselwirkungskräfte beschreibt.
Edward Witten hofft, dass das Higgs-Teilchen bis zum Ende dieses Jahrzehnts entweder im LHC in Genf oder im Tevatron am Fermilab in Chicago gefunden wird. Dann könnte vielleicht entschieden werden, ob die Standardtheorie der Teilchenphysik richtig ist oder von einer neueren Theorie wie beispielsweise der Supersymmetrie ersetzt werden muss.
Axel Tillemans
