Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, Teil 15: Der Higgsmechanismus

Wie die Teilchen zu ihren Massen kommen

Die Elementarteilchenphysik kann keine Aussagen über die Massen machen, wir wissen nicht, warum Neutrinos so leicht, Photonen keine Ruhemasse und die Weakonen eine hohe Masse haben (wie ein Uranatomkern).

Wir haben über Masse zwei Konzepte: Die schwere Masse übt eine Anziehungskraft auf andere schwere Massen aus. Diese Kraft wird über die Krümmung von Raum und Zeit vermittelt.
Wegen der winzigen Energien spielt das in der Elementarteilchenphysik keine Rolle.

Masse äußert sich aber auch in Trägheit und einem erhöhten Energieinhalt. Das merkt man, wenn man per Hand ein Kind auf einem Dreirad und danach zum Vergleich einen fahrenden  LKW anhalten will. Das was man dabei spürt,  nennt man die träge Masse.
Eine der grundlegenden Eigenschaften unserer Welt (und Ausgangspunkt der Relativitätstheorie) ist die Beobachtung, dass schwere und träge Masse zueinander propotional sind (und wegen der Wahl der gleichen Einheit kg sogar gleich groß sind). Warum das so ist, weiß niemand.

Ob das auch hinunter zu den Massen der Elementarteilchen gilt, ist unbekannt. Auf alle Fälle meint man dort Trägheit und Energieinhalt, wenn man von Masse spricht.

Einem Elementarteilchen Masse geben heißt also es träger und energiereicher machen!

Und das macht der Higgs-Mechanismus, der u.a. von Peter Higgs 1964 erfunden wurde (Nobelpreis 2013).

Damit konnte er zwei Dinge vorhersagen:

1) Die Wechselwirkungsteilchen der schwachen Kraft, die Weakonen, müssen sehr massereich sein. Das wurde 1983 durch bahnbrechende Experimente am CERN nachgewiesen.

2) Es muss ein spinfreies Feldquant geben, dass Higgs-Boson. Das wurde dann 2012 ebenfalls am CERN nachgewiesen.

 Wie macht der Higgs-Mechanismus z.B. ein Elektron so träge, dass wir genau die beobachtete Masse messen?

Dazu wurden am CERN Comics entwickelt, die das schön darstellen:

1) Das gesamte Universum ist von einem Feld durchzogen, das Higgsfeld.
Es wird durch Partygäste in einem Raum veranschaulicht.
Nun kommt eine eigenschaftslose (masselose) Politikerin in den Raum. Da sie bekannt ist, umringen die Partygäste die Politikerin, sie wird träge und kann sich weniger gut bewegen.
Partygäste und Politikerin sind aneinander gekoppelt.
Das Higgsfeld koppelt z.B. nicht an Photonen an, deswegen haben diese keine Ruhemasse. Aber es koppelt sehr stark an die Wechselwirkungsteilchen der schwachen Kraft an. Deswegen haben die eine große Masse.

2) Nun braucht noch nicht einmal jemand Berühmtes in den Partyraum zu schicken...ein Gerücht reicht aus und schon hängen die Partygäste zusammen. Diese Verdichtung des Higgsfeldes würde man als Higgs-Teilchen nachweisen können.

Mathematisch ist das viel komplexer. Das Higgsfeld besitzt bei der Feldstärke 0 eine Energie, es ist bei hohen Feldstärken energiearm. Die Energiekurve gleicht einem Sombrerohut.

SPS zur Nobelpreisverleihung, V ist das Wechselwirkungspotenzial in der Lagrangefunktion

Das Feld wird sich also bevorzugt nicht im symmetrtischen Zustand bei der Feldstärke 0 aufhalten, sondern hat den Grundzustand mit Energie 0 bei einer höheren Feldstärke. Die Symmetrie ides Feldes ist gebrochen. Das kann man mit Symmetriegruppen beschreiben.

Die Lagrangefunktion beschreibt die Wirkung des Feldes auf ein Teilchen und hiflt dann bei der Berechnung der wirksamen Masse. Das aber würde hier den Rahmen sprengen!