Prominenter auf einem Stehempfang

Das Higgs-Teilchen beschert der Materie Masse – und den Physikern Peter Higgs und François Englert den Nobelpreis

Higgs oder nicht Higgs? Das ist nicht mehr die Frage! Denn Peter Higgs ist gemeinsam mit François Englert der diesjährige Physik-Nobelpreis verliehen worden. Im Juli 2012 hatten Physiker am europäischen Beschleuniger CERN das von Higgs und seinem Kollegen vorhergesagte Teilchen aufgespürt. Und obwohl ein letzter Rest an Unsicherheit über dessen Natur blieb, werteten Wissenschaftler den Fund als eine der bedeutsamsten Entdeckungen der vergangenen Jahrzehnte. Das Nobelpreiskomitee dagegen räumt mit seiner Entscheidung letzte Zweifel aus. Mit dem von manchen Medien so genannten „Gottesteilchen“ schließt sich ein Kreis, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik scheint glänzend bestätigt.

 

Text: Helmut Hornung

Er sagte die Existenz "seines" Teilchens bereits 1964 voraus: der britische Physiker Peter Higgs.

Trotz der heutigen Nachricht aus Stockholm - für Peter Higgs dürfte der 4. Juli 2012 einer der aufregendsten Tage seines Lebens gewesen sein. Denn damals verkündeten Wissenschaftler des europäischen Kernforschungszentrums CERN den Fund jenes Teilchens, das seinen Namen trägt. Tatsächlich war der damals 83-jährige Higgs nach Genf ans CERN gekommen und dort gefeiert worden wie ein Rockstar.

Grund zur Freude hatten auch vier seiner Kollegen, denn Peter Higgs ist zwar der Namenspatron, aber nicht der Einzige, der die Existenz des Teilchens im Jahr 1964 vorausgesagt hat: Von ihm unabhängig und etwa zur selben Zeit postulierten es auch François Englert und Robert Brout in Brüssel sowie Gerald Guralnik, Carl R. Hagen und T.W.B. Kibble am Imperial College in London. Brout starb im Mai 2011, Englert wurde ebenfalls mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Was verleiht den Elementarteilchen ihre Masse? Diese auf den ersten Blick so einfache Frage zählt zu den größten Rätseln der Physik. Higgs und seine Kollegen gaben eine Antwort darauf: ein eigenes Teilchen. Präzise ausgedrückt ist es nicht das Teilchen selbst, sondern ein Feld – auch Higgs-Mechanismus genannt – das die Masse erklärt. Das „Higgs“ ist mit diesem Feld untrennbar verbunden. Der Theorie nach gehört es zur Familie der Bosonen. Diese besitzen einen ganzzahligen Spin (den man sich grob als Rotation denken kann) und vermitteln die Kräfte zwischen den Materieteilchen.

Das Higgs-Boson hat den Spin Null, vermittelt jedoch keine Kraft, sondern Masse. Weil sich das nur schwer vorstellen lässt, greifen die Physiker zur Erklärung gern auf ein Beispiel aus dem Alltag zurück. Angesichts der aktuellen Vorgänge in Stockholm lässt es sich sogar mit Peter Higgs als Protagonisten erzählen: Man denke sich einen Empfang für Teilchenphysiker. Alle stehen, in Gespräche vertieft, mit einem Glas Sekt in der Hand locker zusammen und sind dabei mehr oder weniger gleichmäßig im Raum verteilt. Jetzt betritt Peter Higgs den Saal – und schon beginnen sich die Gäste um ihn zu scharen. Der Laureat verleiht der Veranstaltung im wörtlichen Sinne „Gewicht“ – und das tut auch sein Partikel mit den Materieteilchen.

Seit nahezu fünf Jahrzehnten ist das Higgs-Boson ein elementarer Bestandteil des Standardmodells, das die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt. Dieses Modell umfasst sechs Quarks (up, down, charm, strange, top, bottom), sechs Leptonen (Elektron, Myon, Tau sowie deren Neutrinos) und vier Eichbosonen (Photon, Gluon, W- und Z-Boson).

Aufgrund langjähriger Experimente hatten Theoretiker ausgerechnet, welche Masse das elektrisch ungeladene Higgs-Teilchen haben müsste: die von 100 bis 200 Protonen, also den positiv geladenen Grundbausteinen des Atomkerns. Weil sich nach Einsteins berühmtester Formel (E = mc²) Masse und Energie ineinander umrechnen lassen, drücken Physiker die Masse häufig in Energiegrößen aus. Dabei entspricht die Masse eines Protons einer Energie von einem Gigaelektronenvolt (GeV). Das heißt: Der für das Higgs-Boson vorausgesagte Energiebereich sollte zwischen 100 und 200 GeV liegen.

In den vergangenen Jahren haben die Forscher den Energiebereich durch Experimente – auch am Large Hadron Collider des CERN – immer weiter eingegrenzt. Anfang des Jahres 2012 waren sie ziemlich sicher: Higgs muss sich in einem engen Streifen zwischen 120 und 130 GeV aufhalten. Tatsächlich ermittelten die Wissenschaftler für ihr Teilchen einen ungefähren Messwert von 125 bis 126 GeV – was wunderbar zur theoretischen Vorhersage passt.

In der Praxis ist es natürlich nicht so leicht, derartige Daten zu erheben. Der 27 Kilometer lange Ringtunnel des Large Hadron Collider gleicht einer Kanone, in der zwei gegenläufige Protonenstrahlen aufeinandergeschossen werden. Das Ergebnis dieser Kollisionen: Kaskaden von Myriaden Explosionsbruchstücken und neu gebildeten Teilchen. Jetzt galt es, die Spreu vom Weizen zu trennen – und die bekannten von den unbekannten Partikeln auszusondern. Unter je einer Billiarde registrierten Ereignissen weckte schließlich nur eines das Interesse der Physiker.

Verbarg sich hinter den gefundenen, winzigen Ausschlägen in der Messkurve tatsächlich das Higgs-Teilchen? Das Nobelpreiskomitee hat diese Frage nun mit "Ja" beantwortet. Peter Higgs und François Englert wurden für ihre theoretische Vorhersage geehrt. Vielleicht ist Higgs wiederum zu Tränen gerührt, wie damals am 4. Juli 2012 bei der Veranstaltung im CERN.

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