Wer Higgs sagt, muss auch Z-Boson sagen

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Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Ob wir ohne einen tiefen Einstieg in die Mathematik das Higgs-Boson wirklich verstehen können, lasse ich jetzt mal offen und versuche stattdessen zu erklären, warum die Physiker überhaupt so begeistert sind, das Higgs-Boson gefunden zu haben. Ginge es nicht auch ohne?

Dazu ist es sinnvoll auch mal auf die Entdeckungen anderer Teilchen, wie das Charm-Quark und das Z-Boson einzugehen. Das Higgs-Teilchen ist in diesem Lichte nichts Besonderes. Es ist nicht das einzige Teilchen, das von der elektroschwachen Theorie vorhergesagt und erst später gefunden wurde. Es ist nur das vorläufig letzte.

Das spannende an den Higgs-Bosonen ist, dass sie die Masse der W- und Z-Bosonen in der Theorie der schwachen Wechselwirkung einführen, ohne deren mathematische Eleganz zu zerstören. Vermutlich wäre es möglich, jedes Teilchen mit allen seinen Eigenschaften separat einzuführen und künstlich eine rein beschreibende Theorie aufzubauen. Die elektroschwache Theorie geht aber einen anderen, viel eleganteren Weg. Sie erklärt die Kräfte durch symmetrische Felder aus mehreren Komponenten, die alle denselben Mechanismen folgen. Dieses mathematische Zusammenfassen unterschiedlicher Vorgänge war in der Vergangenheit recht erfolgreich.

Das Z-Boson wurde durch die elektroschwache Theorie vorhergesagt, weil diese nur mit Photon und zwei geladenen W-Bosonen nicht funktioniert hätte. Es hätten sich unendlich große Wechselwirkungs-Wahrscheinlichkeiten bei bestimmten Prozessen ergeben. Das neutrale Z-Boson kompensiert einen Teil des Photon-Einflusses auf diese Prozesse, so dass in einer Theorie mit zwei geladenen und zwei ungeladenen Teilchen wieder alles passt. Tatsächlich wurde das Z-Boson 1983 mit den Eigenschaften gefunden, die die Theorie von ihm fordert.

Auch das Charm-Quark wurde gefunden, nachdem die elektroschwache Theorie ergab, dass man ein viertes Quark braucht. Hier ging es um die Frage, warum das Z-Boson nicht, wie die W-Bosonen, zum Zerfall des Strange-Quarks beiträgt. Das Strange-Quark zerfällt über den Austausch geladener W-Bosonen zu einem Up-Quark. Dabei wird Ladung übertragen, denn Up-Quarks sind positiv geladen, das Strange-Quark negativ.

Das Strange-Quark ist aber eine schwerere Ausgabe der Down-Quarks. Ein neutraler Prozess sollte, durch das Z-Boson vermittelt, in der Lage sein, ein Strange-Quark in ein Down-Quark umzuwandeln. Solch ein Prozess wurde nie beobachtet und stellte deshalb die Theorie infrage. Der durch S.L. Glashow, J. Iliopoulos und L. Maiani vorgeschlagene GIM-Mechanismus, der ein viertes Quark erforderlich macht, konnte die Nichtexistenz dieser neutralen Prozesse erklären. Auch hier führt ein weiterer möglicher Zerfallskanal nicht zu stärkerer, sondern zu unterdrückter Wechselwirkung. In der Quantenmechanik können verschiedene Wirkmechanismen einander auslöschen. Das so vorhergesagte Charm-Quark wurde vier Jahre nach der Vorhersage durch GIM von zwei Arbeitsgruppen unabhängig voneinander gefunden.

Eine Theorie, die nicht nur ein sondern zwei Teilchenarten erfolgreich vorhergesagt hat, gibt man nicht leichtfertig auf. Es kann kein Zufall sein, dass sowohl das Z-Boson als auch das Charm-Quark genau so gefunden wurden, wie es die Symmetrie der elektroschwachen Theorie gefordert hat. Eine Theorie mit solch einer Erklärungskraft kann unvollständig sein, sie kann bloße Auswirkung einer noch grundlegenderen Theorie sein, aber sie muss einen wahren Kern haben. Weil der Kern dieser Theorie ohne einen Higgs-Mechanismus zerbrochen wäre, ist es verständlich, dass die Hochenergiephysiker so fest mit der Entdeckung eines Higgs-Bosons gerechnet haben. Wer an Z-Boson und Charm-Quark glaubt, erwartet auch das Higgs-Boson.

Joachim Schulz

Veröffentlicht von

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Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

3 Kommentare

  1. Higgs steht am Ende eines langen Wegs

    Das wird in den populären Zeitungs- und Zeitschriftenartikel über das Higgs tatsächlich kaum je ausgearbeitet: Dass das Higgs-Boson und der Higgs-Mechansimus nur eines von einigen Teilchen und Wechselwirkungen ist, welche sich durch konsequenten Ausbau einer Theorie ergab. In diesem Prozess ergab sich die Vereinheitlichung von Elektromagnetismus und schwacher Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung und schliesslich fügte sich alles innerhalb der Quantenfeldtheorie zum Standardmodell.

    Interessant finde ich die Schlüsse, die zwischen verschiedenen Theoriezweigen möglich waren. Die bestätigen Voraussage des Charmquarks über beobachtete und nicht beobachtete Wechselwirkungen mit den W- und Z-Bosonen zeigen, dass das Theoriegebilde welches sich ausbildete konsistent ist.

    Nebenbei bemerkt: Die Teilchenphysiker scheinen über recht viel Geduld zu verfügen, ziehen sich doch die verschiedenen theoretischen Erkenntnisse und Voraussagen über mehrere Jahrzehnte hinweg. Hätte es den LHC schon 1970 gegeben wäre wohl auch schon in den 1970er-Jahren das Standardmodell vollkommen ausgearbeitet gewesen.

    Damit scheinen Teilchenbeschleuniger eine ähnliche Bedeutung für die Teilchenphysik zu haben wie es die Teleskope für die Astronomie hatten. Galilei und Kepler musste nur durch das Teleskop schauen um komplizierte Theorien und Philosophen ihrer Zeit zu widerlegen und ein ganz neues Weltbild zu begründen. Auch dazumal gab es schon “richtige Theorien” über die Beziehung der Planeten zur Sonne. Doch ohne Teleskope wären es nur Spekulationen geblieben.

  2. Z Boson: Never say never

    The physicist Steven Weinberg named the additional particle the “Z particle”, later giving the explanation that it was the last additional particle needed by the model – the W bosons had already been named – and that it has zero electric charge.

    Das “Z” als letztes Teilchen, das man für die Theorie benötigt – und später fand man dass das “Z” nicht ohne den Higgs-Mechanismus Masse besitzen kann.

    Aber jetzt sind wir fertig, oder? Nicht dass etwa das Higgs-Boson einen neuen Mechanismus benötigt um zu seiner Masse zu kommen und dass es einen Anregungszustand dieses neuen Mechanismus geben wird, ein neues Boson mit einer Masse, die einen wiederum neuen Mechanismus benötigt.

  3. Zusammengesetzter Higgs-Mechanismus

    Es gibt zusammengesetzte Bosonen, also Mehrteilchensysteme, die bosonische Eigenschaften haben.

    Und scheinbar gibt es auch den Higgs-Mechanismus in komplizierteren Systemen. Im Artikel Higgs-Mechanismus in einem Magneten aufgespürt wird darüber berichtet, dass Quanten-Spin-Eis eine Zustand mit geordneten magnetischen Monopolen annehmen kann, etwas was man am besten damit erklärt, dass der Higgs-Mechanismus den magnetischen Monopolen Masse verleiht.

    Für mich scheint das, als wenn ein mathematisches Prinzip verschiedene Realisationen in der Realität hätte.

    Wenn mehrere Teilchen oder auch Pseudoteilchen bei der Ausbildung eines bosonischen Zustandes oder eines Higgs-Mechanismus beteiligt sind, könnte man dies als Emergenzphänomen auffassen, wobei sich die Emergenz in einem bestimmten Wechselspiel der Komponenten zeigt.

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