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Es gibt zwei Möglichkeiten, sich den Mechanismus vorzustellen, der ein Higgs-Boson entstehen lässt.
Wir haben ein Kondensat mit einer bestimmte Dichte der fiktiven Teilchen, welche dieses Kondensat bilden. Stellen wir uns etwas vor, das die Dichte an einer Stelle irgendwie ändert, vergleichbar einer Schallwelle, eine Art Kompressionswelle, welche die Dichte an einer Stelle schwanken lässt. Diese Art Schwingung ist ein Higgs-Boson!
Eine andere Erklärung ist, sich das Higgs-Feld in Form des mexikanischen Hutes vorzustellen. Diesmal ist die Erregung des Feldes aber nicht entlang des ringförmigen Minimums, sondern wie im Bild gezeigt quer dazu. Diese Form der Erregung des Kondensats entspricht einer Kompressionswelle. Für diese Erregung muss Energie aufgewendet werden. Dieser Anregungsmodus, dieses Phänomen, diese Schwingung wird als Higgs-Boson bezeichnet.
Das Higgs-Boson ist wie eine Schallwelle, die sich durch das Kondensat ausbreitet.
Die Entdeckung des Higgs-Boson war deshalb so wichtig, weil es das bisher einzige Teilchen war, das von der Theorie des Standardmodells vorhergesagt, aber noch nicht beobachtet worden war. Alle anderen Teilchen wie das Z-Boson, das Ziggs-Teilchen u.a. wurden schon lange nachgewiesen.
Ein Higgs-Boson H kann mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in andere Teilchen zerfallen, zum Beispiel in ein Elektron e− und ein Positron e+, oder in ein Quark q und ein Anti-Quark \bar q. Es kann aber auch andere Teilchen produzieren, wie Müonen, Top-Quarks, Bottom-Quarks und alle anderen Quarks. Aber auch Neutrinos und alle andere Fermionen können in Paaren erzeugt werden. Ein Higgs-Boson zerfällt sehr schnell in andere Teilchen. [Video-2]
Die Wahrscheinlichkeit, mit der das Higgs-Boson in bestimmte andere Teilchen zerfällt, ist proportional zur Masse der erzeugten Teilchen. Je massereicher die Teilchen sind, umso eher werden sie erzeugt. Das Higgs-Boson produziert also mit Vorliebe möglichst massereiche Teilchen.
Das Feynman-Diagramm kann in beide Richtungen gelesen werden. Aus einem Paar von Teilchen kann also auch ein Higgs-Boson entstehen. Man könnte also durch die Kollision eines Elektrons mit einem Positron ein Higgs-Boson erzeugen.
Kollisionen von Elektronen mit Positronen finden schon seit langer Zeit statt. Trotzdem hat bisher noch niemand ein Higgs-Teilchen sehen können. Ein Grund dafür ist, dass das Higgs-Boson ein ziemlich massereiches Teilchen ist. Solange man also nicht genug Energie in die Kollision steckt, kann kein Higgs-Teilchen entstehen.
Es gibt aber noch einen bedeutenderen Grund, weshalb das Higgs-Boson so schwer zu detektieren ist. Man kann nämlich seit einiger Zeit genug Energie in eine Kollision stecken, um ein Higgs-Boson zu erzeugen. Das Problem ist jedoch die schwache Kopplung der Kollisionsteilchen zum Higgs-Feld. Die kleine Masse der Elektronen ist verantwortlich dafür, dass die Kopplung so schwach ist. Dies resultiert in einer sehr kleinen Wahrscheinlichkeit, dass bei einer Kollision mit Elektronen ein Higgs-Boson entsteht, selbst wenn die Energie der Kollision mehr als ausreichend ist. Es ist viel wahrscheinlicher, dass bei der Kollision andere Teilchen als das Higgs-Boson entstehen.
Wie sieht es aus, wenn wir statt Elektronen Quarks zusammenstossen lassen?
Die Quarks, aus denen Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind (Up-Quarks und Down-Quarks), sind auch sehr leicht, nur 3 bis 12 mal schwerer als ein Elektron. Daher ist auch für diese Quarks die Wahrscheinlichkeit sehr klein, dass bei der Kollision ein Higgs-Boson entsteht. Klar entstehen ab und zu bei solchen Kollisionen Higgs-Bosonen, aber ihre Zahl ist viel zu klein, um sie mit Sicherheit detektieren zu können.
Die geringe Masse der Kollisionsteilchen war also bisher der Hauptgrund, weshalb man keine Higgs-Bosonen in genügender Menge erzeugen konnte.
Welche Teilchen bevorzugt das Higgs-Boson beim Zerfall am meisten? [Video-3]
Die schwersten Teilchen. Das schwerste Teilchen ist das Top-Quark t. Es ist rund 340 000 mal schwerer als das Elektron. Also würde man annehmen, dass das Higgs-Boson am ehesten in Top-Quarks zerfällt. Tatsächlich zerfällt das Higgs-Boson aber nicht in Top-Quarks, weil diese einfach zu schwer sind.
Wenn man aber den Prozess umkehrt, also zwei Top-Quarks kollidieren lässt, kann man ein Higgs-Boson erzeugen. Das Problem dabei ist, dass es nicht so einfach ist, in der Natur Top-Quarks zu finden. Weshalb? Sie zerfallen in nur 4,2 ·10−25 s in die anderen leichteren Quarks. Man kann also nicht einfach Top-Quarks hernehmen und kollidieren lassen, weil man keine Top-Quarks finden kann.
Also muss man in den Kollisionen irgendwie Top-Quarks herstellen.
Wie erzeugt man ein Top-Quark?
Gluonen koppeln an Quarks und daher ist eine Möglichkeit, dass das Gluon g in ein Top-Quark t und ein Anti-Top-Quark \bar t zerfällt (siehe Bild). Beachte, dass Anti-Teilchen mit umgekehrten Pfeilen gezeichnet werden. Ein in der Zeit rückwärts fliegendes Teilchen erscheint uns als Anti-Teilchen [1].
Gluonen kommen sehr häufig in Atomkernen vor, also warum nicht einfach Gluonen nehmen um ein Top-Quark und ein Anti-Top-Quark zu erzeugen? Der Grund ist, dass Gluonen sehr leicht sind. Sie sind beinahe masselos. Top-Quarks hingegen sind sehr schwer. Es ist einfach nicht genug Energie in einem Gluon um ein Paar von Top-Quarks zu erzeugen.
Damit das funktioniert müssen wir zwei Gluonen nehmen und mit hoher Energie zusammenstossen lassen (Bild links):
Das eine Gluon kann dann für sehr kurze Zeit ein Paar Top-Quarks erzeugen. Das eine Top-Quark kann dann das andere Gluon absorbieren. So haben wir also ein Paar Top-Quarks, die von zwei Gluonen mit hoher Energie erzeugt worden sind. Nun können die beiden Top-Quarks zusammen kommen und ein Higgs-Boson erzeugen. Im Bild rechts wird gezeigt, wie dieser Prozess üblicherweise dargestellt wird.
Dies ist der effizienteste Prozess um Higgs-Bosonen zu erzeugen. Aber es gibt noch weitere Prozesse, in denen Higgs-Bosonen entstehen können, aber ihre Wahrscheinlichkeit ist geringer.
Die Gluonen stammen aus den Protonen. Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Diese Quarks werden durch Gluonen zusammengehalten. Wenn wir also Protonen kollidieren lassen, können die Gluonen der Protonen kollidieren und über den beschriebenen Mechanismus Higgs-Bosonen erzeugen. Dies wurde am LHC in Cern bei Genf so gemacht. LHC (engl: Large Hadron Collider) ist ein Proton-Proton-Collider.
|Name||Higgs-Boson H|
|Klassifikation||Elementarteilchen, Boson|
|Ladung||neutral|
|Masse||ca. 125..127 GeV/c2; ca. 2,25 ·10−25 kg|
|Spin||0|
|Lebensdauer||ca. 10−22 s|
|Wechselwirkung||Schwache Wechselwirkung nach dem Higgs-Mechanismus mit allen Teilchen mit Masse grösser als Null [2]|
Wir haben gelernt, dass das Standardmodell grundsätzlich korrekt ist. Alles passt zusammen. Beachte, dass nicht die Higgs-Bosonen den Teilchen ihre Masse verleihen, sondern die Ziggs-Bosonen! Das Higgs-Boson ist nur eine Dichte-Schwingung des Higgs-Feldes. [Video-4]
Aber passt alles quantitativ exakt zusammen? Das wissen wir noch nicht. Es gibt einen Hinweis auf eine Diskrepanz:
Betrachten wir nochmals den effizientesten Prozess der Higgs-Erzeugung. Derselbe Prozess, der es erlaubt ein Higgs-Boson H zu erzeugen, erlaubt umgekehrt dem Higgs-Boson, wieder in seine ursprünglichen Bestandteile zu zerfallen. Aber es ist nicht so einfach, im Labor Gluonen g nachzuweisen. Das Suchen nach Gluonen, welche auf einen Zerfall des Higgs-Bosons hinweisen, nachdem eines erzeugt worden ist, ist kein einfacher Prozess. Einfacher ist es, wenn wir die Gluonen g durch Photonen γ ersetzen. Es ist genau derselbe Prozess, ausser dass statt Gluonen nun Photonen emittiert werden:
Wenn einmal ein Higgs-Boson erzeugt wurde, wie auch immer, kann es in zwei Photonen γ zerfallen. Das ist ein komplizierter Prozess. Er erfordert viel Theorie, Berechnungen und Feynman-Diagramme. Der Prozess ist nicht einfach zu berechnen, aber man kann ihn berechnen und er hängt von den Eigenschaften der Top-Quarks t ab, die an diesem Prozess beteiligt sind.
Im Moment scheint das Higgs-Boson etwa 1,5 mal zu schnell in zwei Photonen zu zerfallen! [Video-5]
Man ist sich einig, dass dies noch kein wirklich statistisch signifikanter Fakt ist. Aber was würde es bedeuten, wenn es so ist? Auf den ersten Blick scheint es keine grosse Angelegenheit zu sein, nur 1,5 mal zu schnell zu zerfallen. Aber der Punkt ist: die Theoretiker sind in der Lage, die Zerfallsrate sehr genau zu berechnen. Also wäre ein Faktor von 1,5 ernst zu nehmen. Er bedeutet, etwas Unbekanntes passiert da.
Das wahrscheinlichste Szenario ist, dass an diesem Prozess neben dem Top-Quark noch ein weiteres, bisher noch nicht entdecktes Teilchen beteiligt ist. Dies wäre natürlich eine grossartige Neuigkeit. Wenn da noch etwas wäre, was nicht durch das Standardmodell beschrieben wird, wäre das eine Sensation. Es könnte zum Beispiel ein supersymmetrisches Teilchen sein oder irgendetwas ganz anderes. Dies wird natürlich jetzt genauer unter die Lupe genommen.
Das Standardmodell ist nun bald 50 Jahre alt. Der Nachweis des Higgs-Bosons war vielmehr eine Bestätigunug der Theorie als eine Entdeckung. Wenn aber die Zerfallsrate wirklich um den Faktor 1,5 schneller ist als berechnet, würde das bedeuten, dass man auf etwas absolut Neues gestossen ist.
Prof. Leonard Susskind ist ein US-amerikanischer theoretischer Physiker und Mitbegründer der Stringtheorie. Er gibt seit vielen Jahren öffentliche Vorlesungen in Physik für ein interessiertes Publikum.