Higgs-Feld

Die Quelle der Langsamkeit

Von Ulf von Rauchhaupt

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So wirkt das Higgs-Feld

05. April 2005 Auch theoretische Physiker erzählen sich gelegentlich Witze. Nicht wenige davon drehen sich um den Quantentheoretiker Wolfgang Pauli (1900-1958), der für seine Unerbittlichlichkeit im Aufspüren von Denkfehlern gefürchtet war. Einer dieser Witze geht so: Pauli stirbt und kommt in den Himmel. Als er vor Gott tritt, bietet ihm dieser an, eine Frage seiner Wahl zu beantworten. Pauli fragt: "Was ist Masse?" Da greift Gott zur Kreide und beginnt eine Tafel mit Formeln vollzuschreiben, bis Pauli plötzlich zur Tafel stürzt, sie wieder abwischt und ruft: "Nein, so geht das nicht, das habe ich auch schon probiert!"

Die Frage, warum Elementarteilchen - und damit überhaupt die Dinge um uns herum - eine Masse haben, ist für die Physiker noch heute eines der tiefsten Rätsel überhaupt.

Teilchen müssen keine Masse haben

Denn Teilchen müssen keineswegs Masse haben, um Teilchen zu sein. Lichtteilchen etwa, auch Photonen genannt, haben keine - genauer gesagt, keine Ruhemasse: Sie sind immerzu in Bewegung, fliegen stets mit Lichtgeschwindigkeit umher, und entzieht man ihnen Energie, so werden sie eben nicht langsamer, sondern verringern nur den Takt, in dem die elektrischen und magnetischen Felder schwingen, aus denen sie bestehen. Ihre Energie kann beliebig klein werden, und wird sie null, ist das Photon einfach nicht mehr da. Im Gegensatz dazu bleiben uns die Protonen, Neutronen und Elektronen, die die Atome eines Autos aufbauen, auch nach dessen Vollbremsung erhalten.

Denn Protonen, Neutronen und Elektronen sind Teilchen mit Ruhemasse. Diese ermöglicht ihnen eine ruhende Existenz, indem sie ihnen Trägheit verleiht, das heißt: Widerstand gegen Bewegungsänderungen. Einmal in Fahrt, sind sie nur unter Energieeinsatz zu stoppen, und einmal in Ruhe, bedarf es ebenfalls Energie, um sie wieder auf Trab zu bringen. Warum verhalten sich diese Teilchen so? Und vor allem: Warum ist dieser Trägheitseffekt bei einer Sorte Teilchen größer als bei der anderen - warum also gibt es Teilchen unterschiedlicher Ruhemasse? Die Antwort, die meisten Physiker heute geben würden, lautet: Weil es das Higgs-Feld gibt.

Das Higgs-Feld wirkt überall und überall gleich

Das Higgs-Feld ist benannt nach Peter Higgs, emeritierter Professor an der University of Edinburgh, der die Existenz eines solchen Feldes in den sechziger Jahren - zeitgleich mit zwei belgischen Physikern - erwogen hatte. Dabei ging es ihm zunächst vor allem um die mathematische Stimmigkeit der allgemeinen Theorie der Elementarteilchen, die sich in dieser Zeit herausbildete und die als "Standardmodell" bisher alle experimentellen Tests mit Bravour bestanden hat. Im Standardmodell stellt man sich die verschiedenen Sorten von Kräften, die zwischen Teilchen wirken können, ihrerseits als Austausch bestimmter Teilchen vor. Die elektromagnetische Kraft etwa wird in diesem Modell von Photonen, also Lichtteilchen, vermittelt. Auch für die schwache Kernkraft, die manche radioaktive Atomkerne zerfallen läßt, gibt es spezielle Austauschteilchen (sie heißen W- und Z-Bosonen), die im Gegensatz zu den Photonen aber selber eine Ruhemasse haben. Nun lassen sich elektromagnetische und schwache Kraft im Standardmodell mit sehr ähnlichen Formeln beschreiben. Nur mit einem Higgs-Feld läßt sich erklären, warum die Austauschteilchen trotzdem in einem Fall eine Masse haben, im anderen aber nicht.

Denn die Masse der Teilchen ist nach Higgs' Idee nichts anderes als ihre Wechselwirkung mit einem Kraftfeld, das den gesamten Kosmos durchdringt. Demnach sind alle Teilchen an sich masselos und würden sämtlich mit Lichtgeschwindigkeit durch die Gegend flitzen, gäbe es das Higgs-Feld nicht, das ihnen Trägheit verleiht, auf eine Weise, die man sich in der unten im Bild gezeigten Analogie veranschaulichen kann. Das Higgs-Feld hat überall genau dieselbe Stärke, und anders als etwa elektrische und magnetische Felder besitzt es keine gerichteten Kraftlinien - es ist, wie die Physiker sagen, ein Skalarfeld. Deswegen haben Teilchen derselben Sorte immer dieselbe Masse, egal, wo sie sich befinden und in welche Richtung sie sich gerade bewegen.

Wie experimentell nachweisen?

Aber wie wollen die Physiker die Existenz eines solchen Higgs-Feldes dann experimentell nachweisen? Hier kommt ihnen die Quantentheorie zu Hilfe, der zufolge sich Felder immer auch als Teilchen bemerkbar machen, sofern man nur für ausreichend Dynamik sorgt.

Im Falle des Elektromagnetismus etwa lassen sich mit dem an sich statischen Feld eines Stabmagneten durch periodisches Umdrehen elektromagnetische Wellen erzeugen. Nach der Quantentheorie können diese Energie nur häppchenweise transportieren, weswegen man sie gleich als Teilchen auffassen kann, nämlich als Photonen (wenn in diesem Fall auch sehr geringer Energie). Läßt man es also im allgegenwärtigen Higgs-Feld nur genügend krachen - etwa in einem riesigen Beschleuniger wie dem LHC -, sollten sich daraus ebenfalls ganze Teilchen ablösen, eben die Higgs-Teilchen -, die sogleich wieder in leichtere Teilchen zerfallen, allerdings in so charakteristischen Weisen, daß sich daraus auf das Higgs-Feld schließen lassen müßte.

Neue Teilchen schaffen auch neue Probleme

Würde ein solcher Nachweis das Problem der Masse so klären, daß auch Wolfgang Pauli zufrieden gewesen wäre? Wohl kaum, jedenfalls nicht in dem Sinn, daß man dann wüßte, warum Elementarteilchen verschiedene Ruhemassen haben. Diese Unterschiede kommen nämlich dadurch zustande, daß sich das Higgs-Feld auf verschiedene Teilchen verschieden auswirkt. Tatsächlich erklärt die Higgssche Theorie nur für die W- und Z-Bosonen, warum diese Teilchen so schwer sind, wie sie eben sind. Nicht so bei all den anderen Teilchen, den Elektronen, Protonen und Neutronen, aus denen alle normale Materie besteht. "Da wurde das Problem praktisch weitergeschoben", sagt Harald Fritzsch, Elementarteilchenphysiker an der Universität München.

Auch sonst ist es nicht so, daß eine nachgewiesene Existenz eines Higgs-Feldes den Physikern das Leben nur einfacher machen würde. Sie handeln sich damit auch neue Probleme ein. Besonders schlimm ist, daß ein allgegenwärtiges Higgs-Feld zur Energiedichte des Universums beitragen würde - und zwar mit negativem Vorzeichen, so daß es zu einer abstoßenden Schwerkraft zwischen den Sternen und Galaxien käme, die um viele, sehr viele Größenordnung über dem liegt, was die Astronomen tatsächlich beobachten. An Theorien, diese Diskrepanz zu erklären, fehlt es zwar nicht. So könnte man sich vorstellen, daß der Raum des "wahren", also Higgs-freien Vakuums überall negativ gekrümmt ist. Doch solche ad-hoc Erklärungen sind im Grunde nichts als hilfloses Tappen im Dunklen. "Das ist ein Problem, das wir bis heute nicht verstehen", gesteht Fritsch.

Und dieses Problem bliebe bestehen, ganz egal wie die Higgs-Jagd am LHC ausgeht. Denn daß es zumindest so etwas Ähnliches wie das Higgs-Feld geben muß, daran zweifelt heute niemand mehr. Andernfalls wäre das bislang so atemberaubend erfolgreiche Standardmodell mathematisch inkonsistent. Zudem gab es am LEP, dem Vorgängerbeschleuniger des LHC, bereits indirekte Hinweise auf seine Existenz. Diese sind aber nicht so gut, daß es nicht vielleicht doch noch Überraschungen geben könnte und die Eigenschaften des Higgs-Feldes anders sind, als die einfachen Varianten der Theorie vorhersagen. Solchen Überraschungen sehen die Physiker durchaus mit freudiger Erwartung entgegen - sofern sie nur überhaupt etwas finden. Wenn das Standard-Modell stimmt und es irgendeine Art von Higgs-Feld gibt, dann müßten sie es am LHC eigentlich sehen, sagt Harald Fritzsch. "Und wenn sie es nicht sehen, dann ist da was faul."

Text: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 03.04.2005, Nr. 31 / Seite 71
Bildmaterial: F.A.Z.-Grafik Karl-Heinz Döring

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