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Higgs-Boson
Higgs benanntes Elementarteilchen aus dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Es ist elektrisch neutral, hat Spin 0 und zerfällt nach sehr kurzer Zeit.
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Grundidee und Eigenschaften
Das Higgs-Boson oder Higgs-Teilchen ist ein elektrisch neutrales Elementarteilchen und ein Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik. Es besitzt den Spin 0, eine Ruheenergie von 125,11(11) GeV und eine Masse von 2,23 · 10^{−25} kg. Seine mittlere Lebensdauer beträgt nur etwa 10^{−22} s, sodass es fast unmittelbar nach seiner Entstehung zerfällt. Es unterliegt der schwachen Wechselwirkung und der Gravitation und wechselwirkt gemäß dem Higgs-Mechanismus mit allen Teilchen, die Masse besitzen.
Das Higgs-Boson ist wichtig, weil sein Nachweis die Existenz des Higgs-Feldes und damit einen zentralen Bestandteil des Standardmodells bestätigt. In der Quantenphysik werden Teilchen als angeregte Zustände von Quantenfeldern beschrieben. Das Higgs-Boson ist entsprechend eine quantenmechanische Anregung des überall vorhandenen Higgs-Feldes. Anschaulich lässt sich das Feld mit einer schwingungsfähigen Saite vergleichen und das Boson mit einem bestimmten Schwingungsmuster dieser Saite. Wegen der dafür erforderlichen hohen Energie kann eine solche Anregung nur bei energiereichen Teilchenkollisionen erzeugt werden.
Higgs-Mechanismus und Masse
Das Standardmodell unterscheidet Quarks, Leptonen, Eichbosonen und das Higgs-Feld. Quarks sind unter anderem Grundbausteine der Atomkerne, zu den Leptonen gehört das Elektron, und Eichbosonen vermitteln die Wechselwirkungen zwischen Teilchen.
Die mathematische Eichtheorie des Standardmodells verlangt zunächst masselose Eichbosonen. Das trifft auf das Photon der elektromagnetischen Wechselwirkung und die Gluonen der starken Wechselwirkung zu, nicht aber auf die schweren W- und Z-Bosonen der schwachen Wechselwirkung. Deren große Masse erklärt zugleich die sehr kurze Reichweite der schwachen Wechselwirkung.
Der Higgs-Mechanismus löst diesen Widerspruch: Die ursprünglich masselosen W- und Z-Bosonen treten mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung und erscheinen dadurch in den weiteren Gleichungen als Teilchen mit einer bestimmten Masse. Auf diese Weise lassen sich elektromagnetische und schwache Wechselwirkung in einer elektroschwachen Eichtheorie vereinigen. Auch die Massen der fermionischen Elementarteilchen, also der Quarks und Leptonen, werden durch ihre Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld erklärt. Die elementaren Anregungen dieses Feldes sind die Higgs-Bosonen. Ungeklärt bleibt jedoch der Ursprung der Masse des Higgs-Bosons selbst.
Die verbreitete Aussage, das Higgs-Boson sei die Ursache aller Masse, ist ungenau. Verantwortlich für die Massen der Elementarteilchen ist das Higgs-Feld, nicht das einzelne Boson. Photonen und Gluonen bleiben masselos, weil sie nicht mit diesem Feld wechselwirken. Außerdem werden im Standardmodell Voraussetzungen über die Masse des Higgs-Bosons benötigt, damit der Mechanismus überhaupt funktioniert.
Die durch das Higgs-Feld erklärten Teilchenmassen machen nur etwa 1 % der wägbaren Masse gewöhnlicher Materie aus. Mehr als 99 % entstehen aus der starken Bindung zwischen den Quarks in den Nukleonen, also Protonen und Neutronen, der Atomkerne. Dabei tragen auch kurzzeitig auftretende virtuelle Quark-Antiquark-Paare, die sogenannten Seequarks, wesentlich zur Masse der Nukleonen bei.
Erzeugung und Nachweis
Mit etwa 125 GeV/c² besitzt das Higgs-Boson im Vergleich zu den meisten Elementarteilchen eine sehr große Masse, ungefähr so viel wie zwei Eisenatome. Zum Vergleich: Das Z-Boson hat 91 GeV/c², das Myon 106 MeV/c², das Elektron 511 keV/c² und das Elektron-Neutrino weniger als 1,1 eV/c². Zur Erzeugung des Higgs-Bosons sind deshalb Teilchenbeschleuniger mit hoher Schwerpunktsenergie und großer Luminosität erforderlich. Die Luminosität beschreibt dabei, wie viele für Teilchenkollisionen geeignete Begegnungen stattfinden.
Am Large Hadron Collider (LHC) kann ein Higgs-Boson beispielsweise über Gluonen und Top-/Antitop-Quarks oder durch die Verschmelzung von W- oder Z-Bosonen entstehen. Wegen seiner Lebensdauer von etwa 10^{−22} s kann es nicht unmittelbar beobachtet werden. Gemessen werden stattdessen seine Zerfallsprodukte. Das Higgs-Boson zerfällt bevorzugt in Teilchen mit möglichst großer Masse. Wichtige Entdeckungskanäle waren der Zerfall in zwei Photonen und der Zerfall über zwei zwischenzeitlich auftretende Z-Bosonen in vier elektrisch geladene Leptonen.
Die Forschenden suchen danach, ob bestimmte Kombinationen von Zerfallsprodukten bei einer invarianten Masse häufiger auftreten, als es durch bekannte Prozesse ohne Higgs-Boson zu erwarten wäre. Die invariante Masse ist eine aus Energie und Impuls der Zerfallsprodukte berechnete Größe, die der Masse des zerfallenen Teilchens entspricht. Messdaten werden dazu mit Computersimulationen ohne und mit Higgs-Boson verglichen.
Eine statistische Schwankung kann ein Signal vortäuschen. In der Teilchenphysik gilt ein neues Teilchen daher erst bei einer Signifikanz von mindestens 5 σ als entdeckt. Ein entsprechend auffälliges Ergebnis würde durch Zufall im Mittel höchstens etwa einmal in 3,5 Millionen Versuchen entstehen. Dies ist ungefähr so selten wie bei 22 Würfen einer fairen Münze 22-mal „Zahl“ zu erhalten.
Theorieentwicklung und Entdeckung
1964 beschrieben Peter Higgs sowie die Forschergruppen François Englert und Robert Brout beziehungsweise Gerald Guralnik, Carl R. Hagen und T. W. B. Kibble unabhängig voneinander ungefähr gleichzeitig denselben Mechanismus. Nach Higgs wurden Feld und Teilchen benannt, weil er ausdrücklich die Existenz eines neuen Teilchens erwähnte. T. W. B. Kibble übertrug den zunächst für abelsche Eichtheorien entwickelten Mechanismus 1967 auf nichtabelsche Yang-Mills-Theorien. Dadurch konnte er auf die schwache Wechselwirkung angewendet werden und sagte die große Masse der 1983 experimentell bestätigten W- und Z-Bosonen voraus. Steven Weinberg und Abdus Salam wandten den Mechanismus 1967 beziehungsweise 1968 auf die elektroschwache Theorie von Sheldon Lee Glashow an und schufen damit das Standardmodell.
Die experimentelle Suche schränkte den möglichen Massenbereich schrittweise ein. 1977 schätzten Lee, Quigg und Thacker eine theoretische Höchstmasse von 1 TeV/c². Messungen am LEP ergaben 2003 eine Untergrenze von 114,4 GeV/c². Die CDF- und D0-Experimente am Tevatron schlossen 2010 den Bereich von 156 bis 175 GeV/c² aus. Ende 2011 und Anfang 2012 zeigten LHC-Daten erste Signale bei ungefähr 124 bis 126 GeV/c², zunächst aber noch unterhalb der erforderlichen Entdeckungsschwelle.
Am 4. Juli 2012 meldeten die LHC-Experimente ATLAS und CMS ein neues Teilchen mit einer Masse von 125 bis 127 GeV/c². Beide erreichten ungefähr 5 σ Signifikanz. Eine verbesserte ATLAS-Analyse vom 31. Juli erreichte 5,9 σ bei 126 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/c²; CMS erreichte 5 σ bei 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/c². Weitere Untersuchungen waren nötig, weil zunächst nur ein neues Teilchen, nicht endgültig dessen Identität als Standardmodell-Higgs, nachgewiesen war.
Messungen verschiedener Zerfallskanäle widersprachen den Vorhersagen des Standardmodells nicht. Analysen von ATLAS und CMS bestätigten dies im März 2013 sowie erneut 2015 und 2016. François Englert und Peter Higgs erhielten 2013 für die theoretische Entwicklung des Higgs-Mechanismus den Nobelpreis für Physik. Im Juli 2018 wurde auch der lange gesuchte Zerfall in zwei Bottom-Quarks mit mehr als fünf Standardabweichungen nachgewiesen. Die Trennung dieses Signals vom Hintergrundrauschen gelang durch Fortschritte der Datenauswertung mit Maschinenlernen; die gemessene Zerfallsrate war mit dem Standardmodell vereinbar.
Modelle jenseits des Standardmodells
Erweiterungen und Alternativen zum Standardmodell enthalten teilweise andere Higgs-Teilchen. Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell (MSSM) werden fünf Higgs-Bosonen vorhergesagt: die drei neutralen Teilchen h⁰, H⁰ und A⁰ sowie die zwei geladenen Teilchen H⁺ und H⁻. Das A⁰-Teilchen ist bezüglich der CP-Symmetrie ungerade und damit ein Pseudoskalar; h⁰ und H⁰ sind CP-gerade Skalare. A⁰ koppelt nicht an die Eichbosonen W⁺, W⁻ oder Z. Für das h-Boson ergibt sich je nach Benchmark-Szenario eine theoretisch erlaubte Höchstmasse von 133 GeV/c², weshalb es dem Standardmodell-Higgs besonders ähnlich ist. Zusätzlich postuliert das MSSM fünf fermionische Superpartner, die Higgsinos.
Technicolor-Theorien behandeln das Higgs-Boson nicht als elementar, sondern als Bindungszustand einer neuen starken Wechselwirkung. Dänische und belgische Wissenschaftler stellten 2013 fest, dass die damaligen Messungen auch mit Technicolor vereinbar waren. Ein weiterer alternativer Ansatz nimmt an, Quarks und Leptonen seien aus sogenannten Haplonen zusammengesetzt. Ihre Masse entspräche dann der Wechselwirkung zwischen den Haplonen, und auch das am CERN entdeckte Boson wäre ein zusammengesetztes Teilchen.
