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Warum das Standardmodell der Teilchenphysik nur eine Zwischenlösung ist

Das Problem mit der Feinjustierung

Das Standardmodell ist wohl die umfassendste Theorie, die es jemals gab. Dennoch sehen Teilchenphysiker damit das Ende der Physik noch längst nicht erreicht und suchen eifrig nach neuen Theorien. Dabei motivieren sie nicht etwa irgendwelche inneren Widersprüchen des Modells oder experimentelle Zwänge, sondern allein die Ästhetik.

Ein Physikprofessor soll Max Planck am Ende des 19. Jahrhunderts dazu geraten haben, nicht Physik zu studieren. Schließlich sei dort, abgesehen von wenigen Lücken, bereits alles erforscht. Heute hätte wohl kein Hochschullehrer mehr solche Bedenken. Dieses vorherrschende Gefühl lässt sich allerdings nur teilweise fachlich begründen. Es ist vor allem mit Problemen der Wissenschafts- und Erkenntnistheorie verbunden.

Viele Galaxien vor schwarzem Hintergrund. In der Mitte befindet sich ein hantelfömiger, rosa Klumpen, an dessen beiden Seiten ein blauer Klumpen angrenzt.
Indirekter Nachweis von Dunkler Materie

Obwohl das Standardmodell der Teilchenphysik gegenwärtig wohl die umfassendste Theorie darstellt, kann es einige Phänomene vom Prinzip her nicht beschreiben. Allem voran steht hier die Gravitation. Zudem gibt das Standardmodell keine Antwort auf die Frage nach Dunkler Materie oder Dunkler Energie, auf die astrophysikalische und kosmische Beobachtungen hinweisen. Deshalb sehen die meisten Teilchenphysiker das Standardmodell nur als eine Stufe auf dem Weg zu einer noch umfassenderen und in gewissem Sinne „einfacheren“ oder „schöneren“ Theorie – Begriffe und Ziele, die mehr philosophisch motiviert sind, als aus immanenten Problemen der Wissenschaft zu folgen.

Das Standardmodell wird demnach oft nur als sogenannte effektive Theorie verstanden, die im Bereich niedriger Energien als Grenzfall einer weitreichenderen Theorie fungiert. Dieses Verhalten kennt man bereits aus anderen Teilgebieten der Physik, wie beispielsweise der klassischen Mechanik: Alle physikalischen Phänomene bei Geschwindigkeiten und Abständen des Alltagslebens – also deutlich langsamer als Licht und deutlich größer als ein Atom – werden durch diese Theorie völlig adäquat beschrieben. Heute versteht man die klassische Mechanik aber als Grenzfall der Relativitätstheorie beziehungsweise der Quantenmechanik.

Vom Standardmodell wissen wir nur, dass es bei Abständen von mindestens einem Milliardstel des Atomdurchmessers gilt. Genauer können die heutigen Beschleuniger nicht auflösen. Für Elementarteilchen wird die Gravitation aber erst bei Abständen relevant, die noch etwa eine billiardemal kleiner sind. Die Sensitivität von Teilchenbeschleunigern wird wohl nie auch nur in die Nähe dieser sogenannten Plancklänge vordringen. Alerdings legt die Struktur des Standardmodells nahe, dass man bereits bei deutlich größeren Abständen Hinweise auf eine übergeordnete Theorie finden sollte.

Keine einfache Theorie

Zwar beruht das Standardmodell im Wesentlichen auf wenigen Prinzipien – vor allem der Eichsymmetrie –, aber dennoch sind 27 Parameter notwendig, die nicht a priori durch die Theorie festgelegte Werte besitzen und durch Messungen bestimmt werden müssen. Diese Zahl erscheint einerseits zu groß, um von einer „schönen“ und „einfachen“ Theorie zu sprechen. Andererseits zeigen einige der Parameter gewisse Regelmäßigkeiten oder Hierarchien, die alles andere als zufällig wirken, deren Ursachen man aber derzeit nicht kennt.

Ein Beispiel: Es existieren zwölf Materieteilchen, die sich in drei fast identische Familien einordnen lassen. Warum existieren diese Wiederholungen? Hauptsächlich unterscheiden sich die Familien durch die Massen der zugehörigen Teilchen. Das Topquark ist beispielsweise mehr als eine Trillion Mal schwerer als das leichteste Neutrino. Welche Ursache hat dieses gewaltige Massenspektrum? Der Higgs-Mechanismus „erzeugt“ zwar Massen, leistet für diese Strukturen aber keinerlei Erklärungen.

Für jedes Elementarteilchen gibt es ein Schildchen, auf dem dessen Masse sowie Nachweisjahr notiert sind. Angeordnet sind die Schildchen in einem Diagramm, in dem Masse und Nachweisjahr gegeneinander aufgetragen sind.
Massenspektrum der Elementarteilchen

Diese und noch andere Eigenschaften des Standardmodells weisen darauf hin, dass es eine neue, umfassendere Theorie geben sollte. Die Suche nach dieser neuen Theorie beruht weitgehend auf Prinzipien wie Einfachheit, Schönheit oder Natürlichkeit. Einer der wichtigsten Ansatzpunkte ist hier natürlich der Higgs-Mechanismus. Von vielen Physikern wird dieser nur als Hilfskonstruktion gesehen, der unter Umständen auf einen tiefer liegenden Mechanismus hindeutet. Denn auch hier finden sich noch einige Schönheitsfehler.

Laut der Theorie wäre das Higgs-Boson das einzige fundamentale Teilchen ohne Eigendrehimpuls. Was erst einmal wie eine kleine Randnotiz aussieht, erweist sich als gravierendes theoretisches Problem. Aus der Wechselwirkung mit den allgegenwärtigen quantenmechanischen Fluktuationen des Vakuums – hier entstehen und verschwinden laufend kurzlebige Teilchen-Antiteilchen-Paare – erhält jedes Teilchen einen Beitrag zu seiner Masse. Die Differenz zwischen dieser „Strahlungsmasse“ und der im Experiment beobachteten physikalischen Masse des Teilchens ergibt die „nackte Masse“. Letztere beschreibt also die Masse, die das Teilchen hypothetisch hätte, wenn es keine Vakuumfluktuationen gäbe.

Unter bestimmten Annahmen lässt sich die Strahlungsmasse für jedes Teilchen berechnen. Bei Teilchen mit einem Spin größer als Null, wie etwa Elektronen und Quarks, fällt die Strahlungsmasse klein aus. Die nackte Masse entspricht damit ungefähr der physikalischen Masse. Anders beim Higgs-Teilchen: Hier hängt die Strahlungsmasse vom Quadrat der höchsten Energie ab, an der das Standardmodell noch Gültigkeit besitzt. Sollte das Standardmodell tatsächlich bis zu Abständen von der Größenordnung der Plancklänge gelten, wäre die Strahlungsmasse hundert Billionen Mal größer als die physikalische Masse des neu entdeckten Teilchens von etwa 125 Gigaelektronenvolt. Es sieht also so aus, als ob die nackte Masse und die Strahlungsmasse fast exakt entgegengesetzt gleich groß wären und sich über viele Größenordnungen kompensieren.

Von neuen Symmetrien und Unteilchen

Formal stellt dies zwar kein Problem dar, aber eine solche enorme Feinjustierung schreit förmlich nach einer Erklärung. Schließlich handelt es sich bei nackter und Strahlungsmasse um zwei völlig verschiedene Dinge. Warum sollten sie also über dreißig Größenordnungen denselben Zahlenwert aufweisen? Eine Lösung dieses Feinjustierungsproblems könnte sein, dass das Standardmodell bereits bei relativ niedrigen Energien – beziehungsweise großen Abständen – durch eine übergeordnete Theorie ersetzt wird. In den meisten Fällen resultieren solche Theorien in neuen Teilchen, die dann am LHC entdeckt werden könnten.

Abgebildet ist eine alte Waage mit zwei Waagschalen. Die nackte Masse als Kugel auf der einen, die Strahlungsmasse als Tetraeder auf der anderen Seite. Der Zeiger der Waage steht genau auf 125 Gigaelektronenvolt.
Nackte Masse und Strahlungsmasse

Die neuen Theorien sind also weder durch irgendwelche inneren Widersprüche des Standardmodells noch durch experimentelle Zwänge motiviert, sondern allein durch Ästhetik. Das Feinjustierungsproblem war in den vergangenen Jahrzehnten wohl die wichtigste Triebfeder beim sogenannten Model Building – der Suche nach Modellen jenseits des Standardmodells. Oft entstehen dabei geniale, revolutionäre, mitunter vielleicht sogar abstruse Ideen, die neue Symmetrien, zusätzliche Raumdimensionen oder völlig neuartige Objekte wie beispielsweise „Unteilchen“ postulieren, und natürlich alle möglichen Kombinationen davon. Die Entdeckung des neuen Teilchens am LHC und das gleichzeitige Fehlen von Signalen anderer neuer Teilchen bedeutet für viele dieser Ideen allerdings das abrupte und definitive Ende.

Physiker und Philosophen stellen sich gleichermaßen die Frage, ob das schwer quantifizierbare Problem der Feinjustierung (Wie viel Feinjustierung ist erlaubt?) wirklich das Kriterium für neuartige Theorien sein kann, oder ob es sich dabei nur scheinbar um ein Problem handelt. Auch diese Frage verschärft sich vor dem Hintergrund der bisherigen Ergebnisse des LHC.

Bislang gibt es keinen Hinweis darauf, dass eine der vorgeschlagenen neuen Theorien verwirklicht ist. Viele Theorien, die das Feinjustierungsproblem lösen oder umgehen wollen, führen zu Ergebnissen, die im Widerspruch zu Messungen stehen. Dies bewirkt eine hohen Dynamik bei der Entwicklung von Modellen, die oft auf sehr eleganten Ideen beruhen, dann aber sehr unattraktiven Modifikationen unterworfen werden müssen, um im Einklang mit den Messungen zu bleiben. Theorien werden zwar selten verworfen, aber oft irgendwann nur noch von einigen hartgesottenen Anhängern verfolgt.

Sollte das Feinjustierungsproblem allerdings real sein, dürfte es in einem Energiebereich gelöst werden, in den der LHC in den nächsten fünf bis sechs Jahren vordringen soll. Dann lassen sich auch Teilchen aufspüren, die bis zu zehnmal schwerer sind als das im Juni 2012 entdeckte Boson. (Quelle: Welt der Physik, Lizenz: CC by-nc-nd)
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Gottes- oder Higgs-Teilchen: Urknallexperiment erfolgreich.

Am europäischen Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik CERN in Genf sind heute die neuesten Ergebnisse der Suche nach dem Higgs-Teilchen vorgestellt worden. In den Daten des Large Hadron Colliders (LHC) wurden deutliche Anzeichen für ein neues Teilchen beobachtet, welches das seit langem gesuchte Higgs-Teilchen sein könnte, dem eine Schlüsselrolle in der Elementarteilchenphysik zukommt. An den Messungen mit dem Großdetektor ATLAS sind die Physiker der Universität Bonn mit vier Professoren und ihren Arbeitsgruppen beteiligt. Sie haben den Pixeldetektor für dieses Experiment entwickelt und sind in Betrieb und Datennahme stark involviert.
In mehreren randvoll mit Wissenschaftlern gefüllten Auditorien am CERN in Genf wurde heute morgen im Rahmen eines Sonderseminars der neueste Stand der Suche nach dem ominösen Higgs-Teilchen vorgestellt. Dem bis heute nur postulierten Higgs-Teilchen kommt in der Teilchenphysik eine Schlüsselrolle zu: Es ist ein zentrales Element in der Standardmodell genannten Theorie und ist dafür verantwortlich, dass die Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Die Messdaten des LHC zeigen deutliche Anzeichen für die Existenz eines neuen Teilchens mit einer Masse von 126 Giga-Elektronenvolt, das heißt ca. 130-mal so schwer wie ein Proton, welches das Higgs-Teilchen sein könnte.

Die Ergebnisse von ATLAS und CMS, den beiden großen Experimenten am LHC, zeigen konsistente und sehr signifikante Hinweise auf das neue Teilchen. „Erste Hinweise auf das Higgs-Teilchen in den Daten des LHC gab es bereits vor einem halben Jahr, doch es war noch zu früh, um von einer Entdeckung zu sprechen”, sagt Prof. Dr. Norbert Wermes vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. Jetzt sind mehr als doppelt so viele Daten aufgezeichnet und untersucht worden. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Ergebnisse der Messung durch eine Fluktuation des Untergrundes erklärt werden könnten, ist kleiner als eins in einer Million.

Ob es sich tatsächlich um das Higgs-Teilchen handelt, oder ob man gar etwas gänzlich Unerwartetem auf der Spur ist, kann erst durch weitere Untersuchungen mit mehr Messdaten entschieden werden. In jedem Fall würde es sich um eine bahnbrechende Entdeckung handeln. „Teilchenphysiker aus aller Welt haben jahrzehntelang auf diesen Tag hingearbeitet und nun scheint er endlich gekommen zu sein”, sagt Prof. Jochen Dingfelder von der Universität Bonn. „Die Entdeckung des vorhergesagten Higgs-Teilchens ist ein großartiger Erfolg für die Teilchenphysik”, sagt Prof. Wermes.

Die im ATLAS-Experiment arbeitenden deutschen Gruppen an 13 Universitäten und Forschungseinrichtungen haben an dieser Entdeckung maßgeblichen Anteil. Die Physiker der Universität Bonn haben in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen aus Dortmund, Siegen und Wuppertal sowie internationalen Partnern den Pixeldetektor entwickelt und wesentlich zum Bau des so genannten Innendetektors für Teilchenspuren des Experiments beigetragen. Sie sind bereits seit 1993 an Planung, Bau und Betrieb des Experimentes beteiligt. Der Pixeldetektor sitzt nur wenige Zentimeter entfernt von der Kollisionszone der LHC-Strahlen und fungiert in gewissem Sinne als Lupe für die Urknallreaktionen, in denen das neue Teilchen jetzt gefunden wurde.

Vier Arbeitsgruppen um die Professoren Ian C. Brock, Klaus Desch, Jochen Dingfelder und Norbert Wermes werten die Messungen des ATLAS-Experimentes am LHC aus. „Neben der Suche nach dem Higgs-Teilchen wird in Bonn auch an Suchen nach noch unentdeckten Phänomenen und Elementarteilchen sowie der Untersuchung des schwersten uns bekannten Elementarteilchens, des Top-Quarks, aktiv gearbeitet”, berichtet Prof. Ian Brock.

Der LHC wird planmäßig noch bis Ende dieses Jahres Daten liefern, bevor er für eine längere Zeit abgeschaltet und für den Betrieb bei höherer Energie bereit gemacht wird. Diese Daten werden helfen, das Higgs-Teilchen noch dingfester zu machen und seine Identität besser zu verstehen „Der LHC hat eines seiner Hauptziele erreicht”, sagt Prof. Klaus Desch. „Die Arbeit fängt jetzt aber erst richtig an. Wir müssen verstehen, ob die Beobachtung mit der Theorie der Teilchenphysik in Einklang ist, und die Eigenschaften des Higgs-Teilchens möglichst detailliert untersuchen.” Die kommenden Monate und Jahre versprechen für die Erforschung der Teilchenwelt spannend zu werden. (Quelle: idw, Bild: KDS)

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Das Gottesteilchen eingekreist


Noch nicht gefunden – aber alle Zeichen deuten auf seine Existenz hin: Das Higgs-Teilchen, welches die Physikerinnen und Physiker am CERN, dem Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik in Genf jagen, wird eingekreist. Das vermelden die beteiligten Forschungskollaborationen. Aufgrund der Daten, die sie in den 18 Monaten seit dem Start des weltgrössten Teilchenbeschleunigers «Large Hadron Collider» (LHC) gesammelt haben, liegen den Wissenschaftlern Hinweise zur Existenz des im Standardmodell vorhergesagten Teilchens vor. Das Higgs-Feld, das nach dem schottischen Physiker Peter Higgs benannt wird, soll allen Teilchen ihre Masse verleihen. Das macht das Higgs-Teilchen zu einem wichtigen Bestandteil im geltenden Verständnis der Physik und deshalb wird es manchmal auch das «Gottesteilchen» genannt.

Die Analyse der bisherigen Daten zeigt, dass bei einem bestimmten Massenwert (125 Gigaelektronenvolt) «mehr charakteristische Ereignisse auftauchen, als es geben würde, wenn das Higgs-Teilchen nicht existierte», erklärt der am ATLAS-Experiment beteiligte Berner Physiker Hans Peter Beck. Die Wissenschaftler stellen aber klar, dass «es zu früh für Schlussfolgerungen ist»: Es braucht mehr Daten, um den noch offenen Massenbereich von 116 bis 130 Gigaelektronenvolt endgültig abzudecken. Das ist der Bereich, in dem das Higgs-Teilchen sich überhaupt noch tummeln kann, die anderen Bereiche wurden gründlich «abgesucht». Beck rechnet damit, dass bis Ende nächstes Jahr definitiv klar ist, ob das Higgs-Teilchen existiert oder nicht. «Mit etwas Glück gehts sogar schneller.»

Der LHC-Teilchenbeschleuniger und die vier Detektoren

Um in bislang unerreichte Dimensionen im Verständnis der Elementarteilchen vorzudringen, lassen die Physikerinnen und Physiker des CERN im 27 Kilometer langen unterirdischen LHC Protonenstrahlen mit je 3,5 Teraelektronenvolt kreisen und mit beinahe Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Bei dieser höchsten jemals künstlich erzeugten Kollisionsenergie simulieren sie den Urknall vor rund 14 Milliarden Jahren – und erhoffen sich ein besseres Verständnis über den Aufbau des Universums. Um das Higgs-Boson – und andere neue Kleinstteilchen – zu entdecken und nachzuweisen, wurden vier riesige Detektoren (ATLAS, CMS, LHCb und ALICE) um die vier Kollisionsstellen am LHC aufgebaut; der grösste würde die Kathedrale Notre-Dame in Paris zur Hälfte füllen, während der schwerste mehr Eisen enthält als der Eiffelturm.
Mit dem ATLAS-Detektor mit seinen sensiblen und ausgeklügelten Spurendetektoren, Kalorimetern, Müon-Spektrometern und hochpotenten Magnetfeldern versucht eine internationale Forschungskollaboration mit Berner Beteiligung den Kleinstteilchen auf die Schliche zu kommen, welche aus den Proton-Proton-Kollisionen entstehen. Das stellt die Wissenschaft schon von Beginn weg vor grosse Herausforderungen: Von den 600 Millionen Proton-Proton-Kollisionen, die pro Sekunde im ATLAS-Detektor stattfinden, sind nur gerade 200 interessant genug, um deren Daten zu analysieren. Bei dieser Datenselektion ist der Physiker Hans Peter Beck federführend, er spielt seit 1997 bei der Systemarchitektur der Ereignisselektion und deren Inbetriebnahme eine führende Rolle. Sigve Haug erstellte in Bern einen grossen Grid-Computer-Cluster (500 CPU cores und 200 Terabytes an Diskspeichern), um die riesige Daten-Menge zu bewältigen. (Quelle: idw)

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Wird das »Gottesteilchen« dieses Jahr in Genf erscheinen?

Video: Interview mit Rolf-Dieter Heuer, ab 1. Jan. 2009 Generaldirektor des CERN

Wenn Physiker wieder einmal merken, dass sie die Welt nicht erklären können, machen sie Witze. So auch der Nobelpreisträger für Physik des Jahres 1988, Leon Ledermann. Zur Erklärung dessen, woraus die Welt in ihren kleinsten Einheiten besteht, dient das Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Dummerweise kann diese Theorie nicht erklären, warum ein bestimmtes Teilchen eine Masse hat. So witzelte Ledermann: Die Masse stammt von Gott. Laut Standardmodell werden alle physikalischen Eigenschaften durch Teilchen verursacht. Deshalb ist das Teilchen, von dem andere Teilchen ihre Masse empfangen das »Gottesteilchen«.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt durch mathematische Formulierungen die Erscheinungen und Wechselwirkungen der Teilchen in der subatomaren Welt. Zur Erklärung, wie die Grundkräfte der Physik zwischen den Elementarteilchen vermittelt werden, dienen sogenannte Austauschteilchen (Eichbosonen). Beispielsweise ist das Lichtteilchen (Photon) so ein Austauschteil. Das Standardmodell wird durch physikalische Experimente gut bestätigt. Allerdings ist die Theorie unvollständig. Es gibt in ihr freie Parameter, die nicht durch eine Formel, sondern nur durch Schätzung oder Messung bestimmt werden können. Die Masse ist so ein freier Parameter. Um eine der Lücken im Standardmodell zu schließen, postulierte der britische Physiker Peter Higgs in den 1960er Jahren ein Gottesteilchen. Es ist ein Austauschteilchen, das seinen Namen trägt: Higgs-Boson. Dieses Higgs-Boson soll den zunächst masselosen Elementarteilchen ihre Masse geben. Aber bisher wurde es noch nicht entdeckt.

Seit Jahren suchen die Teilchenphysiker der ganzen Welt mit immer größerem technischem Aufwand nach dem Gottesteilchen. Denn die Theorie der Materie und der Elementarteilchen steht auf den schwankenden Füßen des Higgs-Bosons. Mit der Existenz oder Nichtexistenz dieses Teilchens steht und fällt ein ganzes Theoriengebäude der Physik. Bisher brachte die jahrelange Forschung keinen einzigen Hinweis auf seine Existenz. Nun soll es der größte Tempel der modernen Physik, das Kernforschungszentrum CERN in Genf mit der gigantischen Teilchenschleuder LHC richten. Das wohl teuerste Experiment der Erde soll dieses Jahr das hervorbringen, was andere schwächere Teilchenbeschleuniger nicht vermochten, die Erscheinung des Gottesteilchens auf Erden.

»Es vibriert förmlich in der globalen Gemeinde der Teilchenphysiker. Sie warten jetzt darauf, dass die Maschine anläuft, …«, bestätigt Rolf-Dieter Heuer, der neue Leiter von CERN in einem Interview mit der ZEIT online (3.9.2008). Ergänzend fügt er hinzu: »Ich bin sicher, der LHC öffnet Türen für das Verständnis des Mikrokosmos und des Universums.«

Linktipp:

Haben die kleinsten Bausteine der Materie Bewusstsein?