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Interview Matthias Schott

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Zum besseren
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HIGGS-Teilchen
Das HIGGS-Teilchen, auch HIGGS-Boson, HIGGS-Partikel oder Gott-Teilchen genannt, entsteht, wenn Elementarteilchen mit dem HIGGS-Feld wechselwirken. Es wurde 1964 von Peter Higgs vorhergesagt.

Quarks
Kleinste bekannte Bausteine der Materie. Protonen und Neutronen sind aus je 3 Quarks aufgebaut. Genauere Erklärung hier

E=mc²
Bedeutet: Masse und Energie können ineinander umgewandelt werden, jeder Masse kann ein Energiewert zugeordnet werden und umgekehrt. Genauere Erklärung hier

Peter Higgs
Britischer Physiker Jahrgang 1929. Im Jahr 1964 veröffentlicht Peter Higgs seine Arbeit zum HIGGS-Mechanismus, der beschreiben soll, wie Teilchen ihre Masse erhalten.

Skalar
Physikalische Größe, die ohne die Angabe einer Richtung beschrieben wird. Beispiele: Masse, Temperatur, Länge.

Vektor
Physikalische Größe mit Richtung. Um z.B. eine Geschwindigkeit zu beschreiben, benötigt man neben dem Zahlenwert auch noch eine Richtungsangabe.

Interview mit CERN-Physiker Dr. Matthias Schott

Teil 2: Über das HIGGS-Teilchen und den HIGGS-Mechanismus

 

Drillingsraum: Was ist das HIGGS-Teilchen?

Dr. Matthias Schott: Zunächst mal ganz theoretisch: Das Higgs-Teilchen ist ein massives, skalares Teilchen, dass vom Standard-Modell der Teilchenphysik postuliert wird. Bisher konnte es aber in keinem Experiment nachgewiesen werden.

Jetzt aber im Detail: Das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle bisherigen Experimente sehr sehr gut. Eine Grundlage der Theorie ist, dass sich alle Kräfte (auch Wechselwirkungen genannt) durch Felder beschreiben lassen. Ein Beispiel für diese Felder sind zum Beispiel elektromagnetische Felder, die ja durch die bekannten Maxwell-Gleichungen beschrieben werden. Da es sich beim Standardmodell um eine Quantentheorie handelt, quantisiert man diese Felder, d.h. man ordnet jedem Feld ein Teilchen zu. Im Falle vom elektromagnetischen Feld sind die zugehörigen Quanten die Photonen. Diese Photonen dienen als Austauschteilchen, die die Kraft zwischen zwei elektrisch geladenen Teilchen vermitteln. Ähnlich ist es nun beim Higgs-Teilchen. Die Quanten des Higgs-Feldes nennt man Higgs-Bosonen (also Higgs-Teilchen), und diese koppeln an Teilchen, die Masse haben.

Drillingsraum: Wie kam man überhaupt darauf, ein HIGGS-Teilchen zu postulieren?

Dr. Matthias Schott: Dummerweise muss man auch für diese Frage recht weit ausholen: Die ganze (oder zumindest ein sehr großer Teil der) Physik die wir kennen basiert auf irgendwelchen Symmetrien: So folgt zum Beispiel die Impulserhaltung aus der Tatsache, dass es egal ist an welchem Ort im Raum ich ein gewisses Experiment durchführe. Nun, das Standardmodell basiert auch auf Symmetrien, die man Eichsymmetrien nennt. Wenn man nun den Teilchen des Standardmodells eine Masse geben will, schreibt man naiverweise einfach die Masse der Teilchen dazu, also ähnlich wie bei F = m*a. Das Problem ist aber, dass dieses

 
Bilderserie: Ein kleines Comic soll den HIGGS-Mechanismus darstellen
higgs_mechanismus

Hinzuschreiben die Struktur der Gleichungen so ändert, dass sie eben nicht mehr Eichsymmetrisch sind. Damit verliert die gesamte Theorie in gewisser Weise ihre Grundlage und man kann die Theorie nicht mehr nutzen um Vorhersagen zu treffen. Also brauchte man eine andere Methode um den Teilchen im Standardmodell Masse zu geben, und da kam Peter Higgs eben auf die Lösung mit dem Higgs-Feld. Ich weiß, das Ganze ist ziemlich abstrakt, aber Teilchenphysik ist eben abstrakt.

By the way: Die grundlegende Idee kommt glaube ich aus der Festkörperphysik.

Drillingsraum: Wie kann man ein HIGGS-Teilchen im Detektor nachweisen, wie funktioniert das genau?

Dr. Matthias Schott: Das Higgs-Teilchen selbst zerfällt im Teilchendetektor so schnell in andere Teilchen, dass man lediglich seine Zerfallsprodukte nachweisen kann. Welche Zerfallsprodukte das sind, hängt nun ganz von der Masse des Higgs-Teilchens ab, die wir ja noch nicht kennen. Nehmen wir zum Beispiel an, dass das Higgs-Teilchen mehr als doppelt so schwer ist, wie zwei Z-Bosonen, so zerfällt es meist auch in zwei Z-Bosonen.

Test der Dipolmagnete
cryodipole
 
Nun müssen wir also nur nach diesen beiden Z-Bosonen suchen. Dummerweise zerfallen auch diese sehr schnell in andere Teilchen, so zum Beispiel in jeweils zwei Elektronen. Elektronen sind stabile Teilchen und zerfallen nicht weiter. Wir suchen im Detektor also nach vier Elektronen, die ungefähr gleichzeitig entstanden sind. Das Problem an der Sache ist, dass vier Elektronen bei Kollisionen von Protonen sehr häufig entstehen, ohne dass ein Higgs-Teilchen im Spiel war. Also muss man sich sehr lange Gedanken darüber machen, wie man Elektronen die zufällig entstanden sind von solchen, die von einem Higgs-Boson stammen könnten, unterscheidet. Dies ist meist die Hauptaufgabe eines experimentellen Teilchenphysikers.

Drillingsraum: Laut dem Physiker Peter Higgs kommt die Masse der Teilchen durch den HIGGS-Mechanismus zustande. Laut Einsteins E=mc² „entsteht“ Masse aber auch dann, wenn man den Energiegehalt eines Teilchens erhöht. Wie passen diese zwei Theorien zusammen?

Dr. Matthias Schott: Im Standardmodell ist die spezielle Relativitätstheorie integriert, es ist sogar ein fundamentaler Bestandteil. Also sind es in gewisser weise keine zwei Theorien. Nun aber zur Masse: Betrachten wir hierfür vielleicht die Masse eines Protons. Ein Proton besteht nach dem Standardmodell aus drei Quarks. Naiverweise würde man annehmen, dass die Masse der Quarks also ungefähr 1/3 der Masse des Protons beträgt. Dies ist jedoch falsch, denn die Masse der Quarks ist viel viel kleiner.

Wie kommt dann die relativ große Masse des Protons zu Stande? Nun, die Quarks ziehen sich sehr stark an und sind ja in einem gebundenen Zustand. Ein Proton hat also sehr sehr viel "Bindungsenergie". Und diese Bindungsenergie verhält sich nach Einsteins E=mc² wie eine Masse. Ein Großteil der gesamten Masse die wir im Alltag beobachten können ist also eigentlich nur "Bindungsenergie". Bleibt noch die Masse der Quarks aus dem Proton zu klären. Diese wird nun durch den Higgs-Mechanismus generiert.

Drillingsraum: Kann man in einfachen Worten erklären, wie der HIGGS-Mechanismus den Teilchen ihre Masse verleiht?

 
Schwarzes Loch in ATLAS
black_hole

Dr. Matthias Schott: In einfach Worten kann man sich das Ganze so vorstellen: Die Higgs-Teilchen koppeln bzw. wechselwirken mit allen Elementarteilchen, die Masse haben. Diese Wechselwirkung kann man sich als eine Art Reibung vorstellen. So ist es zum Beispiel schwerer ein Objekt im Wasser zu beschleunigen als im Vakuum. Diese Reibung im Wasser kann man als eine Art Masse interpretieren, da schwerere Objekte auch schwerer zu beschleunigen sind. Das Ganze ist nur ein Bild, aber im Prinzip kann man sich vorstellen, dass die Teilchen durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld Masse bekommen.

 
 
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