Die Nachricht ging zwar bereits im Sommer durch die Wissenschaftspresse, aber jetzt gibt es auch die zugehörigen Veröffentlichungen zu lesen: Der häufigste Zerfall des Higgs-Bosons wurde jetzt endlich beobachtet. Das liest sich erst mal seltsam: haben wir nicht das Higgs-Boson seit 2012 bereits in den Beschleunigern gesehen? Wieso haben wir dabei den “häufigsten Zerfall” nicht beobachtet? Sind die Physikerinnen* alle doof?

*Ja, wie üblich benutze ich feminine Formen, das regt hoffentlich niemanden mehr auf.

Schauen wir also mal etwas genauer hin, was da gemacht wurde und warum. Dazu erstmal ein kurzer Blick auf das Higgs-teilchen und Higgs-Feld. (Dazu habe ich schon sehr oft geschrieben, hier findet ihr einen Überlick über die meisten Artikel, oder ihr tippt einfach “Higgs” in die Suchmaske oben ein..) Man liest ja gern, dass das Higgs-Teiclhen allen anderen Teiclhen “ihre Masse verleiht” – aber das ist ziemlich ungenau ausgedrückt.

Um etwas genauer zu sein, muss man zwischen dem Higgs-Teilchen und dem sogenannten Higgs-Feld unterscheiden. Das Higgsfeld ist ein Quantenfeld – es erfüllt den gesamten Raum und ist immer und überall präsent. Interessanterweise ist der Wert (genauer gesagt, der Erwartungswert) dieses Feldes im Vakuum nicht Null, sondern von Null verschieden. Das liegt daran, dass ein Wert von Null bei diesem Feld nicht stabil ist. Der Vakuumzustand hat sich deshalb kurz nach dem Urknall so verändert, dass das Higgs-Feld seinen aktuellen wert (246GeV in den üblichen Einheiten) bekommen hat. Das ist ein bisschen analog zu einem Bleistift, den ihr auf einem Tisch auf seine Spitze stellt: Wenn ihr ihn perfekt ausbalanciert, dann kann er stehen bleiben, aber die kleinste Störung führt dazu, dass der Bleistift zur Seite wegkippt. (Und da der Bleistift n eine Richtung kippt, ist im System aus Bleistift und Tisch nach dem Umkippen eine Richtung ausgezeichnet, nämlich die, in die der Bleistift zeigt. Sowas nennt man “spontane Symmetriebrechung”, aber das führt eigentlich ein bisschen vom Thema ab und ich schreibe es nur, weil ich  ja fast immer irgendwelche unnötigen Extras in meine Artikel stopfe….)

In unserem heutigen Universum ist das Higgs-Feld also überall ungleich Null und hat überall denselben Wert. Andere Teilchen (wie Elektronen oder Quarks) können jetzt mit diesem Higgsfeld (ja, ich schreibe das mal mit, mal ohne Bindestrich, sorry, bin zu faul das einheitlich zu machen) wechselwirken. Diese Wechselwirkung äußert sich (durch einen Quantenprozess, den ich hier nicht im Detail erkläre, dazu gibt es ja die anderen Artikel) wie eine Masse – man kann sich ein bisschen vorstellen, dass das Higgsfeld die Ausbreitung der Teilchen beeinflusst. Wer’s genau wissen will, kann das in diesem Artikel nachlesen. Wichtig ist, dass ein Teilchen damit eine um so größere Masse hat, je stärker es mit dem Higgsfeld wechselwirkt – Elektronen merken vom Higgsfeld nicht so viel und sind deshalb leicht, ein Top-Quark wird vom Higgsfeld stark beeinflusst und ist sehr schwer. (Neutrinos haben auch eine Masse, die kommt aber vielleicht nicht vom Higgsfeld, sondern woanders her – woher genau, weiß keiner…)

Fazit: es ist also das (überall im Universum vorhandene ) Higgs-Feld, das den Teilchen ihre Masse verleiht. Das Higgs-Teilchen ist aber etwas anderes: es ist eine Anregung des Higgsfelds, sozusagen eine lokale Störung dieses Felds. (Genauso wie man ein Elektron als lokale Störung des Elektron-Feldes ansehen kann, nur dass das Elektron-Feld im Vakuum einen Wert von Null hat – im Vakuum sind keine Elektronen. (Mal abgesehen von Vakuumfluktuationen…)) Das Higgsfeld so zu stören, braucht ne Menge Energie – diese Energie ist die Masse des Higgsteilchens, die einen Wert von etwa 125GeV (wieder in den seltsamen Energieeinheiten der Physik) hat – das Higgs ist damit etwa 250000 mal schwerer als ein Elektron. (Das Higgs-Teilchen selbst bekommt seine Masse also nicht vom Higgsfeld.)

Am Teilchenbeschleuniger LHC am CERN werden Protonen aufeinander geballert, und zwar mit so viel Energie, dass dabei Higgs-teilchen entstehen können. Diese Higgs-Teilchen sind aber nicht stabil, sondern zerfallen nahezu sofort wieder (in etwa 0,000 000 000 000 000 000 000 1Sekunden) in irgendwelche anderen Teilchen, Diese anderen Teilchen (beispielsweise Quarks, Myonen oder sonst etwas) zerfallen dann ihrerseits auch wieder.  Die ganzen Zerfallsprodukte landen in den vielen Detektoren und werden dort analysiert und daraus, was am Ende gemessen wir, rekonstruiert man dann, was im Prozess passiert ist. Das ist ziemlich kompliziert (naja, es ist eher hölle-kompliziert), weil bei so einem Prozess alles mögliche passieren kann. Es werden ja nicht nur Higgsteilchen erzeugt, wenn man Protonen aufeinanderballert, sondern es kann auch jede Menge anderer Kram entstehen. Die Analyse der Zerfälle ist deshalb eine Wissenschaft für sich, aber die Details erzähle ich hier nicht (zumal mein Wissen dazu zum Großteil aus den 90er Jahren stand, als ich seinerzeit am DESY in Hamburg im ZEUS-Detektor-Seminar saß, damals, als ein Gigabyte als große Datenmenge galt…).

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Kommentare (18)

  1. #1 bonesix
    9. Dezember 2018

    *Ja, wie üblich benutze ich feminine Formen, das regt hoffentlich niemanden mehr auf.”

    Ist aber diskriminierend da es Männer ausschließt … das generische Maskulinum hingegen nicht.

    Physikerinnen mein definitiv ausschließlich Frauen.
    Physiker meint Frauen UND Männer

    Frauen haben wenigstens ihre eigene feminine Form. Männer haben das nicht. Auch diese sind beim generischen Maskulinum nur mitgemeint, nicht nur die Frauen. Das wird gerne übersehen. Will man ausschließlich männliche Physiker ansprechen ist man gezwungen das Wort “männlich” voran zu stellen.

  2. #2 MartinB
    9. Dezember 2018

    @bonesix
    Das haben wir hier alles bis zum Abweinken diskutiert – und die Forschung gibt dir unrecht: Das generische maskulinum wird nicht so verstanden, dass Frauen gleichberechtigt mitgedacht werden.

  3. #3 Goho
    9. Dezember 2018

    Es ist wissenschaftlich belegt, dass du hier nur üble Gender-Jauche ablädst.

  4. #4 christ
    10. Dezember 2018

    Die Lebensdauer des Higgsteilchens beträgt also 10 hoch minus 21 Sekunden. Das ist sehr kurz. Ist es dann nur als heller Punkt zu sehen, der zerstrahlt? Oder zeigt der Detektor nur an, dass da etwas ist, was als Higgsteilchen interpretiert wird ?

  5. #5 rolak
    10. Dezember 2018

    10⁻²¹

    Wenns mit dem StellenZählen hapert und der Artikel offensichtlich bestenfalls überflogen wurde – ist dann Antworten auch nur ansatzweise sinnvoll?

  6. #6 MartinB
    10. Dezember 2018

    @christ
    Es sollten 1e-22 sein (die Null vorm Komma zählt mit) und man beobachtet die Zerfallsprodukte in den Detektoren wie ja auch kurz im Text erklärt.

  7. #7 schorsch
    10. Dezember 2018

    Hier eine kurze regex, um MartinB-Artikel lesbar zu machen:

    perl -pe ‘s/\(.*?\)//g’

  8. #8 MartinB
    10. Dezember 2018

    @schorsch, Goho und andere
    Faszinierend – ihr erwartet selbstverständlich, dass sich jeder von männlichen Formen angesprochen fühlt, aber wenn ich mal eine weibliche verwende, braucht ihr alle gleich Riechsalz…
    Weitere diesbezügliche Kommentare werde ich schlicht löschen.

  9. #9 schorsch
    10. Dezember 2018

    Ähhmm… Mit regexes (regular expressions) hast du’s nicht so, oder? Der von mir zitierten Expression sind grammatisches wie biologisches Geschlecht völlig egal.

    Die eliminiert vielmehr deine immer wiederkehrenden und massiv den Lesefluss störenden in Klammern gesetzten Abschweifungen.

    Nicht nur pro Satz mindestens ein in Klammern gesetzter Nebensatz – nein, sogar komplette Sätze, die ausschließlich aus geklammerten Nebensätzen bestehen (vierter Absatz, letzter Abschnitt, fünfter Absatz letzter Satz…). <- So klammert man richtig!

  10. #10 MartinB
    10. Dezember 2018

    @schorsch
    Sorry, nein, ich war zu faul das aufzudröseln, nutze perl nicht und wusste nicht, wie da die Ersetzungsregeln gehen. Ich dachte, dass sollte irgendwie gender-Sternchen oder so eliminieren. Dann bist du in #8 natürlich nicht gemeint und ich entschuldige mich.

    Was die Klammer-Abschweifungen angeht – ich mag sie. Ist ja das schöne bei so einem informellen Medium wie Blog, dass man auch mal vom Hölzchen aufs Stöckchen kommen und etwas schludrig formulieren darf. Und wer’s nicht mag, kann ja bis zum Ende des Klammerausdrucks springen.

  11. #11 schorsch
    10. Dezember 2018

    Hallo Martin,

    auch ich muss um Entschuldigung bitten, die Kommentarfunktion für so ein dünnes Witzchen mißbraucht zu haben.

    Dieser Filter hat mir heute morgen zwar tatsächlich die Konzentration auf den eigentlichen Inhalt erleichtert – aber genau genommen war diese weniger duch Deine Abschweifungen gestört, als vielmehr durch meine laute und hektische Arbeitsumgebung.

  12. #12 MartinB
    10. Dezember 2018

    @schorsch
    Dann ist ja alles gut, wir singen den “Schwamm-drüber-Blues” und die Teletubbies haben sich wieder ganz doll lieb…

  13. #13 tomtoo
    11. Dezember 2018

    Wie kommt man darauf dass Neutrinos nicht mit dem Higgsfeld wechselwirken? (Darf man das so sagen?)

  14. #14 MartinB
    11. Dezember 2018

    Im wesentlichen liegt das daran, dass man da Probleme mit der Chiralität (salopp gesagt dem DRehsinn) der Neutrinos bekommt – alle beobachteten Neutrinos sind linkshändig, aber das passt nicht so gut zur Kopplung ans Higgs. Man kann die Neutrino-Masse über’s Higgs erklären, muss dann aber ein rechtshändiges Neutrinofeld postulieren, das nahezu unmöglich zu detektieren wäre.
    Kurz erklärt z.B. hier:
    https://physics.stackexchange.com/questions/99770/do-neutrinos-not-couple-to-the-higgs-field

  15. #15 tomtoo
    11. Dezember 2018

    Hab auf Wiki nachgelesen. Far, far away over my Brain. : )

  16. #16 MartinB
    11. Dezember 2018

    EIn bisschen ist es in dem zweiteiligen Higgs-Artikel auch hier im Blog erklärt, da steht zumindest was über Chiralität und diese Dinge…

  17. #17 Reggid
    11. Dezember 2018

    @tomtoo

    prinzipiell spricht eh nichts dagegen dass Neutrinos mit dem Higgs wechselwirken.

    wenn man ihre “unnatürlich” kleine masse im vergleich zu den anderen teilchen einfach akzeptiert kann man es auch einfach so stehen lassen, dass neutrinos ihre masse genauso über den higgs-mechanismus erhalten wie alle anderen fermionen auch.

    es ist aber so dass neutrions erstens eine sehr sehr viel kleinere masse haben als alle anderen teilchen, was man als seltsam und daher erklärungsbedürftig empfinden kann, und zweitens dass die rechtshändigen neutrinos under allen wechselwirkungen (außer der graviation) ungeladen wären. und eben diese Tatsache erlaubt es dass es für die Massenerzeugung der Neutrinos mehr Möglichkeiten gibt als für die anderen Teilchen (weil dann manche zusätzlichen terme nicht durch irgendwelche symmetrien verboten sind), womit man dann z.B. Erklärung für die Winzigkeit der massen konstruieren kann.

    dafür gibt es dann eine vielzahl von modellen. bei manchen davon wechselwirken die neutrinos mit dem higgs-boson, bei manchen wechselwirken sie mit mehreren hypothetischen higgs-bosonen, bei manchen wechselwirken sie mit keinem higss-boson.

    hypothetische modelle dazu gibt es unzählige, wirklich wissen tun wir eigentlich nichts.

    daher stimme ich MartinB zu wenn er über die enstehung der neutrinomassen schreibt “woher genau, weiß keiner”, aber ich stimme nicht zu bei “die kommt aber nicht vom Higgsfeld, sondern woanders her”, denn eigentlich wissen wir nichtmal das.

  18. #18 MartinB
    12. Dezember 2018

    @Reggid
    Hast recht, ich habe mal oben ein “vielleicht” eingefügt.