Die Physik des Higgs-Teilchens ist ziemlich verrückt: Es bremst andere Teilchen, so dass sie eine Massebekommen, das Vakuum ist voller Teilchen, einige Teilchen werden von anderen gefressen, ach ja, Tachyonen spielen auch noch eine Rolle dabei.
Im ersten Teil haben wir gesehen, dass das Higgsteilchen den Materieteilchen ihre Masse verleiht. Dazu muss aber das ganze Vakuum mit dem Higgsfeld angefüllt sein. Wie das geht? Das – und noch einiges mehr – schauen wir uns jetzt an.
Das Higgs-Vakuum
“Vakuum ist, wenn da gar nichts ist, und wenn man ne Maus reintut, sie trotzdem drin krepiert.” So eine Definition, die ich irgendwann vor ewigen Zeiten mal im Fernsehen gehört habe. Wenn wir alles weggeräumt haben, was sich wegräumen lässt, dann bleibt Vakuum übrig.
Vakuum ist aber nicht leer – dank der seltsamen Quanteneffekte passieren im Vakuum ständig irgendwelche Dinge, es bilden sich für Bruchteile von Sekunden beispielsweise Teilchen-Antiteilchen-Paare. Im Vakuum steckt immer auch eine gewisse Energie, oft als Nullpunktsenergie bezeichnet – die kann man allerdings dem Vakuum nicht entziehen, auch wenn euch windige Pseudowissenschaftler etwas anderes erzählen wollen, das klappt nur in der Science Fiction.
Damit wir überall ein Higgs-Feld haben, muss das Vakuum also mit diesem Feld angefüllt sein – wir denken, dass es Vakuum ist, aber in Wahrheit ist noch jede Menge Higgs drin. Aber wo soll die Energie für das Higgs-Feld herkommen?
Auch dafür haben sich die Physiker etwas einfallen lassen: Das Higgs-Feld hat eine höhere Energie, wenn es gleich Null ist. Das häufig hierzu gezeigte Bild sieht so aus:
By Gonis from es, CC BY-SA 3.0, Link
Man spricht auch oft vom “Sombrero-Potential” (oder “mexican hat”). Aufgetragen ist hier nach oben die Energie gegen den Wert des Higgs-Feldes. Das Higgs-Feld hat hier zwei Komponenten, deswegen ist das Bild dreidimensional. In der Mitte, wo das Feld gleich Null ist, ist die Energie höher als in der “Rinne” der Hutkrempe. Ein Feldwert gleich Null ist also instabil, genau wie eine Kugel, die ihr auf die Mitte des Sombreros setzt. Die Kugel würde ja bei der leichtesten Störung herunterrollen und schließlich irgendwo in der Hutkrempe liegen bleiben. (Weil der Hut mit Kugel in der Mitte symmetrisch ist, aber mit Kugel in der Krempe nicht mehr, spricht man oft auch von einer “spontanen Symmetriebrechung”).
Ein solches Verhalten lässt sich relativ leicht in eine Quantenfeldtheorie einbauen, man muss nur ein einziges Vorzeichen in der zentralen Formel umdrehen, nämlich da, wo die Masse steht. Genau gesagt wird aus einem +m2 ein -m2.
Was das bedeutet? Das bedeutet, dass das Higgs-Feld ein Feld ist, bei dem das Massenquadrat negativ ist. Und damit wird die Masse selbst mathematisch imaginär (denn wenn m2 negativ sein soll, dann geht das nur, wenn m ein Vielfaches der imaginären Einheit √(-1) ist). Das Higgs-Feld ist deshalb kein gewöhnliches Feld – das klingt jetzt wie Science Fiction, ist es aber nicht -: es ist tachyonisch. Tachyonen sind ja hypothetische Teilchen, die überlichtschnell fliegen können; das habe ich neulich ausführlich diskutiert. Dort habe ich allerdings den Aspekt, auf den es hier ankommt, nicht so stark betont: Ein einfaches Tachyon-Feld ist instabil.
Das sehen wir ja an dem Sombrero-Bild oben: Dadurch dass das Vorzeichen am Massenterm negativ ist, ist der Sombrero direkt am Nullpunkt nach unten gekrümmt – wieder nach oben krümmt er sich wegen weiterer Terme, die die Wechselwirkung des Higgsfeldes mit sich selbst beschreiben. (Mathematisch sind das höhere gerade Potenzen des Higgsfeldes, also z.B. hoch 4.)
Aus irgendeinem Grund, der mir absolut nicht klar ist, wird dieser Aspekt bei Diskussionen des Higgs-Mechanismus selten hervorgehoben. Es ist aber nicht daran zu rütteln: Das ursprüngliche Higgsfeld ist ein Tachyon-Feld.
Aber bevor ihr jetzt anfangt, euer überlichtschnelles Telefon zu planen oder die erste Zeitmaschine zu konstruieren (oder das CERN zu verklagen, weil finstere Forscher dort eine Zeitmaschine bauen), hier die schlechte Nachricht: Tachyonen habt ihr nur, solange das Higgsfeld verschwindet und euer Vakuum noch am Nullpunkt in der Mitte des Sombreros sitzt.
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