La fisica delle particelle esplora gli elementi fondamentali della materia e le loro interazioni, che determinano la struttura della materia nel nostro universo. Il portale web rende questa affascinante ricerca comprensibile ad un pubblico interessato.di più

Immagine: ESO, R. Fosburydi più

Lehrerfortbildung

Wie der Sumo-Ringer zu seiner Masse kommt

Im November trafen sich die Physiklehrer aller Kantonalberner Gymnasien in Burgdorf zu einem Weiterbildungstag. Ein Referent war Thomas Becher, Professor für Theoretische Physik an der Universität Bern. Becher nutzte die Gelegenheit, den Lehrkräften einen vertieften Einblick in das Higgs-Teilchen zu gewähren. Das neue Elementarteilchen war vor wenigen Monaten am CERN in Genf entdeckt worden. Mit seiner Entdeckung bestätigten die Forscher auch die Existenz des zugehörigen Higgs-Feldes. Was aber hat es mit diesem Higgs-Feld genau auf sich? In Medienberichten war zu lesen, dieses Feld sorge dafür, dass Materie Masse habe. Das ist so nicht richtig, wie Thomas Becher den Physiklehrerin in Burgdorf erklärte. Wir zitieren hier die entscheidende Passage aus seinem Vortrag:

Thomas Becher, Professor für Theoretische Physik an der Universität Bern

Auf diesem Bild sehen Sie einen Sumo-Ringer1). Hat der Sumo-Ringer seine Masse daher, weil es das Higgs-Teilchen und das Higgs-Feld gibt? Keineswegs! Für den grössten Teil seiner Masse sind die Protonen und Neutronen verantwortlich, aus denen er besteht. Protonen (wie Neutronen) bestehen jeweils aus drei Quarks, und die Masse von Protonen rührt im wesentlichen aus der Bindungsenergie, die die Quarks zusammenhält. Die Masse von Protonen kommt also von der Energie ihrer Bausteine, die innerhalb des Protons mit hoher Energie herumfliegen. Wie gross diese Masse ist, kann man mit der Einstein-Formel leicht berechnen: m = E/c2. Man erhält die Masse des Protons also dadurch, dass man seine Bindungsenergie durch die quadrierte Lichtgeschwindigkeit teilt.

Auf diesem Weg kann man gut und gern 95 Prozent der Masse von Protonen (und von Neutronen) erklären. Nur die fehlenden fünf Prozent sind eine Folge des Higgs-Feldes. Das Higgs-Feld ist also nur für einen Bruchteil der Masse verantwortlich, die Protonen (und Neutronen) haben. Salopp ausgedrückt: Könnte man das Higgs-Feld ausschalten und somit seine Wirkung aufheben, würde der Sumo-Ringer nur um fünf Prozent leichter.

Eines haben wir bisher allerdings nicht berücksichtigt: Der Sumo-Ringer besteht nicht nur aus Protonen und Neutronen, sondern auch noch aus Elektronen. Die Masse des Elektrons ist zwar zweitausend Mal kleiner als die Masse des Protons, sie hängt aber ausschliesslich vom Higgs-Feld ab! Würde das Higgs-Feld abgeschaltet, verlören die Elektronen ihre komplette Masse – sie würden 'ungebremst' mit Lichtgeschwindigkeit davonfliegen. Schlecht für den Sumo-Ringer.

Kurz zusammengefasst: Materie bekommt nur einen Teil ihrer Masse durch das Higgs-Feld. Doch alle Elementarteilchen, die Masse haben (Quarks, Elektronen und andere), haben ihre Masse gänzlich vom Higgs-Feld.

Thomas Becher hat den Berner Physiklehrerinnen und -lehrern auch erklärt, wie die Physiker auf das Higgs-Feld gekommen sind. Der US-amerikanische Physiker Sheldon Glashow (*1932) hatte 1961 eine neue Theorie für die schwache Wechselwirkung2) vorgeschlagen. Dies ist die bis heute gültige Theorie für die schwache Kraft und Glashow hat für ihre Entdeckung 1979 den Nobelpreis erhalten. Zur Zeit ihrer Erfindung stand sie aber in einem Aspekt in krassem Widerspruch zur beobachteten Natur: Aus der Theorie folgte, dass Elementarteilchen masselos sind. Das aber ist offenkundig unsinnig, weil Messungen zeigen, dass Elementarteilchen sehr wohl Masse haben. Thomas Becher wählte für seine Erklärung des Problems das Beispiel des Elektrons.

Elektronen haben eine Eigenschaft, die man Spin nennt. Der Spin ist ein Drehimpuls, wie man ihn vom Kreisel kennt. Allerdings haben Elektronen auch dann einen Spin, wenn sie sie in Ruhe verharren. Der Spin kommt in zwei Ausprägungen vor: er ist linkshändig oder rechtshändig. In einem Aspekt ist die schwache Wechselwirkung äusserst speziell: Sie bevorzugt Linkshänder und lässt Rechtshänder links liegen! Mit anderen Worten: Ein Elektron mit einem linkshändigen Spin trägt eine schwache Ladung, ein Elektron mit einem rechtshändigen Spin, trägt keine solche Ladung.

Kommen wir also zu unserem Widerspruch! Eine wichtige mathematische Gleichung ist für uns Physiker die Dirac-Gleichung. Diese Gleichung besagt, dass ein Elektron nur dann eine Masse haben kann, wenn es ständig zwischen den Spin-Eigenschaften linkshändig und rechtshändig hin und her wechselt. Doch das verbietet das Gesetz der Ladungserhaltung! Denn wechselt ein Elektron zwischen linkshändig und rechtshändig, dann trägt es einmal Ladung (linkshändig), im nächsten Moment aber keine Ladung (rechtshändig). Das aber kann nicht sein, weil nach dem Gesetz der Ladungserhaltung eine einmal gegebene Ladung erhalten bleiben muss.

Auf den Punkt gebracht: Gemäss den obigen Überlegungen dürften Elektronen und andere Elementarteilchen also keine Masse haben! Das aber ist ein eklatanter Widerspruch zur Wirklichkeit. Denn unsere Beobachtungen zeigen uns ja, dass Elementarteilchen Masse haben!

Der Physiker Glashow war sich bewusst, dass seine Theorie ein grosses Problem hatte, wusste aber nicht, wie er es lösen konnte. Die Physiker mussten sich etwas Neues einfallen lassen, um ein schlüssiges Erklärungsmodell zu finden, das die Natur korrekt beschreibt. Dazu dachten sie sich das Higgs-Feld aus! Das Higgs-Feld ist überall, es füllt den letzten Winkel des Universums aus. Und es sorgt dafür, dass die Elementarteilchen Masse haben. Wie das geht, hat Thomas Becher in Burgdorf anschaulich erklärt:

Das Higgs-Feld hat die Eigenschaft, dass es Ladung (genau genommen: schwache Ladung) trägt. Man kann sich das Higgs-Feld also anschaulich vorstellen wie einen riesigen, den ganzen Kosmos ausfüllenden See aus lauter Ladungen.

Was passiert nun, wenn ein Elektron in diesem 'Ladungs-See' (Higgs-Feld) unterwegs ist? Nehmen wir an, dieses Elektron ist linkshändig, trägt also eine Ladung. Ist das Elektron im Higgs-Feld unterwegs, kann es seine Ladung an den 'Ladungs-See' abgeben. Jetzt trägt es keine Ladung mehr – und ist also rechtshändig. Einen Moment später kann es wieder eine Ladung aus dem 'Ladungssee' aufnehmen – und wird dadurch wieder linkshändig. Der 'Ladungs-See' (Higgs-Feld) ermöglicht dem Elektron somit, ständig zwischen links- und rechtshändig zu wechseln. Bildlich gesprochen: Das Elektron ist wie ein Glas, das seinen Inhalt (Ladung) in den See entleert und im nächsten Moment wieder aufnimmt. Das Higgs-Feld gibt dem Elektron also die Möglichkeit, seine Ladung ständig abzugeben und wieder aufzunehmen. Dank dieses Wechsels hat das Elektron nun auch Masse. Der oben genannte Widerspruch ist also aufgelöst!

Geschieht der Wechsel zwischen Abgabe und Aufnahme der Ladung sehr schnell, spricht man übrigens von einer 'starken Kopplung' des Elementarteilchens an das Higgs-Feld – das Elementarteilchen hat damit eine grosse Masse (wie z.B. das Top-Quark). Ist der Wechsel langsam, ist die Kopplung an das Higgs-Feld 'schwach' – das Elementarteilchen hat dann nur eine geringe Masse (wie z.B. das Elektron).

Die Physiklehrkräfte folgten in Burgdorf den anschaulichen Erläuterungen von Thomas Bechers mit grossem Interesse. Sie dankten Thomas Becher mit einem herzlichen Applaus.

1) Der Sumo-Ringer ist anschaulicher ein Aufhänger für Thomas Bechers Ausführungen. Seine Überlegungen gelten aber auch für alle anderen Körper und Gegenstände im Universum.

2) Die schwache Wechselwirkung gehört neben der Gravitation, der elektromagnetischen Kraft und der starken Kraft zu den vier Grundkräften, die in der Natur wirken. Wie der Name besagt, ist die schwache Wechselwirkung vergleichsweise schwach. Ihre Reichweite ist sehr beschränkt, sie reicht nicht weiter als der Radius eines Atomkerns. Trotzdem spielt die schwache Kraft in der Natur eine wichtige Rolle. Sie steuert radioaktive Zerfälle, oder sie ermöglicht die Umwandlung von Protonen in Neutronen, was die Energieerzeugung in der Sonne per Kernfusion möglich macht. Teilchen, die der schwachen Kraft unterliegen, tragen eine 'schwache Ladung'. Diese schwache Ladung ist vergleichbar mit der elektrischen Ladung von Teilchen, die der elektromagnetischen Kraft unterliegen.

Das Higgs-Feld ist übrigens auch der Grund, warum die schwache Wechselwirkung derart schwach ist. Das Higgs-Feld, dieser See aus schwacher Ladung, schirmt die Wechselwirkung ab, sodass Sie nur auf ganz kurzen Distanzen, im Innern von Atomkernen eine Rolle spielt.

Veröffentlicht: 20. November 2012

  • Sumoringer
  • Sheldon Glashow
  • Links - Rechts Wechsel
  • Sumoringer1/3
  • Sheldon Glashow2/3
  • Links - Rechts Wechsel3/3

Categorie

  • Fisica delle Particelle Elementari
  • Particelle elementari