Jim Baggott ist Autor von Higgs: The Invention and Discovery of the ‚God Particle‘ und freiberuflicher Wissenschaftsautor. Er war Dozent für Chemie an der Universität Reading, verließ diese aber, um eine Karriere in der Wirtschaft einzuschlagen, wo er zunächst für die Shell International Petroleum Company und dann als unabhängiger Unternehmensberater und Ausbilder tätig war. Zu seinen zahlreichen Büchern gehören Atomic: The First War of Physics (Icon, 2009), Beyond Measure: Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory (OUP, 2003), A Beginner’s Guide to Reality (Penguin, 2005) und A Quantum Story: A History in 40 Moments (OUP, 2010).

Lesen Sie seine Sammlung von Blogbeiträgen anlässlich der Veröffentlichung seines neuen Buches auf dem OUPblog.

Am 4. Juli 2012 gaben Wissenschaftler am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Genf die Entdeckung eines neuen Elementarteilchens bekannt, von dem sie glauben, dass es mit dem lange gesuchten Higgs-Boson, auch bekannt als „Gottesteilchen“, übereinstimmt. Unser Verständnis der grundlegenden Natur der Materie – alles in unserem sichtbaren Universum und alles, was wir sind – steht kurz vor einem riesigen Sprung nach vorn.

Was ist das Higgs-Boson und warum wird es das „Gottesteilchen“ genannt? Der Wissenschaftsautor Jim Baggott, dessen Buch „Higgs: Die Erfindung und Entdeckung des ‚Gott-Teilchens'“ einige dieser Antworten liefert.

Wir wissen, dass das physikalische Universum aus elementaren Materieteilchen (wie Elektronen und Quarks) und den Teilchen, die Kräfte zwischen ihnen übertragen (wie Photonen), aufgebaut ist. Materieteilchen haben physikalische Eigenschaften, die wir als Fermionen klassifizieren. Kraftteilchen sind Bosonen.

In der Quantenfeldtheorie werden diese Teilchen in Form von unsichtbaren Energie-„Feldern“ dargestellt, die sich durch den Raum erstrecken. Denken Sie an Ihre Kindheitserfahrungen beim Spielen mit Magneten. Wenn Sie die Nordpole von zwei Stabmagneten zusammenschieben, spüren Sie, wie der Widerstand zwischen ihnen stärker wird. Dies ist das Ergebnis der Wechselwirkung zweier unsichtbarer, aber dennoch sehr realer Magnetfelder. Die Widerstandskraft, die man beim Zusammendrücken der Magnete spürt, wird von unsichtbaren (oder „virtuellen“) Photonen getragen, die zwischen ihnen hindurchgehen.

Materie und Kraftteilchen werden dann als fundamentale Störungen dieser verschiedenen Arten von Feldern interpretiert. Wir sagen, dass diese Störungen die ‚Quanten‘ der Felder sind. Das Elektron ist das Quantum des Elektronenfeldes. Das Photon ist das Quantum des elektromagnetischen Feldes usw.

Mitte der 1960er Jahre waren die Quantenfeldtheorien unter Theoretikern relativ unpopulär. Diese Theorien schienen zu suggerieren, dass alle Kraftträger masselose Teilchen sein sollten. Das machte wenig Sinn. Für das Photon, das die Kraft des Elektromagnetismus trägt und tatsächlich masselos ist, ist eine solche Schlussfolgerung in Ordnung. Aber man glaubte, dass die Träger der schwachen Kernkraft, die für bestimmte Arten von Radioaktivität verantwortlich sind, große, massive Teilchen sein müssten. Woher kam dann die Masse dieser Teilchen?

Im Jahr 1964 erschienen vier Forschungsarbeiten, die eine Lösung vorschlugen. Was wäre, wenn, so schlugen diese Arbeiten vor, das Universum von einer anderen Art von Energiefeld durchdrungen wäre, einem Feld, das zwar eine Richtung im Raum vorgibt, aber weder drückt noch zieht? Bestimmte Arten von Kraftteilchen könnten dann mit diesem Feld in Wechselwirkung treten und dadurch an Masse gewinnen. Photonen würden unbeeinflusst durch das Feld schwirren.

Einer dieser Aufsätze des englischen Theoretikers Peter Higgs enthielt eine Fußnote, in der er darauf hinwies, dass in einem solchen Feld auch eine fundamentale Störung zu erwarten sei, ein Quantum des Feldes. Im Jahr 1967 nutzte Steven Weinberg (und später Abdus Salam) diesen Mechanismus, um eine Theorie zu entwickeln, die die elektromagnetische und die schwache Kernkraft miteinander verbindet. Weinberg war in der Lage, die Massen der Träger der schwachen Kernkraft – der W- und Z-Bosonen – vorherzusagen. Diese Teilchen wurden etwa 16 Jahre später am CERN mit Massen gefunden, die sehr nahe an Weinbergs ursprünglichen Vorhersagen lagen.

Um 1972 wurde das neue Feld von den meisten Physikern als Higgs-Feld bezeichnet, und sein Feldquant wurde Higgs-Boson genannt. Der „Higgs-Mechanismus“ wurde zu einem wichtigen Bestandteil des späteren Standardmodells der Teilchenphysik.

Das Higgs-Feld wurde erfunden, um zu erklären, wie ansonsten masselose Kraftteilchen Masse erlangen konnten, aber es wurde bald klar, dass etwas sehr Ähnliches auch für die Massen der Materieteilchen verantwortlich ist.

Die Art und Weise, wie das Higgs-Feld mit ansonsten masselosen Bosonen-Feldern wechselwirkt, und die Art und Weise, wie es mit masselosen Fermionen-Feldern wechselwirkt, ist nicht dieselbe (letztere wird als Yukawa-Wechselwirkung bezeichnet, benannt nach dem japanischen Physiker Hideki Yukawa). Dennoch spielt das Higgs-Feld eindeutig eine wichtige Rolle. Ohne es hätten sowohl die Materie als auch die Kraftteilchen keine Masse. Masse könnte nicht konstruiert werden und nichts in unserem sichtbaren Universum könnte sein.

In seinem populären Buch The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? (Wenn das Universum die Antwort ist, was ist dann die Frage?), das 1993 zum ersten Mal veröffentlicht wurde, erklärte der amerikanische Physiker Leon Lederman (zusammen mit Dick Teresi), warum er diesen Titel gewählt hatte:

Dieses Boson ist so zentral für den heutigen Stand der Physik, so entscheidend für unser endgültiges Verständnis der Struktur der Materie und doch so schwer fassbar, dass ich ihm einen Spitznamen gegeben habe: das Gottesteilchen. Warum Gott-Teilchen? Aus zwei Gründen. Erstens wollte der Verlag nicht, dass wir es das gottverdammte Teilchen nennen, obwohl das angesichts seiner bösartigen Natur und der Kosten, die es verursacht, ein passenderer Titel wäre. Und zweitens gibt es eine Art Verbindung zu einem anderen Buch, einem viel älteren…

Lederman zitierte eine Passage aus dem Buch Genesis.

Dies ist ein Spitzname, der von populärwissenschaftlichen Autoren und Journalisten weiterhin häufig verwendet wird. Es ist ein Name, der sich eingebürgert hat. Die meisten Physiker scheinen ihn nicht zu mögen, da sie glauben, dass er die Bedeutung des Higgs-Bosons übertreibt (das Higgs-Feld ist der Schlüssel). In seinen persönlichen Memoiren mit dem Titel My Life as a Boson (Mein Leben als Boson) erklärte Peter Higgs, wie es dazu kam, dass das lang gesuchte Teilchen nach ihm benannt wurde, und definierte seinen Status als „das meistgesuchte Teilchen der Physik“

„Gott“ oder „meistgesucht“, es ist ein Teilchen, das Physiker sicherlich verzweifelt gesucht haben. Die Frage ist nun, ob die Arbeit von Peter Higgs auf andere Weise gewürdigt wird, vielleicht mit einem Nobelpreis?