Wie das Higgs-Boson das Verständnis des Universums veränderte – und das Leben seines Entdeckers ruinierte

Das Kunststück des Large Hadron Collider war ein Abenteuer, das 1964 begann, als der britische Physiker Peter Higgs eine Theorie veröffentlichte, die die Existenz des Bosons vorhersagte.

Laut Higgs selbst war dies die „einzige gute Idee“ seines Lebens, und zunächst hielt er seine Theorie für nichts als nutzlose Berechnungen.

Was jedoch geschah, ist, dass das Teilchen, über das er theoretisierte – und dessen Existenz der Large Collider bewies – unser Verständnis unseres Universums revolutionierte.

Diese „eine gute Idee“ brachte ihm 2013 den Nobelpreis für Physik ein und ruinierte paradoxerweise sein Leben, sagt er.

Im Jahr 2022 sind zehn Jahre vergangen, seit der Large Collider das Higgs-Boson entdeckt hat.

BBC News Mundo, der spanische Dienst der BBC, sprach mit zwei Experten darüber, wie dieses Teilchen seit einem Jahrzehnt dazu beiträgt, zwei der großen Fragen der Menschheit zu beantworten: Woher kommen wir und woraus bestehen wir?

Atome galten lange Zeit als die elementarsten Teilchen von allem Geschaffenen.

Dann erfuhren wir, dass diese Atome tatsächlich aus noch kleineren Teilchen bestehen: Protonen und Neutronen, die den Kern des Atoms bilden, und die Elektronen, die diesen Kern umkreisen.

Aber heute wissen wir, dass auch diese Protonen und Neutronen in noch kleinere Teilchen zerfallen können.

Insgesamt wurden 17 Elementarteilchen nachgewiesen, die, wenn sie durch den Einfluss von Kräften miteinander wechselwirken, das gesamte Universum, wie wir es kennen, ausmachen.

Dieser Satz von 17 Teilchen und Kräften ist als Standardmodell bekannt.

Diese Teilchen fallen in zwei große Familien: Fermionen und Bosonen.

Férmionen – sie sind die Bausteine, aus denen das Universum besteht – wie Bausteine, die je nach Kombination unterschiedliche Atome bilden. Es gibt 12 Fermionen, aufgeteilt in sechs Quarks und sechs Leptonen. Mit anderen Worten: Alle Materie, wie wir sie kennen, besteht aus Kombinationen von Quarks und Leptonen. Oder allgemeiner gesagt, alles, was wir sehen, besteht aus Fermionen.

Bosonen – sind die Teilchen, die die Kräfte tragen, die die Fermionen interagieren lassen. Insgesamt gibt es fünf Arten von Bosonen, von denen jedes die grundlegenden Kräfte trägt, die Materie interagieren lassen:

1 – Das Gluon, das die starke Kraft trägt, die Quarks zusammenhält

2 und 3 – Das W-Boson und das Z-Boson, die die schwache Kraft tragen, die bewirkt, dass der Kern eines Atoms zerfällt und ein anderes Atom bildet

4 – Photonen, die die elektromagnetische Kraft tragen.

Es gibt auch die berühmteste Kraft von allen, die Schwerkraft.

Es stellt sich heraus, dass die Schwerkraft auf subatomarer Ebene so schwach ist, dass ihr Einfluss weitgehend ignoriert werden kann – sie ist also nicht Teil des Standardmodells.

Damit haben wir das fast vollständige Standardmodell: Die Familie der Fermionen interagiert mit der Familie der Bosonen, um das Universum zu bilden.

Aber wir müssen noch das fünfte Boson einbeziehen.

Wir haben bereits 12 Fermionen und 4 Bosonen gesehen, also 16 der 17 Teile des Standardmodells.

Fehlt nur noch der Teil, der das Modell vervollständigt: das Higgs-Boson.

Es muss eine Schlüsselfrage beantwortet werden: Woher bekommen Teilchen wie Quarks und Leptonen ihre Masse?

Die Antwort ist das sogenannte Higgs-Feld, eine unsichtbare Umgebung, die das gesamte Universum durchdringt und die Teilchen, die es steuern, mit Masse erfüllt.

In diesem Higgs-Feld befinden sich die Higgs-Bosonen, die Masse in die Teilchen streuen, aus denen Materie besteht.

„Die Entdeckung des Higgs-Bosons hat uns gezeigt, dass es eine seltsame Sache gibt, in die wir alle eingetaucht sind, und das als Higgs-Feld bekannt ist“, sagt Frank Close, emeritierter Professor für Theoretische Physik an der Universität Oxford, gegenüber BBC World Nachrichten.

„So wie Fische in Wasser getaucht werden müssen, brauchen wir das Higgs-Feld“, sagt Close, Autor des Buches. Schwer fassbar: Wie Peter Higgs das Massengeheimnis löste.

1964 war Peter Higgs einer der Ersten, der die Existenz dieses Feldes theoretisierte, und der Erste, der voraussagte, dass es ein Teilchen geben muss, das mit diesem Feld verbunden ist.

Aber erst im Jahr 2012 konnte dank des Large Hadron Collider beobachtet werden, dass dieses Teilchen, das heute als Higgs-Boson bezeichnet wird, jenseits der Theorie existiert.

Für Saúl Noé Ramos Sánchez, Forscher am Instituto de Física der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko, lässt sich der Meilenstein der Entdeckung des Higgs-Bosons in drei Punkten beschreiben:

1. Dies ermöglichte uns eine vollständigere Kenntnis der Elementarteilchen, aus denen wir bestehen.

„Alle Teilchen, aus denen unsere Atome bestehen, wurden endlich verstanden, einschließlich ihrer Beziehungen zu anderen Teilchen“, sagt Ramos Sánchez.

2. Es wurde ein Partikel gefunden, das sich von allen anderen unterscheidet

Das Higgs-Boson sieht nicht aus wie Elektronen oder Protonen und ist für bestimmte Wechselwirkungen verantwortlich, die zur Kenntnis der Masse dieser Teilchen führen.

Mit anderen Worten, das Higgs-Boson ist das Schlüsselstück, das uns sagt, warum andere Teilchen so sind, wie sie sind.

3. Die bisher genaueste Theorie wurde erreicht

Ramos Sánchez argumentiert, dass das Standardmodell „die bisher genaueste Theorie der Menschheit“ ist.

Close sieht das ähnlich: „Bis auf ein paar kleine Ausnahmen erklärt sie alles, was wir sehen, sehr gut“, sagt die Professorin.

Experten sind sich einig, dass es nach dem historischen 4. Juli 2012 bisher keine großen Entdeckungen im Zusammenhang mit der Teilchenphysik gegeben hat.

Einige kürzlich durchgeführte Experimente am Large Hadron Collider und am Fermilab, einem anderen Teilchenbeschleuniger, der sich in den USA befindet, geben Hinweise darauf, was ein neues Teilchen oder eine neue Kraft sein könnte, die bisher unbekannt war.

Bestätigt sich dies, wird das Standardmodell hinterfragt.

Die Ergebnisse dieser Experimente sind jedoch noch nicht schlüssig.

„Nach der Entdeckung des Higgs-Bosons ist das Standardmodell solider als alles andere“, sagt Ramos Sánchez.

Aber es gibt auch einige Fragen, die das Standardmodell nicht beantworten kann.

Es erklärt zum Beispiel nicht, was dunkle Materie ist, eine mysteriöse Komponente, die 27 % des Universums ausmacht.

Es erklärt auch nicht, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt oder warum sich die Expansion des Kosmos beschleunigt.

Eine weitere große Lücke ist, dass es die Schwerkraft nicht aufnehmen kann.

Für mehrere dieser Rätsel wurden Theorien aufgestellt, aber es gibt noch keine endgültige Antwort.

Das soll aber nicht heißen, dass das Standardmodell falsch ist, sagen Experten.

“Ich wünschte, er wäre in einer Krise”, sagt Close. „Wenn es in einer Krise wäre, würde uns dies die Hinweise geben, um eine große Theorie zu entwickeln, die all dies erklären würde. Das ‚Problem‘ mit dem Standardmodell ist, dass es sehr gut funktioniert. Wir wissen, dass es nicht die endgültige Theorie ist, aber vielmehr eine vollständige Beschreibung von allem, worauf wir bisher Zugriff haben.”

Laut Close, der Higgs interviewte, um seine Biografie zu schreiben, behauptet der Physiker, dass das Boson „die einzige gute Idee“ sei, die er je hatte.

Tatsächlich dachte Higgs zunächst, seine Entdeckung sei “völlig nutzlos”, sagt Close.

„Er dachte, er hätte einen einfachen mathematischen Trick mit dem gemacht, was theoretisch Photonen Masse verleihen könnte.“

Außerdem war Higgs nicht besonders produktiv.

Er hat in seiner Karriere nur 12 Studien geschrieben, und davon waren laut Close nur drei – die sich auf das Higgs-Boson beziehen – relevant.

„Er hat auch nicht weiter daran gearbeitet, er hat sonst praktisch nichts in der Richtung gemacht“, erklärt der Professor. Bis zum Bau des Large Collider waren es andere Menschen, die auf der Grundlage ihrer Ideen Wissen hinzufügten.

„Es könnte also sein, dass das Boson die einzige gute Idee von Higgs war, aber ich frage mich, wie viele wirklich gute Ideen jeder von uns hat?“, schließt Close.

1964 war Higgs nicht der einzige, der an der Idee der Existenz des heutigen Higgs-Feldes arbeitete.

Gleichzeitig stellten andere Forscher Studien in die gleiche Richtung vor.

Higgs war jedoch der einzige, der erkannte, dass seine mathematische Idee wahr war, das heißt, dass sie tatsächlich in der Natur vorhanden ist und nicht nur ein Trick war, um theoretische Probleme zu lösen.

„Wenn dieses Feld also real ist, sollten wir es nachweisen können, und der Weg, dies zu tun, sollte das sein, was wir heute das Higgs-Boson nennen“, erklärt Close.

„Higgs war der Einzige, dem das aufgefallen ist, also wurde das Boson korrekt nach ihm benannt.“

Nachdem der Large Hadron Collider im Jahr 2012 die Existenz des Higgs-Bosons bestätigte, war es für die wissenschaftliche Gemeinschaft fast offensichtlich, dass Higgs den Nobelpreis für Physik gewinnen würde.

Er selbst wusste, dass er der Favorit für die Auszeichnung war, also war seine Entscheidung am 8. Oktober 2013, als die große Ankündigung gemacht werden sollte, … zu verschwinden.

Higgs verließ das Haus, nahm einen Bus und flüchtete sich in eine Bar, um ein Bier zu trinken.

In einem seiner Interviews fragte Close Higgs, welche Auswirkungen es hatte, einen Nobelpreis zu gewinnen.

Die Antwort überraschte ihn: Higgs sagte, die Auszeichnung habe „mein Leben ruiniert“.

„Damit ist mein relativ friedliches Dasein beendet. Ich mag diese Art von Öffentlichkeit nicht, mein Stil ist es, isoliert zu arbeiten und gelegentlich auf eine brillante Idee zu kommen“, erklärte der Physiker.

Das erklärt, warum Higgs sich am Tag der Preisverkündigung isolierte – obwohl die Strategie das Gegenteil bewirkte.

„Was ist für Journalisten am attraktivsten?“, fragt Close. “Ein Mann, der den Nobelpreis gewinnt und für Interviews zur Verfügung steht, oder jemand, der den Nobelpreis gewinnt und verschwindet?”

Seit 2022 ist Peter Higgs 93 Jahre alt, im Ruhestand und lebt in Edinburgh, Schottland. Sie nutzt das Internet nicht und lebt in einem Gebäude ohne Aufzug, weshalb sie 84 Stufen hinuntersteigen muss, um die Straße zu erreichen.

Für Close zeigt dies, wie schwer fassbar Peter Higgs ist, so schwer fassbar wie das berühmte Boson, das Jahre im Verborgenen verbrachte und, als er sich zeigte, das Verständnis des Universums für immer veränderte.

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