Nobelpreis für Physik

Das Phantom, das Masse in die Welt brachte

Von Manfred Lindinger
08.10.2013
, 18:20
François Englert (l.) und Peter Higgs, aufgenommen am 04. Juli 2012
Die Favoriten für den Physik-Nobelpreis haben gewonnen: Der Schotte Peter Higgs und der Belgier François Englert haben vor bald fünfzig Jahren die Existenz des Masse-Teilchens vorhergesagt.
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Es war der letzte noch fehlende Baustein des Weltmodells. Die Teilchenphysik, die den Aufbau der Materie bis in die kleinsten Strukturen lückenlos zu erklären versucht, hatte eine historische Marke erreicht: Das Higgs-Elementarteilchen war nachgewiesen, ziemlich sicher jedenfalls. Fast fünfzig Jahre lang hatte sich das Partikelchen jeglichem Nachweis entzogen. Es sollte die Antwort auf die scheinbar triviale, aber physikalisch äußerst vertrackte Frage geben, warum die bekannten Elementarteilchen eine Masse besitzen und warum Photonen, die Quanten des Lichts, beispielsweise nicht. Doch am 4. Juli 2012 kam die erlösende Nachricht vom europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf: Das Higgs-Teilchen existiert.

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Mit den großen Detektoren CMS und Atlas des Teilchenbeschleunigers LHC hatte man das Teilchen bei der Kollision von energiereichen Protonen tatsächlich aufgespürt und damit eine Theorie bewiesen, die der Brite Peter W. Higgs, der Belgier François Englert und der vor zwei Jahren verstorbene Robert Brout Anfang der sechziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts unabhängig voneinander und fast gleichzeitig entwickelt hatten. Nun ist den beiden Theoretikern Higgs und Englert der Nobelpreis für Physik zuerkannt worden, für „die Formulierung eines Mechanismus, mit dem sich der Ursprung der Masse erklären lässt“ begründete die Nobel-Jury des Karolinska-Instituts in Stockholm ihre Entscheidung.

Begeisterung unter Teilchenphysikern

Als diese Nachricht in Stockholm bekannt gegeben wurde, brach am Forschungszentrum Cern unter den versammelten Wissenschaftlern der Jubel aus, denn auf die diesjährige Entscheidung hatte man insgeheim gehofft - auch wenn die Wissenschaftler in Genf, die den Beweis für die Existenz des Higgs-Teilchens im vergangenen Jahr erbracht hatten, nun selbst leer ausgegangen sind. Doch, wen hätte man von den rund 6000 an der Suche beteiligten Cern-Forschern noch zusätzlich küren sollen? So hat sich das Nobelkomitee offenkundig für jene Wissenschaftler entschieden, die 1964 die zündende Idee eines Mechanismus lieferten, mit dem sie schlüssig zu erklären versuchten, wie die bis dahin bekannten Materieteilchen und Austauschteilchen, die Naturkräfte vermitteln, überhaupt zu ihrer Masse gekommen sind.

Gigantisch, dennoch gespickt mit Nanotechnik: Der CMS-Detektor am europäischen Forschungszentrum Cern.
Gigantisch, dennoch gespickt mit Nanotechnik: Der CMS-Detektor am europäischen Forschungszentrum Cern. Bild: ddp

Obwohl seine Aussagen hervorragend experimentell bestätigt sind, erlaubt das Standardmodell der Teilchenphysik nur masselose Partikel. Peter Higgs, der häufig als Vater des später nach ihm benannten Teilchens bezeichnet wird, beschrieb in einem kurzen, nur eineinhalb Seiten langen Artikel, den er an die Redaktion der renommierten „Physics Letters“ schickte, ein hypothetisches Kraftfeld, das kurz nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren aufgetaucht sein sollte, als sich das Universum abgekühlt hatte. Elementarteilchen, die mit dem Feld wechselwirkten, würden Energie aufnehmen und dadurch abgebremst - so die für damalige Verhältnisse recht mutige Annahme. Sie basierte allein auf strenge Symmetrieüberlegungen. Je langsamer die Teilchen sind, so die Vorstellung, desto schwerer erscheinen sie. Die Photonen, die Quanten des Lichts beispielsweise, würden nicht mit dem hypothetischen Higgs-Feld interagieren und haben deshalb auch keine Ruhemasse. Sie breiten sich daher mit dem maximal möglichen Tempo aus, der Lichtgeschwindigkeit.

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Fehlschlag beim ersten Anlauf

Wie bei allen Quantenfeldern ist auch das Higgs-Feld mit einem Teilchen verknüpft, eben jenem Higgs-Teilchen. Dieses trägt keinen Spin und zählt daher zu den sogenannten Bosonen. Die Herausgeber der „Physics Letters“ schickten die Arbeit zunächst an Peter Higgs zurück mit der Begründung, ihr fehle jede offensichtliche Bedeutung für die Physik.

Lang ist der Beschleunigerring und entsprechend viel zu kontrollieren
Lang ist der Beschleunigerring und entsprechend viel zu kontrollieren Bild: Cern

Higgs schrieb seinen Artikel um und reichte ihn abermals ein. Seine Arbeit wurde zwar veröffentlicht, fand aber zunächst keine große Beachtung unter seinen Kollegen. Auch der jetzt mit Peter Higgs ausgezeichnete François Englert von der Universität Brüssel und der 2011 verstorbene Robert Brout hatten anfänglich mit ähnlichen Schwierigkeiten zu kämpfen wie ihr Britischer Kollege, der zumindest das Glück hatte, Namenspatron des postulierten Mechanismus zu werden.

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Drei Unterstützer verhelfen zum Durchbruch

Es waren die späteren Nobelpreisträger Steven Weinberg, Sheldon Glashow und Abdus Salam, die der bis dahin wenig beachteten Theorie 1967 zum Durchbruch verhalfen. Die Physiker unternahmen den Versuch, zwei Naturkräfte - die elektrische und die schwache Wechselwirkung - unter einen Hut zu bringen und mit einer einheitlichen Theorie zu beschreiben. Dabei wurden sie eher zufällig auf die Ansätze von Higgs, Englert und Brout aufmerksam. Denn diese wiesen große Gemeinsamkeiten auf, und konnten obendrein das Rätsel der Teilchenmasse elegant erklären.

Elementares der Physik: Die Teilchen des Standardmodells mitsamt des Higgs-Bosons
Elementares der Physik: Die Teilchen des Standardmodells mitsamt des Higgs-Bosons Bild: DESY, Hamburg

Im Laufe der Zeit hat man immer neue und schwerere Teilchen nachgewiesen, so wurde Higgs-Mechanismus schließlich zu einem immer wichtigeren Bestandteil des Standardmodells. Und die Mehrheit der Teilchenphysiker war überzeugt, dass man nur genügend hohe Energien bereitstellen müsste, um das Higgs-Boson aus dem Vakuum heraus erzeugen zu können. Es sei somit alles nur eine Frage der Zeit, bis sich das „Gottesteilchen“, wie der Nobelpreisträger Leon Lederman das Higgs einmal scherzhaft bezeichnete, in einer großen Teilchenbeschleunigeranlage zeigen würde. Doch der Nachweis des Higgs-Teilchens und mit ihm verbundenen Feld gestaltete sich überaus schwierig. Der Grund: Die Theorie macht selbst keine exakten Aussagen darüber, wie groß die Masse des Higgs-Teilchens selbst ist. Erschwerend kommt hinzu, dass die Erzeugung eines Higgs-Teilchens auch bei Kollisionen ausreichend energiereicher Partikeln ein recht seltenes Ereignis ist. Zudem gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie das Higgs zerfallen kann.

Bild: F.A.Z.

Teilchenjagd nach dem Higgs

Wie Detektive haben sich die Teilchenphysiker mit immer größeren Beschleunigern an das Higgs herangetastet und dessen Masse immer stärker eingegrenzt: bis 2011 erfolglos mit dem Tevatron-Beschleuniger am Fermilab bei Chicago und seit nunmehr drei Jahren mit dem „Large Hadron Collider“ am Cern. Mit dem 27 Kilometer langen und in einem unterirdischen Tunnel zwischen dem Genfer See und dem französischen Jura untergebrachten LHC hat man durch die Kollision energiereicher Protonen endlich die Bedingungen schaffen können, die für die Erzeugung des Teilchens notwendig sind. Die Daten der Kollisionsexperimente zeigten, dass das Higgs-Teilchen eine Masse von etwa 125 Milliarden Elektronenvolt besitzt und damit etwa so schwer ist wie 133 Wasserstoffatome.

Als Peter Higgs und François Englert im vergangenen Jahr in Genf zum ersten Mal die Messkurven sahen, auf denen das Higgs-Boson als deutlicher Peak erkennbar war, standen den beiden, seit langem emeritierten Theoretikern vor Glück die Tränen in den Augen. Mit der Zuerkennung des diesjährigen Nobelpreises ist das Lebenswerk von Higgs und Englert glanzvoll vollendet.

Stimmen zum Physik-Nobelpreis

Ich bin begeistert, dass der Nobelpreis in diesem Jahr an die Teilchenphysik gegangen ist. Die Entdeckung des Higgs-Boson am Cern im vergangenen Jahr, das den Brout-Englert-Higgs-Mechanismus bestätigt, markiert den Höhepunkt jahrzehntelanger intellektueller Anstrengung vieler Menschen auf der ganzen Welt.

Rolf-Dieter Heuer, Generaldirektor des Cern

Unser Preis (also für die beteiligten Forscher und Forscherinnen weltweit) besteht darin, dass ein wissenschaftliches Jahrhundertprojekt mit der Entdeckung des Higgs-Bosons zu einem so schönen Ergebnis geführt hat. Durch die internationale Zusammenarbeit wurde eine einzigartige Wissenskultur geschaffen, die Vorbild für viele andere Bereiche sein wird. Dem Cern sollte der Friedensnobelpreis gegeben werden und den forschenden jungen Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen zum Lohn die Perspektive auf eine solide Zukunft in der Forschung gewährt werden.

Thomas Müller, Leiter des Instituts für Experimentelle Kernphysik am Karlsruher Institut für Technologie. Er forscht am Cern-Experiment CMS

In den vergangenen 50 Jahren standen die Teilchenphysiker vor der Situation, dass sie zwar ein Modell hatten, aber der Schlussstein fehlte - der endgültige Beweis, dass das Higgs-Feld existierte. Den nach dem Beweis recht raschen Nobelpreis für Peter Higgs und François Englert sehen wir Teilchenphysiker als extrem verdient an. Schon Nobel hat die Sichtweise vertreten, dass ein Bezug zur realen Welt ausgezeichnet werden soll - nicht nur theoretische Spekulation, sondern experimentell erwiesenes Wissen. Für die Teilchenphysik bedeuten die Entdeckung und der Beweis des Higgs-Feldes eine extrem wichtige Entwicklung. Ein ganzer Wust alternativer Ideen kann jetzt ausgeschlossen werden. Wir können darauf aufbauen und andere Fragen angehen wie zum Beispiel: Was ist dunkle Materie?

Dieter Zeppenfeld, Professor für Theoretische Physik am Karlsruher Institut für Technologie

Sowohl die Vorhersage als auch die Entdeckung des Higgs-Teilchens sind ein großartiger Triumph menschlichen Denkens und Forschens. Sie zeugen von der immensen Vorausschau der preisgekrönten Theoretiker, aber auch von der Ingeniosität Tausender Physiker der Experimente Atlas und CMS am Large Hadron Collider LHC des Cern. Die Entdeckung des Higgs liefert den Schlussstein des Standardmodells der Teilchenphysik. Sie ist aber nicht das Ende der Erforschung der Bausteine der Welt und ihrer Kräfte. Sie eröffnet vielmehr eine neue Ära in der Physik, die Ära skalarer fundamentaler Felder. Diese Felder trieben das Universum an seinem Anfang auseinander, und sie bewirken auch jetzt wieder seine Expansion. Felder wie das Higgs-Feld sind deshalb entscheidend für das Schicksal des Universums.

Thomas Naumann, Leiter der Gruppe Teilchenphysik am Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy in Zeuthen und Mitglied der Atlas-Kollaboration

Erst im vergangenen Jahr wurde das Higgs-Teilchen entdeckt, fast fünfzig Jahre nach der Vorhersage von Englert und Higgs. Es ist mehr als faszinierend, nach so langer Zeit die Bestätigung zu sehen. Wir alle am Cern und die an den Experimenten Beteiligten fühlen mit, so als ob jeder von uns den Nobelpreis zu einem kleinen Teil selbst erhalten hätte.

Michael Hauschild ist Teilchenphysiker und forscht am Cern-Experiment Atlas.

Die Laureaten verdienen diese höchste wissenschaftliche Auszeichnung ganz ohne Frage! Einfach toll, wie sie - schon vor fast 50 Jahren - die Weitsicht und den Mut hatten, eine damals sicher gewagte, wenn nicht gar als verrückt angesehene Theorie aus rein mathematischen und physikalischen
Prinzipien zu entwickeln, und damit die Existenz eines Teilchens vorherzusagen, das die Entwicklung unseres Universums elementar geprägt hat. Diese Vorhersagen haben auch das Feld der teilchenphysikalischen Grundlagenforschung über viele Jahrzehnte beflügelt und geprägt. Und schließlich im vergangenen Jahr zu der experimentellen Bestätigung der Existenz dieses Teilchen am europäischen Cern-Labor in Genf geführt. Ausgezeichnet wurden nun die geistigen Väter dieser Entwicklung, die sicher ein einzigartiger Triumph der internationalen Grundlagenforschung und deren Förderung durch die Gesellschaft darstellt
.“

Siegfried Bethke ist Direktor des Max Planck Instituts für Physik und leitender Physiker der Atlas-Kollaboration.

Es ist eine große Freude für unser gesamtes Institut und für mich persönlich, dass der Nobelpreis für Physik in diesem Jahr an Francois Englert und Peter Higgs geht. Francois Englert ist dem AEI seit langem, unter anderem aufgrund gemeinsamer Forschungsvorhaben, eng verbunden. Erst dank der Arbeiten von Englert und Higgs (und dem inzwischen verstorbenen Robert Brout) war es moeglich, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik
zu einer Theorie auszubauen, welche die Natur bei den kleinsten derzeit zugänglichen Abständen korrekt beschreibt. Die naechste grosse Herausforderung, an der auch wir am AEI arbeiten, besteht nun darin,das Standardmodell in einen größeren Rahmen einzufügen, der neben der Elementarteilchenphysik auch die Gravitationskräfte im Universum einbezieht. Viele der gegenwaertigen Ansätze sind aber noch Spekulation -- beispielsweise die Idee, dass am LHC supersymmetrische Teilchen auftauchen koennten. Der grosse Erfolg des Standardmodells und der bisher ausgebliebene Nachweis von Physik ’jenseits des Standardmodells’ setzen diesen Spekulationen aber immer engere Grenzen.

Hermann Nicolai ist Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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