Blog durchsuchen
Profil
Martin Bäker ist Physiker.
Er hat in Hamburg studiert und über die Simulation von Elementarteilchenprozessen promoviert. Seit 1996 erforscht er an der TU Braunschweig das mechanische Verhalten moderner Werkstoffe.
Wie Cäsar über sich in der dritten Person zu schreiben, findet er ein wenig seltsam.
Letzte Einträge
- QFT für alle: Wir bekommen Zustände15 Kommentare· 24.05.12
- Wärme und Information - ein fantastisches Experiment zur Entropie21 Kommentare· 17.05.12
- Haben Flugsaurier sich um ihre Jungen gekümmert?7 Kommentare· 14.05.12
- Gibt es ein "generisches Maskulinum"?148 Kommentare· 11.05.12
- Das Bakterium, das goldene "Eier" legt8 Kommentare· 05.05.12
Kommentare
- MartinB · 25.05.12 · 20:35 Uhr QFT für alle: Wir bekommen Zustände
- MichiS · 25.05.12 · 18:33 Uhr Wärme und Information - ein fantastisches Experiment zur Entropie
- MartinB · 24.05.12 · 07:54 Uhr Die Maxwellgleichungen (fast) ohne Formeln: 3. Wir bauen eine Welle
- Gebhard Greiter · 22.05.12 · 14:27 Uhr Quantenmechanik, Nichtlokalität und Unschärfe
- MartinB · 21.05.12 · 07:30 Uhr Ist die "klassische Physik" anschaulich? Teil 2 - Wirkung
Blogroll
Kategorien
« vorheriger Beitrag · nächster Beitrag »
17.12.11 · 12:20 Uhr
Viel Lärm ums Higgs oder Wie funktioniert das Higgs-Teilchen?
Kategorie: Naturwissenschaften · Kommentare: 32
Das Higgs-Teilchen wurde zwar noch nicht endgültig gefunden, aber es ist zur Zeit in aller Munde. Das Higgs-Teilchen soll ja allen anderen (massiven) Teilchen die Masse verleihen. Aber warum ist das so? Wie soll das gehen - hängt es den Teilchen Gewichte um den Hals? Und warum können die Teilchen nicht einfach so eine Masse haben? Ist das nicht alles ziemlich weit hergeholt?
Hier will ich versuchen, euch den berühmten Higgs-Mechanismus zu erklären - eigentlich wäre das ein Teil meiner Quantenfeldtheorie-Serie, aber aus aktuellem Anlass erkläre ich es schon heute. Vorkenntnisse der Serie braucht ihr auch nicht, ich bleibe so einfach wie möglich. (Allerdings nicht so einfach wie manche anschauliche Erklärungen, die etwas von Gerüchten über Superstars auf Parties erzählen, das ist mir dann etwas zu vereinfacht.)
Das Standardmodell
Über das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist ja schon viel geschrieben worden - ich mache es hier kurz.
Es gibt zunächst zwei Sorten von "Materieteilchen" (die bezeichnet man oft als "Fermionen"), also solchen, aus denen sich die übliche Materie zusammensetzt. Da sind zum einen die Quarks, die sich zu Protonen und Neutronen zusammenschließen und damit die Atomkerne bilden, und dann die Leptonen: Dazu zählen Elektronen mit ihren schwereren Kumpeln, den Myonen und Tauonen, außerdem noch die berühmt-berüchtigten "Geisterteilchen", die Neutrinos.
Dieses Bild zeigt das in einer Übersicht - aber keine Sorge, ihr müsste die ganzen Teilchen nicht auswendig kennen, um den Higgs-Mechanismus zu verstehen:
Diese Teilchen müssen natürlich auch etwas tun, sonst wäre die Welt ziemlich langweilig. Und da gibt es nicht so wahnsinnig viel, was Elementarteilchen tun können: Sie können von einem Ort zum anderen fliegen oder sie können andere Teilchen aussenden.1
1Ich schreibe hier alles in der Sprache der Feynman-Diagramme, also mit kleinen Bildchen, die zeigen, was die Teilchen so tun. Ganz korrekt wäre natürlich eine Beschreibung über Quantenfelder - aber wie gesagt, die Serie ist noch nicht so weit, dass ich den Zusammenhang zwischen Quantenfeldern und Feynmangraphen schon herstellen könnte.
Betrachten wir erstmal ein Teilchen (beispielsweise ein Elektron), das von einem Ort zum anderen fliegt, das können wir so darstellen:
Und dann kann ein Teilchen ein anderes aussenden, ein Elektron zum Beispiel ein Photon:
Hier kommt also ein Elektron an und sendet ein Photon aus. (Das Photon ist masselos.) Genauso gut kann das Elektron das Photon auch absorbieren (dazu würde man es von schräg rechts unten kommend zeichnen).
Photonen habe ich noch gar nicht erwähnt - die gehören nämlich nicht zu den "Materie-Teilchen" sondern sind "Bindungsteilchen" (auch gern "Bosonen" genannt). Bindungsteilchen werden gern durch Wellenlinien dargestellt (was an Lichtwellen erinnert, denn Photonen sind ja die Lichtteilchen). Im Bild oben sind das die rötlich eingefärbten Kästchen, an denen "Eichbosonen" dran steht.
An Bindungsteilchen gibt es das Photon und die Gluonen, die nur von Quarks ausgesandt werden können, aber mit den Leptonen nichts am Hut haben. Dann gibt es noch die so genannten "Vektorbosonen" W und Z - die werden gleich besonders wichtig werden. Ach ja, die Gravitation gibt es auch noch - zu der gehören als Teilchen die Gravitonen, aber da keiner genau versteht, wie die auf Elementarteilchenebene funktionieren, sind sie oben im Bild nicht mit drin.
Mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Elektron ein Photon (oder ein anderes Teilchen) aussendet oder absorbiert (das ist mathematisch dasselbe), wird durch die sogenannte "Kopplungskonstante" beschrieben. Für Elektron und Photon ist das nichts als die elektrische Ladung des Elektrons (verziert mit ein paar Extra-Faktoren). Je größer die Kopplungskonstante, desto stärker wechselwirken die Teilchen miteinander (man sagt auch, desto stärker "koppeln" sie). Das wird später wichtig werden, wenn wir beim Higgs-Mechanismus ankommen.
Um Elementarteilchenprozesse zu berechnen, malt man jetzt kleine Bildchen wir zum Beispiel dieses hier:
Ihr seht ein Elektron (e-) und ein Myon (μ-), die aufeinandertreffen und dabei ein Photon austauschen.1 Diese Bildchen sind nicht einfach bloß nette Veranschaulichungen (das sind sie auch, aber nicht nur), sondern sind verkappte Rechenvorschriften, sozusagen in einer Kurzschreibweise. Es gibt genaue Rechenregeln, nach denen ihr zum Beispiel ausrechnen könnt, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass dieser Prozess hier stattfindet, wenn die einfliegenden Teilchen bestimmte Eigenschaften haben. Ein netter Blogger hat das mal hier erklärt.
1Vielleicht wundert ihr euch, weil ich die Photonlinie ein bisschen schräg hätte zeichnen sollen. Tatsächlich ist es aber egal, ob das Elektron das Photon aussendet und das Myon es absorbiert oder umgekehrt - beide Prozesse müssen berücksichtigt werden, und man zeichnet es deswegen oft mit horizontaler Photonlinie. Der Link zum Thema Feynman-Diagramme erklärt das genauer.
Für uns hier wichtig ist vor allem die Rechenregel, die sagt, wie ein Teilchen von einem Ort zum anderen kommt, die also zu diesem einfachen Bildchen gehört:
Das zugehörige mathematische Objekt, das da berechnet wird, nennt man den Propagator - aber keine Angst, die Formel dafür brauchen wir nicht. Wichtig ist erst einmal nur, dass der Propagator von der Masse abhängt, und das ist eigentlich ja logisch: Ein ICE kommt anders von A nach B als eine Modelleisenbahn.
Das Problem der schwachen Wechselwirkung
Um zu verstehen, warum man einen Higgs-Mechanismus braucht, müssen wir uns die schwache Wechselwirkung (auch schwache Kernkraft genannt) näher ansehen: Das ist die, bei der die W- und Z-Teilchen eine Rolle spielen.
Diese Wechselwirkung kann nämlich Teilchen ineinander umwandeln. Beispielsweise kann aus einem Elektron ein Neutrino werden:
Das funktioniert als einzelner Prozess so nicht - sonst wären Elektronen instabil - aber es kann Bestandteil eines komplizierteren Prozesses sein, etwa so:
Hier wandelt sich ein Elektron in ein Neutrino um, das entstehende W-Teilchen verwandelt dann ein up- in ein down-Quark1.
1Auch hier könnte man die W-Boson-Linie horizontal zeichnen (sollte man eigentlich auch): Es ist egal, ob das Elektron ein W- aussendet oder ein W+ absorbiert, das kommt genau aufs selbe raus.
Ein wichtiges Beispiel für einen Prozess, der so ein W-Teilchen enthält, ist der Zerfall eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein (Anti-)Neutrino:
Dabei wandelt sich ein d-Quark des Neutrons in ein u-Quark um (Neutronen haben die Quark-Zusammensetzung udd, Protonen uud), sendet ein W-Boson aus, das dann zerfällt.
Bei der Analyse dieses Zerfalls entdeckte man etwas Erstaunliches: Der Prozess ist nicht spiegelsymmetrisch. Zwei Versuchsaufbauten, die sich nur darin unterscheiden, dass der eine ein exaktes Spiegelbild des anderen ist, zeigen unterschiedliche Ergebnisse. Das ist die berühmte Paritätsverletzung, für die es auch prompt einen Nobelpreis gab - die Geschichte dazu könnt ihr bei Jörg nachlesen.
Auch weitere experimentelle Ergebnisse zeigten, dass hier etwas Merkwürdiges passierte: Anscheinend hängen Prozesse, in denen W- oder Z-Teilchen eine Rolle spielen, von der Drehung der beteiligten Elementarteilchen ab.
Spin und Helizität
Gut, "Drehung" ist nicht ganz das richtige Wort - vornehm spricht man von Spin. (Im Englischen ist aber beides dasselbe Wort.) Den Spin von Elementarteilchen wirklich sauber zu erklären, ist alles andere als einfach. Stellt euch einfach vor, die Teilchen wären kleine Kugeln, die sich drehen, sie haben also eine Drehachse.
Nach den seltsamen Regeln der Quantenmechanik kann diese Drehachse - wenn man sie denn misst - nur in bestimmte Richtungen zeigen. Für die Teilchen, auf die es hier ankommt (das sind die Materieteilchen, also Leptonen und Quarks) zeigt die Drehachse immer entweder in die Bewegungsrichtung oder entgegengesetzt dazu. Man spricht auch von der Helizität. Teilchen können entweder rechtshändig rotieren oder linkshändig: Lasst den Daumen in die Bewegungsrichtung des Teilchens zeigen - die Finger geben dann die "Drehrichtung" des Teilchens an.
Die Untersuchung der schwachen Wechselwirkung zeigt jetzt, dass die Materie-Teilchen nur dann mit W- oder Z-Bosonen wechselwirken können, wenn sie linkshändig rotieren, aber nicht bei rechtshändigen Teilchen. Das war natürlich ziemlich ungewöhnlich und war einer der Gründe, warum es alles andere als einfach war, eine vernünftige Theorie dieser Wechselwirkung aufzustellen.
Mit etwas Trickserei gelang es tatsächlich, eine passende Theorie (die V-A-Kopplung (liest man "Vau-Minus-Ah")) aufzustellen, deren Vorhersagen zum Experiment passten. Allerdings hatte diese Theorie einen massiven Schönheitsfehler.
Auf der Überholspur
Das Problem lässt sich in einem Satz formulieren: Wenn nur linkshändige Elektronen mit den W- und Z-Teilchen wechselwirken, was passiert dann, wenn ich ein Elektron überhole? Stellt euch das Elektron als kleine drehende Kugel vor, die durch die Gegend fliegt, sagen wir nach oben. Das Elektron soll linkshändig sein und kann dann an ein W oder Z koppeln. Jetzt fliege ich am Elektron vorbei, ebenfalls nach oben, und mit einer höheren Geschwindigkeit. Für mich sieht es so aus, als würde das Elektron nach unten fliegen. Damit wäre es rechtshändig und könnte nicht an die Ws und Zs koppeln. Dieses Bild macht das hoffentlich anschaulich:
Und das ist ja wohl Blödsinn - es kann ja kaum vom Beobachter abhängen, ob Elektronen nun ein Teilchen aussenden oder nicht; entweder das Elektron zerfällt, oder es zerfällt nicht, aber beides geht ja wohl nicht.
Damals nahm man noch an, dass Neutrinos masselose Teilchen sind. Für die gab es dieses Problem nicht, denn masselose Teilchen kann man nicht überholen, die fliegen immer mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn Elektronen masselos wären, dann könnten wir unsere schöne Theorie retten.
Ja, klar. Und wenn Ideen Goldstücke wären, dann wären alle Physiker Millionäre. Masselose Elektronen? Gibt es da nicht so ein ganz paar Experimente, die zeigen, dass Elektronen eine Masse besitzen?
Aus Masse wird Wechselwirkung
In der Elementarteilchentheorie äußert sich die Masse eines Teilchens ja vor allem darin, wie es von A nach B kommt. Ihr erinnert euch vielleicht noch an dieses Bild von oben (hier vereinfacht ohne die Achsen):
Es zeigt, wie das Elektron von einem Ort zum anderen fliegt - den "Propagator".
Und jetzt kommt ein ziemlich genialer mathematischer Trick: Man kann den Propagator für ein Teilchen mit Masse umschreiben in den für ein Teilchen ohne Masse. Das sieht dann so aus:
Links seht ihr den "normalen" Elektron-Propagator, rechts seht ihr eine Summe von Möglichkeiten, von A nach B zu kommen. Die gestrichelte Linie ist dabei der Propagator für ein "masseloses Elektron" (ihr nehmt also die Formel für den Propagator und setzt die Masse m einfach gleich Null). Das masselose Elektron fliegt aber nicht einfach von A nach B, sondern kann unterwegs "Zwischenstation" machen, einmal, zweimal oder mehrmal. (Und nach den Regeln für diese Art Rechnungen muss man alle diese Möglichkeiten addieren, um herauszubekommen, wie das Elektron nun genau von A nach B kommt.) Bei jeder Zwischenstation habe ich einen Kringel dran gemalt. Hier kann das Elektron seine Richtung und Geschwindigkeit wechseln, und mathematisch geht hier jetzt die Masse des Elektrons in die Berechnung dessen ein, was an diesem "Kringel" passiert. Zwischen den "Kringeln" fliegt das Elektron aber mit Lichtgeschwindigkeit, weil es masselos ist.
Dass das Elektron insgesamt nicht mit Lichtgeschwindigkeit von A nach B kommt, liegt an den vielen Zwischenstationen - das Elektron macht quasi Umwege:
Wir haben jetzt also ein Elektron, das lichtschnell ist, wenn man ganz genau hinguckt, aber nicht, wenn man nur guckt, welche Strecke es effektiv zurücklegt. Das ganze ist ein bisschen wie bei einem jungen Hund, der mit einem älteren Herrchen oder Frauchen unterwegs ist - er rast ständig hin und her, am Ende kommt er aber doch nur langsam vorwärts.
Hier stand ursprünglich ein Argument zur Impulserhaltung - nach längerem Nachdenken bin ich aber der Ansicht, dass es falsch ist.
An jedem dieser Kringel passiert dabei etwas seltsames: Die Elektronen wechseln ihre Helizität, die Zicks sind also immer linkshändig, die Zacks rechtshändig. Wenn man das so annimmt, dann kann man damit die Wechselwirkung zwischen Teilchen und den W- und Z-Bosonen korrekt beschreiben. Das Problem ist nur, dass Teilchen nicht "einfach so" ihre Helizität wechseln können. Rechnet man die Theorie in dieser Form zu Ende, ergeben sich jede Menge unsinniger Ergebnisse, vor allem ein Haufen Unendlichkeiten, die man auch mit mathematischer Trickserei nicht los wird. (Das hängt mit der so genannten "Eichsymmetrie" zusammen - in der jetzigen Form ist die Theorie nicht eichsymmetrisch. Eichtheorien habe ich hier erklärt. Und ich bin hier etwas schlampig - streng genommen muss man zwischen Helizität und Chiralität unterscheiden; für die Grundidee ist das nicht so wichtig, aber wer Details dazu wissen will, findet sie (auf Englisch) bei quantumdiaries.)
Endlich: Das Higgsfeld
Mit ein bisschen Cleverness können wir aber einen Mechanismus finden, der erklärt, was an den "Kringeln" passiert, ohne dass es zu diesem Problem kommt. Vergleicht nochmal das Bild mit einem Kringel mit dem Bild einer Wechselwirkung von oben:
Merkt ihr was? Wenn dort, wo der Kringel sitzt, in sozusagen "unsichtbares" Teilchen wäre, dann könnten wir unsere Kringel uminterpretieren, nämlich als Wechselwirkung (das zugehörige Teilchen hier in grün):
So sieht das dann für unser Elektron auf dem Weg von A nach B aus:
Damit das klappt, brauchen wir aber natürlich überall dort, wo so ein Kringel sitzen kann, ein passendes Teilchen zum Wechselwirken.1 Und da so ein Kringel überall sitzen kann und an jedem Kringel immer die gleiche Zahl - nämlich das m - dransteht, muss es immer und überall ein passendes Teilchen geben. Das ganze Universum muss also mit diesen Teilchen angefüllt sein, sie sind überall.
1Man könnte denken, das Elektron würde immer nur grüne Teilchen aussenden - aber dabei würde es ständig Energie verlieren, deshalb muss es ein grünes Teilchenfeld geben, mit dem das Elektron wechselwirken kann. Deswegen habe ich die Linien auch wieder wie oben horizontal gezeichnet.
Und - na klar - diese Teilchen sind die Higgs-Teilchen1. Weil sie überall gleichzeitig sind, spricht man auch vom Higgs-Feld. Ihr könnt euch das ein bisschen vorstellen wie die Luft um uns herum - wenn es keinen Wind und keine Luftbewegungen gäbe, sondern die wirklich überall und immer gleich wäre, dann würden wir von ihr nicht viel bemerken, aber sie würde trotzdem unsere Bewegung beeinflussen. (Das erinnert von der Idee her an die Dirac-See.) Ein anderes Bild ist das mit der Party, siehe den Link am Anfang des Artikels.
1Das ist jetzt ein bisschen vereinfacht, genau genommen sind sie es gerade nicht. Im zweiten Teil (seufz, erster Hauptsatz der Bloggodynamik: Blogartikel werden immer länger, als man denkt, selbst wenn man den 1. Hauptsatz berücksichtigt) erkläre ich den Unterschied zwischen Higgs-Feld und Higgs-Teilchen genauer.
Also: Statt einfach mit einer Masse m von A nach B zu fliegen, fliegen alle Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit, aber immer im Zickzack. Immer wenn sie von einem Zick zu einem Zack wechseln, dann geschieht das durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld. Dabei wechseln sie jedes Mal ihre Helizität.
Wie groß die Masse eines Teilchens ist, hängt jetzt davon ab, wie stark es mit dem Higgs-Feld wechselwirkt. Die Masse wird also einfach uminterpretiert, nämlich als Kopplung an ein überall vorhandenes Feld. Schwere Teilchen wie zum Beispiel top-Quarks koppeln also sehr stark an das Higgs-Feld, leichte Teilchen wie ein Neutrino (die ja vermutlich eine sehr kleine Masse haben) nur sehr schwach, masselose Teilchen wie Photonen gar nicht.
Mathematisch ist das ziemlich simpel: In der Lagrangedichte haben Masseterme die (vereinfachte, ich spare mir hier den ganzen Index-Spinoren-Sonstwas-Müll) Form m2φ2, Wechselwirkungsterme die Form g φ H φ - dabei ist φ das betrachtete Teilchen und H das Higgsfeld. g ist die Kopplung zwischen Higgsfeld und dem Feld φ. Ihr seht, dass die Uminterpretation mathematisch gar kein Problem ist.
Zwischenbilanz
Das ist also der Higgs-Mechanismus. Ich fasse die Ideen nochmal ganz kurz zusammen: Die schwache Kernkraft mit den W- und Z-Bosonen kann man korrekt nur beschreiben, wenn man annimmt, dass sich links- und rechtshändige Teilchen unterschiedlich verhalten. Weil man aber links- und rechtshändig durch bloßes Überholen ineinander überführen kann, lässt sich das nur realisieren, wenn die Materie-Teilchen "eigentlich" lichtschnell sind und nur im "Zickzack" fliegen. Die Zickzacks haben Kringel, an denen die Teilchen ihre Richtung wechseln. Und das wiederum können wir am besten dadurch beschreiben, dass an jedem dieser Kringel unser Teilchen mit einem anderen wechselwirkt - eben dem Higgsteilchen. Dazu muss der gesamte Raum mit einem Higgs-Feld angefüllt sein.
"Äh, ja, aber wenn dieses Higgsfeld immer überall ist, und wenn es sich dadurch äußert, dass es den Teilchen ihre Masse verleiht, was will man dann am CERN noch finden? "
Gute Frage. Einfach gesprochen, kann man sagen, dass man zusätzliche Higgsteilchen erzeugen kann, solche, die sozusagen überschüssig sind - also quasi einen "Windstoß".
Weniger einfach gesprochen ist es so, dass das nicht-verschwindende Higgs-Feld elementare Anregungen hat, die selbst wieder wie Teilchen aussehen. Um das zu verstehen, müssen wir uns fragen, wieso das Higgs-Feld eigentlich überall im Raum vorhanden sein soll - kostet sowas nicht extrem viel Energie?
Und das erkläre ich im zweiten Teil.
Autor: MartinB· 32 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
Kommentar schreiben
Top5
- Liebe Piraten, lasst uns endlich vernünftig miteinander reden!Astrodicticum Simplex· 14.05.2012
- Risikowahrnehmung: Wenn man vor den falschen Dingen Angst hatAstrodicticum Simplex· 20.05.2012
- Dr. h.c. im Sonderangebot für 39 Euro[sic]· 14.05.2012
- Pi auf dem Einrad!Astrodicticum Simplex· 20.05.2012
- Die Erde dreht sich nicht um die Sonne...Astrodicticum Simplex· 12.05.2012
Top5
- Liebe Piraten, lasst uns endlich vernünftig miteinander reden!Astrodicticum Simplex· 14.05.2012
- Klimaschmock des Monats Mai 2012Primaklima· 20.05.2012
- Die kalte Sonne von Vahrenholt/Lüning: Le Trend, c'est moi!Primaklima· 16.05.2012
- Risikowahrnehmung: Wenn man vor den falschen Dingen Angst hatAstrodicticum Simplex· 20.05.2012
- Der NRW Wahlkampf - eine Analyse mit Noten.Primaklima· 14.05.2012
ScienceBlogs.com
- Doubt and other products: The National Toxicology Program's Report on Carcinogens, bad for whose business?by Elizabeth Grossman As it pursues its anti-regulatory agenda the ...The Pump Handle· 22.05.2012 · 16:39 Uhr
- Weekend Recap: My Annular Eclipse Expedition!A little more persistence a little more effort and what ...Starts With A Bang· 22.05.2012 · 00:11 Uhr
- Water, waterThis image has been going around the intertubes recently I ...A Few Things Ill Considered· 21.05.2012 · 22:59 Uhr
- To be or not to be? The Prevention and Public Health Fundby Kim Krisberg We will pay for this by taking ...The Pump Handle· 21.05.2012 · 15:19 Uhr
- An important revelation regarding Heartland Gate (global warming denialism)Peter Gleick has been cleared of faking a key memo ...Greg Laden's Blog· 21.05.2012 · 12:52 Uhr
Kommentare (32)
Schöner Artikel.
Können die elementaren Anregungen dazu führen, dass irgendwo mehr Higgsteilchen und anderswo weniger sind?
Können Teilchenbewegungen rein theoretisch so angeordnet werden, dass grossflächige Strukturen im Higgsfeld entstehen?
Irgenwie erinnert mich das Higgs-Feld ein bischen an den Lichtäther. Mal schauen, ob dieser Theorie irgendwann das selbe wiederfahren wird.
Aber zum Verständniss nochteinmal: Masse wird somit einzig als Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld beschrieben. Also ist alles immer mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs, nur durch die Wechselwirkung mit dem Feld sind "schwere" Sachen dazu verdammt immer hin und her zu rennen?
Wie ist denn dann die Massenträgheit zu verstehen? Reagiert das Feld träge?
Wenn die Teilchen sich also mikroskopisch Lichtschnell bewegen, wieso vergeht dann für sie überhaupt Eigenzeit? Müsste dann nicht die "myonenuhr" bei jeder Higgs-Feld-Interaktion einen Sprung vorwärst machen oder wie wird das umgesetzt?
Was ich bei der ganzen Sache aber nicht verstehe : Wenn das Higgs Feld durch stärkere oder schwächere WW an den "Kringeln" mit den betrachteten Teilchen "entscheidet" wie schwer es ist, welcher Mechanismus entscheidet über die Stärke oder Schwäche der Feldwechselwirkung? Warum wechselwirkt ein Proton stärker mit dem Higgsfeld als ein Elektron ? Verschiebt sich da nicht nur die Fragestellung nach der Masse der Elementarteilchen eine Ebene nach unten und der Hund beisst sich in den Schwanz ?
@AndreasM
"Können die elementaren Anregungen dazu führen, dass irgendwo mehr Higgsteilchen und anderswo weniger sind?"
Das ist ja letztlich das, was am CERN passieren soll/passiert. Wie gesagt, der Unterschied zwischen Higgsfeld und Higgsteilchen kommt im 2. Teil.
"Können Teilchenbewegungen rein theoretisch so angeordnet werden, dass grossflächige Strukturen im Higgsfeld entstehen?"
Wie meinst du das? Ich kann die Frage nicht so recht nachvollziehen.
@Spoing
"Irgenwie erinnert mich das Higgs-Feld ein bischen an den Lichtäther. Mal schauen, ob dieser Theorie irgendwann das selbe wiederfahren wird."
Stimmt.
"Wie ist denn dann die Massenträgheit zu verstehen? Reagiert das Feld träge?"
Naja, Trägheit ist ja ein Maß dafür, wieviel Energie ich brauche, um die Geschwindigkeit zu verändern. Und wenn ich das mit einem Teilchen mache, dann muss ich quasi gegen das Higgsfeld "anarbeiten". Ganz präzise lässt sich das in diesem vereinfachten Bild wohl nicht fassen, weil man ja lle Möglichkeiten von A nach B gleichzeitig betrachten muss.
@Cobi
Du denkst an sowas wie die Zeitdilatation beim Myon-Zerfall, richtig?
Auch hier das Problem, dass das ganz einfache Bild, wie ich es oben gezeichnet habe, mit Vorsicht zu genießen ist, weil man eben (wie in dem Bild mit der Summe) immer alle Möglichkeiten addieren muss. Und genau wie der Weg von A nach B sich zusammensetzt aus
A nach B + A nach x nach B + A nach x nach y nach B usw.
muss man jetzt auch alle Möglichkeiten betrachten, dass das Myon auf dem Weg von A nach B zerfällt. Und da es sich in der Raumzeit bewegt, gibt es dann auch relativistische Effekte.
Wenn Neutrinos masselos wären (was man ja früher dachte) dann wäre die immer lichtschnell, trotzdem könnten sie zerfallen und zerfallen auch um so wahrscheinlicher, je länger man wartet (was mit der Idee, dass für lichtschnelle Teilchen keine Eigenzeit vergeht, nicht so richtig zusammenzupassen scheint). Das Problem ist, dass man hier letztlich an die Grenzen des Teilchenbildes stößt.
@MartinB: Wenn Teilchen mit dem Higgsfeld interagieren, verändern sie das Higgsfeld, oder? Damit das Higgsfeld immer noch gleichverteilt bleibt, löschen sich diese Veränderungen dann im Mittel aus? Oder sorgt Verfall und Neuenstehung von Higgsteilchen für einen Ausgleich?
Wenn das CERN im kleinen Massstab einen "Windstoss" im Higgsfeld verursachen kann, gibt es solche dann auch Grösser?
Aber ich vermute, diese Fragen beantworten sich wahrscheinlich in Teil 2.
@LeCevita
"Verschiebt sich da nicht nur die Fragestellung nach der Masse der Elementarteilchen eine Ebene nach unten und der Hund beisst sich in den Schwanz ?"
Die Frage nach dem Wert der Masse wird durch den Higgs-Mechanismus tatsächlich nicht beantwortet - jede Teilchensorte hat ihre persönliche Kopplungskonstante. Das ist ja ein Grund, warum man nach grundlegenderen Theorien wie Superstrings o.ä. sucht, weil das Standardmodell sehr viele unerklärte Zahlen enthält.
Den Higgs-Mechanismus braucht man nicht, um den Wert der Teilchenmassen zu erklären, sondern um zu erklären, wie man einerseits die Linkshändigkeit und andererseits massive Teilchen haben kann.
Vielen Dank für diesen Beitrag Mr. Bäker – Aber so kann es doch nicht sein - oder? Zuviel Reduktion? Alles bewegt sich in Wahrheit mit c? Nichts ist schneller nichts ist langsamer.
Ich hätte es ja verstanden, wenn das Higgs-Feld nur den Eichbosonen (W/Z) Masse verleiht – aber allem?
Erhalten Photonen Masse, wenn sie sich durch das Glas im Zick-Zack bewegen? Nein, weil sie dabei nicht ihre Helizität ändern??
@ Spoing
„Irgendwie erinnert mich das Higgs-Feld ein bischen an den Lichtäther. Mal schauen, ob dieser Theorie irgendwann das selbe wiederfahren wird.“
Wie denn? Wenn man ihn mal nachgewiesen hat, dann hätte man den „Äther“ nachgewiesen? Der Hauptgrund warum der Äther abgelehnt wird.
„Wie ist denn dann die Massenträgheit zu verstehen? Reagiert das Feld träge?“
Sollte man nicht sagen – verleiht das Feld die Trägheit? Und nimmt die Trägheit zu wenn man sich relativ zum Feld/“Äther“ bewegt ;-).
Gruß
Aveneer
PS: Man stelle ich mal die Dichteverteilung des Higgsfelds im Universum vor? Das Feld müsste doch in der Nähe von Massen dichter sein? Zumindest wäre dies bei den VIP`s und dem Paparazzi(Higgs)-Feld so…
@Aveneer
"Ich hätte es ja verstanden, wenn das Higgs-Feld nur den Eichbosonen (W/Z) Masse verleiht"
Tut es auch - der Mechanismus ist aber etwas anders als der, den ich hier erkläre. Eigentlich wollte ich den nicht erklären, aber da anscheinend doch Interesse da ist, mal gucken, ob ich das im zweiten (dritten???) Teil hinbekomme.
– aber allem?"
Tja, ich hab's mir nicht ausgedacht. Schön geht anders, das finde ich auch (deswegen fände ich persönlich es ja auch viel cooler, wenn das Higgs-Teilchen nicht gefunden würde), aber im Moment ist es die beste Erklärung, die wir haben. Paritätsverletzung ist nun mal Mist.
"Wenn man ihn mal nachgewiesen hat, dann hätte man den „Äther“ nachgewiesen?"
Ich denke, Spoing meint einfach nur, weil auch der Äther etwas ist, was überall ist. Er/sie schrieb ja auch "erinnert an" nicht "ist gleich".
"Das Feld müsste doch in der Nähe von Massen dichter sein? "
Ja, jein, hmmm. Das ist schwierig. Ich versuchs mal in zwei Worten zusammen mit der Frage von
@AndreasM
"Damit das Higgsfeld immer noch gleichverteilt bleibt, löschen sich diese Veränderungen dann im Mittel aus? Oder sorgt Verfall und Neuenstehung von Higgsteilchen für einen Ausgleich?"
Die Wechselwirkung mit dem Higgsfeld lässt - wenn man das im Teilchenbild beschreiben will - virtuelle Higgsteilchen entstehen, so wie die elektrische Ladung virtuelle Photonen entstehen lässt. Das sind also schon Anregungen des Feldes, aber keine "echten" Teilchen - dafür braucht man hohe Energien wie am CERN. Im Mittel heben die sich tatsächlich raus, sonst würden die Teilchen ja Energie und Impuls an das Higgs-Feld abgeben müssen.
Wie schon gesagt, hier wird es mit dem Bild der Teilchen ein bisschen grezwertig - man muss sich immer erinnern, dass man ja lauter unterschiedliche Feynman-Diagramme überlagern muss, um ein korrektes Gesamtbild zu bekommen.
Mal eine ganz andere Frage: Steckt in dem Higgs-Feld denn theoretisch unendlich viel Energie in jedem Punkt des Universums? Wenn dies nicht der Fall ist müsste es doch somit eine theoretisch maximale Masse in einem Bereich geben. Denn sollten "alle" Higgsteilchen im Umfeld mit der Masse interagieren, könnte die Masse ja nurnoch schwerer werden wenn es selbst Higgsteilchen "Abstrahlt"
Martin Bäker schrieb (17.12.11 · 12:20 Uhr):
> der Zerfall eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein (Anti-)Neutrino: Dabei wandelt sich ein d-Quark des Neutrons in ein u-Quark um (Neutronen haben die Quark-Zusammensetzung udd, Protonen uud), sendet ein W-Boson aus, das dann zerfällt. [...] Der Prozess ist nicht spiegelsymmetrisch. Zwei Versuchsaufbauten, die sich nur darin unterscheiden, dass der eine ein exaktes Spiegelbild des anderen ist, zeigen unterschiedliche Ergebnisse. Das ist die berühmte Paritätsverletzung
Richtig.
> Für die Teilchen, auf die es hier ankommt (das sind die Materieteilchen, also Leptonen und Quarks) zeigt die Drehachse immer entweder in die Bewegungsrichtung oder entgegengesetzt dazu. Man spricht auch von der Helizität. Teilchen können entweder rechtshändig rotieren oder linkshändig
Auch richtig.
> Die Untersuchung der schwachen Wechselwirkung zeigt jetzt, dass die Materie-Teilchen nur dann mit W- oder Z-Bosonen wechselwirken können, wenn sie linkshändig rotieren, aber nicht bei rechtshändigen Teilchen.
Das stimmt offenbar nur, sofern dabei die jeweiligen "Bewegungsrichtungen" konsistent bzgl. eines geeigneten Systems ermittelt wurden;
naheliegender Weise z.B. bzgl. des Systems der "Versuchsaufbauten", insbesondere bzgl. des Systems des dabei wesentlichen W- oder Z-Bosons.
Die genannten Untersuchungen umfassen aber offenbar z.B. nicht alle (zumindest denkbaren) Messungen des Zerfalls eines (freien) Neutrons bezüglich eines Systems, gegenüber dem sich das Neutron anfänglich schneller als mit "Beta-Endpoint-Geschwindigkeit" bewegte (d.h. wohl etwas schneller als 0,7 c).
> Das Problem lässt sich in einem Satz formulieren: Wenn nur linkshändige Elektronen mit den W- und Z-Teilchen wechselwirken, was passiert dann, wenn ich ein Elektron überhole?
... scheint deshalb von einer Prämisse auszugehen, die nicht von Untersuchungsergebnissen getragen ist.
@Spoing
Nein, das ist ein etwas falsches Bild. Bei der Wechselwirkung mit dem Higgsfeld entstehen ja virtuelle Higgsteilchen (Anregungen des Higgsfelds um seinen "Standardwert"), davon kann es beliebig viele geben. Ganz ählich wie eine elektrische Ladung virtuelle Photonen erzeugt, auch davon kann es beliebig viele geben.
Ich sehe schon, dass ich die Geschichte mit Higgs-Feld, Higgs-teilchen und Anregungen im 2. Teil noch etwas detaillierter erklären muss (ich hoffe, ich verstehe es gut genug).
@MartinB
Ich sollte vielleicht abwarten bis Teil 2 ggf.3 und… abgehandelt sind, aber…
Kann man einem Photon eine Masse zuschreiben, wenn es sich im Zick-Zack durch ein Medium bewegt?
Wenn alle Teilchen sich (in Wahrheit) mit c bewegen - also „masselos“ sind – welches v relativ gibt es dann noch in der SRT??? Zu was kann man sich dann noch ins Ruhesystem transformieren…
Gruß
Aveneer
@Aveneer
Jetzt musst du wieder mit dem Teilchenbild aufpassen - das ist in der Quantentheorie halt nicht perfekt: Es ist ja nicht ein Teilchen, das einen klar definierten Zickzack-Kurs fliegt, sondern das Teilchen nimmt alle denkbaren Zickzack-Kurse, die man dann aufaddiert, so wie in meiner Quantenfeldtheorie-Serie beschrieben. Das einfache Zickzack-Bild ist insofern stark vereinfacht.
Und wenn man an richtige Quantenfelder denkt, dann haben die einfach Anregungen und Feldkonfigurationen, die an jedem Punkt in der Raumzeit definiert sind, deswegen gibt es auch keine Probleme mit der SRT.
Vielleicht hilft die QFT-Serie (besonders die Abschnitte über das Pfadintegral und der über den propagator) beim Verständnis weiter.
Das ist das tückische bei all diesen anschaulichen Erklärungen - die haben immer ihre Grenzen, gerade das Teilchenbild. Es sind halt Versuche, die Formeln irgendwie in eine Bildsprache zu packen, und je nach Fragestellung ist mal das eine, mal das andere Bild besser. Ich habe immer mehrere Bilder im Kopf und wechsle nach Bedarf hin und her - aber für einen Außenstehenden sieht das vermutlich arg willkürlich und etwas wirr aus.
Nachdem ich nicht einmal verstehe auf welche der beiden Fragen, dass die Antwort war (oder auf beide?), werde ich wohl besser auf den nächsten Teil warten und mir bis dahin die QFT-Serie noch einmal ansehen.
Ein sehr schönes Beispiel wie Gedankenexperimente (Teilchen das überholt wird) unser Bild über die Physik ändern können.
Auch ein sehr schöner Artikel, der das ganze wirklich gut beschreibt. Dass Fragen bei einem solchen Thema immer offen bleiben und noch "nacherklärt" werden muss, ist wohl selbstverständlich. Immerhin geht es hir um eine wirklich komplexe Theorie, nichtabelsche Eichtheorie, wie der Yang Mills Theorie, Quantum chromodynamics (QCD) spielt natürlich eine Rolle (wenn auch die Higgs field Theorie darüber hinausgeht), usw, all diese einzelnen Theorien könnten schon hunderte Blogposts ausfüllen und wären trotzdem nicht hinreichend erklärt (ansonsten würden ja PhysikstudentInnen ihre Zeit an der Uni verschwenden, sie bräuchten nur Blogs lesen ;-)). So ergibt dieser Artikel aber einen sehr schönen Einblick.
So jetzt aber genug geschleimt... ;-)
Gustav schrieb (18.12.11 · 00:23 Uhr):
> [...] wie Gedankenexperimente (Teilchen das überholt wird) unser Bild über die Physik ändern können.
Zunächst sicherlich das Bild, es sei beliebig, welches Bezugssystem man (zur Bewertung von "Händigkeit") zugrunde legt, wenn man schreibt, "dass die Materie-Teilchen nur dann mit W- oder Z-Bosonen wechselwirken können, wenn sie linkshändig rotieren".
@alle
Tut mir Leid, ich habe in den Kommentaren Mist gebaut. Habe gestern abend nochmal in die Formeln geguckt, die sind eindeutig: Die Erklärung mit den virtuellen Teilchen ist falsch.
Die Teilchen, die eine Masse bekommen sollen, koppeln (so wie es auch im Text oben steht) an das konstante Higgs-Feld, ohne dass sie dabei virtuelle Teilchen anregen müssten, die Masse der Teilchen ergibt sich direkt als Produkt aus dem wert des konstanten Higgsfeldes und der Kopplung.
Vermutlich bedeutet das, dass mein Argument mit der Impulserhaltung im Text nicht ganz passt - werde ich nochmal drüber nachdenken und ggf. korrigieren. Ich hoffe, für den 2. teil kriege ich das alles auf die Reihe.
Ich habe den Text oben korrigiert und das Impulserhaltungsargument gelöscht.
Hey, diese Erklärung war ja echt mal f*cking awesome! :-) Ich glaube, so anschaulich habe ich noch nie etwas über Higgs & Co. gelesen.
Zwei Anmerkungen habe ich aber: 1. Mir ist nun nicht ganz klar, wie man überhaupt eine Helizität für z.B. ein Elektron definieren kann, wenn es doch ständig seine Helizität wechselt. Oder liegt das auch wieder am "Aufaddieren" aller Möglichkeiten, so dass am Ende die "richtige" Helizität etwas überwiegt?
Und 2., kann es sein dass du nicht sauber zwischen Helizität und Chiralität getrennt hast? ;-) Links-/rechtshändig bezieht sich doch eigentlich nur auf die Chiralität; die Helizität entspricht nur der Chiralität wenn sich das Teilchen lichtschnell bewegt. Die Definition für Helizität ist ja einfach H = p · S (in Vektorschreibweise), ergibt also eine Zahl im Intervall [-1,1], während die Chiralität per Def. entweder positiv oder negativ ist. (Habe ich zumindest so in Erinnerung...) Aber wie gesagt, dennoch eine supertolle Erkärung, ich bin sehr auf den zweiten Teil gespannt!
@Jan
"kann es sein dass du nicht sauber zwischen Helizität und Chiralität getrennt hast?"
Jupp, da war ich ein "bisschen" schlampig - eigentlich müsste man mit dem 4-Komponentigen Spinor arbeiten.
Ich bin gerade über diesen Link hier gestolpert, ich glaube, der erklärt das etwas detaillierter als ich:
http://www.quantumdiaries.org/2011/06/19/helicity-chirality-mass-and-the-higgs/
Hihihi (aus dem verlinkten Artikel): "Electrons (left-chiral) and positrons (right-chiral) are two completely different particles, as evidenced by the positron's mustache."
Das ist hübsch ... würde ich zu gern mal sehen :)
Aber dein Artikel, MartinB, ist auch ohne Bart sehr klar und gut verständlich, für mich klarer als jeder zuvor, um mich den Vorrednern in der Anerkennung anzuschließen.
@MartinB du erhälst den Preis für die einfachste Erklärung schwieriger Sachverhalte. Ich bin auch auf den 2. Teil gespannt.
@alle
Ich hatte gerade einen Mailaustausch mit Flip Tanedo von den Quantum diaries, der mir ein paar offene Fragen beantwortet hat. Sobald ich das richtig verstehe, werde ich das entweder oben einbauen oder in den nächsten Text, aber so wie ich es sehe, hat er einige der oben angesprochenen Fragen (die ich mit den virtuellen Teilchen falsch beantwortet habe) sehr gut klären können.
MartinB schrieb (18.12.11 · 14:44 Uhr):
> ["kann es sein dass du nicht sauber zwischen Helizität und Chiralität getrennt hast?"] Jupp, da war ich ein "bisschen" schlampig - eigentlich müsste man mit dem 4-Komponentigen Spinor arbeiten.
Kann es sein, dass jemand, der sauber zwischen Helizität und Chiralität unterscheidet, das Problem gar nicht hat, um das der Artikel Aufhebens macht ("[...] was passiert dann, wenn ich ein Elektron überhole?") ?
Denn der Chiralität eines Elektrons (z.B.) "passiert beim Überholen" offenbar: nichts.
Man sollte nicht schreiben das alle Masse vom Higgs kommt. Fast all Deine Masse ist Bindungsenergie (E = m c^2); Higgs ist ein klitzekleiner Beitrag.
Es ist schon seit langem unverstaendlich wie wir Leute als Crackpots abstempeln wenn sie Aether theorien in Erwaegung ziehen aber auf der anderen Hand das Higgsfeld in solcher Weise beschreiben:
http://www.science20.com/alpha_meme/higgs_discovery_rehabilitating_despised_einstein_ether-85497
@Sascha
Hmm, ich dachte, das mit der Bindungsenergie stünde irgendwo, ich kann mich deutlich erinnern, das geschrieben zu haben - muss wohl im zweiten Teil sein, oder ich habe den Absatz wieder gelöscht. Auf jeden Fall hast du recht.
Das Higgsfeld ist aber doch insofern kein Äther, weil es lorentzinvariant ist - es gibt kein "Ruhesystem" zum Hintergrundfeld.
Danke - bin gespannt auf den zweiten Teil!
Wieder einmal ein sehr verständlicher Beitrag, danke!
Was sich mir allerdings grade verschließt ist, dass der Pfeil des Neutrinos im Diagramm des Beta-Zerfalls nach unten zeigt? Ich würde den intuitiv nach oben als richtig empfinden - wo liegt mein Fehler? (Als völlig ungeübter in Feynman-Diagrammen...)
@Rudolf
Einer der fiesen kleinen Tricks: Der Pfeil in die falsche Richtung sagt, dass es ein Anti-neutrino ist. Das hat man deswegen so eingeführt, weil dann an jedem Knoten ein Pfeil rein und einer rausläuft, egal welchen Prozess man betrachtet. Dann kann man die Diagramme ohne Probleme drehen und sie bleiben immer richtig.
Siehe auch den alten Post
http://www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2010/10/wie-funktionieren-feymandiagramme.php
Da gibt es relativ weit unten den Abschnitt "Die Ladung" - da kannst du sehen, dass das so praktisch ist, weil man Ort- und Zeitrichtung vertauschen kann und sich am Diagramm dann nichts ändert.
@ rudolf: "Es ist schon seit langem unverstaendlich wie wir Leute als Crackpots abstempeln wenn sie Aether Theorien in Erwaegung ziehen aber auf der anderen Hand das Higgsfeld in solcher Weise beschreiben:" ...
Auf dieser hohen Verständigungs-Ebene können wir gerne diskutieren. Wir müssten dann Higgs-Feld ebenso mit Reichs "Orgon-Energiefeld" abgleichen, das passt nämlich auch.
perk·
24.12.11 · 05:57 Uhr
denn gegensätze ziehen sich an...