Higgs-Boson

Higgs-Boson ⓘ

Mögliche Higgs-Boson-Ereignisse aus Kollisionen zwischen Protonen im LHC. Das obere Ereignis im CMS-Experiment zeigt einen Zerfall in zwei Photonen (gestrichelte gelbe Linien und grüne Türme). Das untere Ereignis im ATLAS-Experiment zeigt einen Zerfall in vier Myonen (rote Spuren).
Zusammensetzung	Elementarteilchen
Statistik	Bosonisch
Symbol	H0
Theoretisch	R. Brout, F. Englert, P. Higgs, G. S. Guralnik, C. R. Hagen, und T. W. B. Kibble (1964)
Entdeckt	Large Hadron Collider (2011-2013)
Masse	125,25 ± 0,17 GeV/c2
Mittlere Lebensdauer	1.56×10-22 s (vorhergesagt) 1,2 ~ 4,6 × 10-22 s (versuchsweise gemessen mit einer Signifikanz von 3,2 sigma (1 zu 1000))
Zerfälle in	Boden-Antiboden Paar (beobachtet) Zwei W-Bosonen (beobachtet) Zwei Gluonen (vorhergesagt) Tau-Antitau-Paar (beobachtet) Zwei Z-Bosonen (beobachtet) Zwei Photonen (beobachtet) Zwei Leptonen und ein Photon (Dalitz-Zerfall über ein virtuelles Photon) (vorläufig beobachtet mit einer Signifikanz von Sigma 3,2 (1 zu 1000))  Myon-Antimuon-Paar (vorhergesagt) Verschiedene andere Zerfälle (vorhergesagt)
Elektrische Ladung	0 e
Farbladung	0
Spin	0
Schwacher Isospin	−1/2
Schwache Hyperladung	+1
Parität	+1

Das Higgs-Boson, manchmal auch Higgs-Teilchen genannt, ist ein Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, das durch die Quantenanregung des Higgs-Feldes, eines der Felder in der Theorie der Teilchenphysik, entsteht. Im Standardmodell ist das Higgs-Teilchen ein massereiches Skalarboson mit Nullspin, gerader (positiver) Parität, ohne elektrische Ladung und ohne Farbladung, das an Masse koppelt (mit ihr wechselwirkt). Es ist außerdem sehr instabil und zerfällt fast sofort in andere Teilchen. ⓘ

Das Higgs-Feld ist ein Skalarfeld mit zwei neutralen und zwei elektrisch geladenen Komponenten, die ein komplexes Dublett der schwachen Isospin-SU(2)-Symmetrie bilden. Sein "mexikanisches hutförmiges" Potenzial führt dazu, dass es überall (auch im ansonsten leeren Raum) einen Wert ungleich Null annimmt, was die schwache Isospin-Symmetrie der elektroschwachen Wechselwirkung bricht und über den Higgs-Mechanismus einigen Teilchen Masse verleiht. ⓘ

Sowohl das Feld als auch das Boson sind nach dem Physiker Peter Higgs benannt, der 1964 zusammen mit fünf anderen Wissenschaftlern in drei Teams den Higgs-Mechanismus vorschlug, durch den einige Teilchen Masse erhalten können. (Alle damals bekannten Elementarteilchen sollten bei sehr hohen Energien masselos sein, aber es war äußerst schwierig zu erklären, wie einige Teilchen bei niedrigeren Energien an Masse gewinnen). Wenn diese Ideen richtig waren, sollte auch ein Teilchen, ein so genanntes Skalarboson, mit bestimmten Eigenschaften existieren. Dieses Teilchen wurde als Higgs-Boson bezeichnet und konnte verwendet werden, um zu testen, ob das Higgs-Feld die richtige Erklärung war. ⓘ

Nach 40-jähriger Suche wurde 2012 mit den Experimenten ATLAS und CMS am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, ein subatomares Teilchen mit den erwarteten Eigenschaften entdeckt. Anschließend wurde bestätigt, dass das neue Teilchen die erwarteten Eigenschaften eines Higgs-Bosons aufweist. Die Physiker von zwei der drei Teams, Peter Higgs und François Englert, wurden 2013 für ihre theoretischen Vorhersagen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Obwohl der Name Higgs mit dieser Theorie in Verbindung gebracht wird, haben mehrere Forscher zwischen etwa 1960 und 1972 unabhängig voneinander verschiedene Teile der Theorie entwickelt. ⓘ

In den Mainstream-Medien wird das Higgs-Boson oft als "Gottesteilchen" bezeichnet, angelehnt an das Buch "The God Particle" des Nobelpreisträgers Leon Lederman von 1993, obwohl dieser Spitzname von vielen Physikern nicht gebilligt wird. ⓘ

Higgs-Boson (H) ⓘ
Klassifikation
Elementarteilchen Boson
Eigenschaften
elektrische Ladung	neutral
Masse	2,23 · 10−25 kg
Ruheenergie	125,10(14) GeV
Spin	0
mittlere Lebensdauer	ca. 10−22 s
Wechselwirkungen	schwach Gravitation nach dem Higgs-Mechanismus mit allen Teilchen mit Masse

Für den experimentellen Nachweis des Higgs-Bosons und die Bestimmung seiner Masse sind Teilchenbeschleuniger mit ausreichender Energie und Luminosität nötig, weshalb der Nachweis über mehrere Jahrzehnte hinweg nicht gelang. Erst im Juli 2012 publizierte das Beschleunigerzentrum CERN den Nachweis eines Teilchens am Large Hadron Collider, bei dem es sich um das Higgs-Boson handeln konnte. Nachdem die Vermutung durch Analyse weiterer Daten bekräftigt worden war, galt die experimentelle Bestätigung als so weit fortgeschritten, dass François Englert und Peter Higgs für die theoretische Entwicklung des Higgs-Mechanismus der Nobelpreis für Physik 2013 zuerkannt wurde. Die international koordinierte Auswertung der entstehenden Messdaten wird sich noch über Jahre hinaus fortsetzen, um das ganze Bild weiter zu testen und gegebenenfalls zu verfeinern. ⓘ

Einführung

Das Standardmodell

Physiker erklären die fundamentalen Teilchen und Kräfte unseres Universums mit Hilfe des Standardmodells - einem weithin akzeptierten Rahmenwerk, das auf der Quantenfeldtheorie beruht und fast alle bekannten Teilchen und Kräfte außer der Schwerkraft mit großer Genauigkeit vorhersagt. (Für die Schwerkraft wird eine eigene Theorie, die allgemeine Relativitätstheorie, verwendet.) Im Standardmodell ergeben sich die Teilchen und Kräfte in der Natur (mit Ausnahme der Schwerkraft) aus Eigenschaften von Quantenfeldern, die als Eichinvarianz und Symmetrien bekannt sind. Die Kräfte im Standardmodell werden durch Teilchen übertragen, die als Eichbosonen bekannt sind. ⓘ

Eichinvariante Theorien und Symmetrien

"Es ist nur leicht übertrieben zu sagen, dass die Physik die Lehre von der Symmetrie ist" - Philip Anderson, Nobelpreis für Physik ⓘ

Eichtolerante Theorien sind Theorien, die die nützliche Eigenschaft haben, dass bestimmte Änderungen des Wertes bestimmter Elemente keinen Einfluss auf die Ergebnisse oder die Messungen haben, die wir vornehmen. Ein Beispiel dafür ist, dass eine Änderung der Spannung in einem Elektromagneten um +100 Volt keine Änderung des von ihm erzeugten Magnetfelds bewirkt. In ähnlicher Weise scheint die Messung der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum unabhängig von Zeit und Raum und dem lokalen Gravitationsfeld das gleiche Ergebnis zu liefern. In dieser Art von Theorien ist die Eichung ein Element, dessen Wert wir ändern können. Die Tatsache, dass einige Änderungen die Ergebnisse, die wir messen, unverändert lassen, bedeutet, dass es sich um eine eichinvariante Theorie handelt, und Symmetrien sind die spezifischen Arten von Änderungen der Eichung, die diesen Effekt haben, dass die Messungen unverändert bleiben. (Genauer gesagt, ändern diese Transformationen der Eichkomponente die Energie nicht). Symmetrien dieser Art sind mächtige Werkzeuge für ein tiefes Verständnis der fundamentalen Kräfte und Teilchen unserer physikalischen Welt, und die Eichtoleranz ist daher eine wichtige Eigenschaft innerhalb der Teilchentheorie. Sie ist eng mit den Erhaltungsgesetzen verbunden und wird mathematisch durch die Gruppentheorie beschrieben. Die Quantenfeldtheorie und das Standardmodell sind beide eichinvariante Theorien - das heißt, sie konzentrieren sich auf Eigenschaften unseres Universums, die diese Eigenschaft der Eichinvarianz und die damit verbundenen Symmetrien zeigen. ⓘ

Das Problem der Masse der Eichbosonen

Quantenfeldtheorien, die auf der Eichinvarianz beruhen, wurden mit großem Erfolg zum Verständnis der elektromagnetischen und der starken Kraft eingesetzt, aber um 1960 waren alle Versuche, eine eichinvariante Theorie für die schwache Kraft (und ihre Kombination mit der elektromagnetischen Kraft, die zusammen als elektroschwache Wechselwirkung bekannt ist) zu schaffen, durchweg gescheitert, und die Eichtheorien gerieten infolgedessen in Verruf. Das Problem bestand darin, dass die Symmetriebedingungen für diese beiden Kräfte fälschlicherweise vorhersagten, dass die Eichbosonen der schwachen Kraft (W und Z) keine Masse haben würden. Experimente zeigten jedoch, dass die W- und Z-Eichbosonen eine Masse ungleich Null haben. Ein weiteres Problem war, dass viele vielversprechende Lösungen die Existenz zusätzlicher Teilchen, der so genannten Goldstone-Bosonen, vorauszusetzen schienen. Es gab jedoch Hinweise darauf, dass auch diese nicht existierten. Dies bedeutete, dass entweder die Eichinvarianz ein falscher Ansatz war oder dass etwas anderes - Unbekanntes - den W- und Z-Bosonen der schwachen Kraft ihre Masse verlieh, und zwar auf eine Weise, die auch keine Goldstone-Bosonen hervorbrachte. In den späten 1950er und frühen 1960er Jahren waren die Physiker immer noch völlig ratlos, wie sie diese Probleme lösen oder eine umfassende Theorie für die Teilchenphysik entwickeln sollten. ⓘ

Symmetriebrechung

In den späten 1950er Jahren erkannte Yoichiro Nambu, dass spontane Symmetriebrechung, ein Prozess, bei dem ein symmetrisches System asymmetrisch wird, unter bestimmten Bedingungen auftreten kann. Von Symmetriebrechung spricht man, wenn eine Änderung, die zuvor die Messergebnisse nicht veränderte (sie war ursprünglich eine "Symmetrie"), nun die Messergebnisse verändert (sie ist nun "gebrochen" und keine Symmetrie mehr). 1962 stellte der Physiker Philip Anderson, ein Experte für die Physik der kondensierten Materie, fest, dass die Symmetriebrechung bei der Supraleitung eine Rolle spielt, und schlug vor, dass sie auch ein Teil der Antwort auf das Problem der Eichinvarianz in der Teilchenphysik sein könnte. Insbesondere schlug er vor, dass die Goldstone-Bosonen, die aus der Symmetriebrechung resultieren würden, stattdessen unter bestimmten Umständen von den masselosen W- und Z-Bosonen "absorbiert" werden könnten. In diesem Fall würden die Goldstone-Bosonen vielleicht nicht existieren, und die W- und Z-Bosonen könnten an Masse gewinnen, wodurch beide Probleme auf einmal gelöst würden. Ein ähnliches Verhalten wurde bereits für die Supraleitung theoretisiert. Im Jahr 1963 zeigten die Physiker Abraham Klein und Benjamin Lee, dass dies theoretisch möglich ist, zumindest für einige begrenzte (nichtrelativistische) Fälle. Diese Erkenntnisse wurden im April 1963 (Anderson) und im März 1964 (Klein und Lee) offiziell veröffentlicht. ⓘ

Higgs-Mechanismus

Im Anschluss an die Veröffentlichungen von 1963 und Anfang 1964 entwickelten drei Forschergruppen diese Theorien unabhängig voneinander weiter, und zwar in den so genannten PRL-Papieren von 1964 über Symmetriebrechung. Alle drei Gruppen kamen zu ähnlichen Schlussfolgerungen, und zwar für alle Fälle, nicht nur für einige begrenzte Fälle. Sie zeigten, dass die Bedingungen für die elektroschwache Symmetrie "gebrochen" würden, wenn eine ungewöhnliche Art von Feld im gesamten Universum existierte, und dass es in der Tat keine Goldstone-Bosonen gäbe und einige der existierenden Bosonen an Masse gewinnen würden. Das dafür erforderliche Feld (das damals rein hypothetisch war) wurde als Higgs-Feld (nach Peter Higgs, einem der Forscher) und der Mechanismus, der zur Symmetriebrechung führte, als Higgs-Mechanismus bekannt. Ein wesentliches Merkmal des notwendigen Feldes ist, dass es im Gegensatz zu allen anderen bekannten Feldern weniger Energie erfordert, damit das Feld einen Wert ungleich Null hat, so dass das Higgs-Feld überall einen Wert ungleich Null (oder Vakuumerwartung) hat. Dieser Nicht-Null-Wert könnte theoretisch die elektroschwache Symmetrie brechen. Es war der erste Vorschlag, der zeigen konnte, wie die Eichbosonen der schwachen Kraft trotz ihrer herrschenden Symmetrie innerhalb einer eichinvarianten Theorie Masse haben könnten. ⓘ

Obwohl diese Ideen anfangs nicht viel Unterstützung oder Aufmerksamkeit fanden, wurden sie bis 1972 zu einer umfassenden Theorie weiterentwickelt und erwiesen sich als fähig, "vernünftige" Ergebnisse zu liefern, die die damals bekannten Teilchen genau beschrieben und mit außergewöhnlicher Genauigkeit mehrere andere Teilchen vorhersagten, die in den folgenden Jahren entdeckt wurden. In den 1970er Jahren wurden diese Theorien schnell zum Standardmodell der Teilchenphysik. ⓘ

Higgs-Feld

Das Standardmodell enthält ein Feld, das erforderlich ist, um die elektroschwache Symmetrie zu "brechen" und den Teilchen ihre korrekte Masse zu verleihen. Dieses Feld, das so genannte "Higgs-Feld", existiert überall im Raum und bricht einige Symmetriegesetze der elektroschwachen Wechselwirkung, wodurch der Higgs-Mechanismus ausgelöst wird. Es bewirkt daher, dass die W- und Z-Eichbosonen der schwachen Kraft bei allen Temperaturen unterhalb eines extrem hohen Wertes massiv sind. Wenn die Bosonen der schwachen Kraft Masse erhalten, wirkt sich dies auf die Entfernung aus, die sie frei zurücklegen können, und diese wird sehr klein, was ebenfalls den experimentellen Ergebnissen entspricht. Darüber hinaus wurde später erkannt, dass dasselbe Feld auf andere Weise auch erklären würde, warum andere Grundbestandteile der Materie (einschließlich Elektronen und Quarks) Masse haben. ⓘ

Im Gegensatz zu allen anderen bekannten Feldern, wie z. B. dem elektromagnetischen Feld, ist das Higgs-Feld ein Skalarfeld und hat im Vakuum einen Durchschnittswert ungleich Null. ⓘ

Das "zentrale Problem"

Es gab noch keine direkten Beweise für die Existenz des Higgs-Feldes, aber auch ohne direkte Beweise ließ die Genauigkeit der Vorhersagen die Wissenschaftler glauben, dass die Theorie wahr sein könnte. In den 1980er Jahren galt die Frage nach der Existenz des Higgs-Feldes und damit nach der Richtigkeit des gesamten Standardmodells als eine der wichtigsten unbeantworteten Fragen der Teilchenphysik. ⓘ

Viele Jahrzehnte lang hatten die Wissenschaftler keine Möglichkeit, die Existenz des Higgs-Feldes festzustellen, da es die für seinen Nachweis erforderliche Technologie damals noch nicht gab. Wenn das Higgs-Feld tatsächlich existierte, dann wäre es anders als alle anderen bekannten fundamentalen Felder, aber es war auch möglich, dass diese Schlüsselideen oder sogar das gesamte Standardmodell irgendwie falsch waren. ⓘ

Die Existenz des Higgs-Feldes wurde zum letzten nicht verifizierten Teil des Standardmodells der Teilchenphysik und galt mehrere Jahrzehnte lang als "das zentrale Problem der Teilchenphysik". ⓘ

Die hypothetische Higgs-Theorie machte mehrere wichtige Vorhersagen. Eine entscheidende Vorhersage war, dass es auch ein passendes Teilchen, das so genannte "Higgs-Boson", geben sollte. Der Nachweis der Existenz des Higgs-Bosons würde beweisen, dass das Higgs-Feld existiert, und damit endgültig beweisen, dass die Erklärung des Standardmodells korrekt ist. Daher wurde intensiv nach dem Higgs-Boson gesucht, um die Existenz des Higgs-Feldes selbst zu beweisen. ⓘ

Suche und Entdeckung

Obwohl das Higgs-Feld überall existieren würde, war der Nachweis seiner Existenz alles andere als einfach. Im Prinzip lässt sich seine Existenz durch den Nachweis seiner Anregungen, die sich als Higgs-Teilchen (Higgs-Boson) manifestieren, nachweisen, doch sind diese extrem schwierig zu erzeugen und nachzuweisen, da zu ihrer Erzeugung Energie benötigt wird und sie selbst bei ausreichender Energie nur sehr selten entstehen. Es dauerte daher mehrere Jahrzehnte, bis der erste Nachweis des Higgs-Bosons erbracht werden konnte. Die Entwicklung von Teilchenbeschleunigern, Detektoren und Computern, die in der Lage sind, nach Higgs-Bosonen zu suchen, dauerte mehr als 30 Jahre (ca. 1980-2010). ⓘ

Die Bedeutung dieser grundlegenden Frage führte zu einer 40-jährigen Suche und zum Bau einer der bisher teuersten und komplexesten Versuchsanlagen der Welt, des Large Hadron Collider des CERN, mit dem Ziel, Higgs-Bosonen und andere Teilchen zur Beobachtung und Untersuchung zu erzeugen. Am 4. Juli 2012 wurde die Entdeckung eines neuen Teilchens mit einer Masse zwischen 125 und 127 GeV/c² bekannt gegeben; Physiker vermuteten, dass es sich um das Higgs-Boson handelt. Seitdem hat sich gezeigt, dass sich das Teilchen in vielerlei Hinsicht so verhält, wechselwirkt und zerfällt, wie es das Standardmodell für Higgs-Teilchen vorhersagt, und dass es eine gerade Parität und einen Nullspin hat, zwei grundlegende Eigenschaften eines Higgs-Bosons. Dies bedeutet auch, dass es das erste in der Natur entdeckte elementare Skalarteilchen ist. ⓘ

Im März 2013 wurde die Existenz des Higgs-Bosons bestätigt, und somit wird das Konzept einer Art Higgs-Feld im gesamten Raum stark unterstützt. ⓘ

Das Vorhandensein des Feldes, das nun durch experimentelle Untersuchungen bestätigt wurde, erklärt, warum einige fundamentale Teilchen Masse haben, obwohl die Symmetrien, die ihre Wechselwirkungen kontrollieren, nahelegen, dass sie masselos sein sollten. Es löst auch mehrere andere, seit langem bestehende Rätsel, wie z. B. den Grund für die extrem kurze Strecke, die die Bosonen der schwachen Kraft zurücklegen, und damit für die extrem kurze Reichweite der schwachen Kraft. ⓘ

2018 zeigen eingehende Untersuchungen, dass das Verhalten des Teilchens weiterhin mit den Vorhersagen des Standardmodells für das Higgs-Boson übereinstimmt. Weitere Studien sind erforderlich, um mit größerer Präzision zu überprüfen, ob das entdeckte Teilchen alle vorhergesagten Eigenschaften besitzt oder ob, wie in einigen Theorien beschrieben, mehrere Higgs-Bosonen existieren. ⓘ

Die Natur und die Eigenschaften dieses Feldes werden nun mit Hilfe weiterer am LHC gesammelter Daten weiter untersucht. ⓘ

Deutung

Zur Beschreibung des Higgs-Feldes und des Higgs-Bosons wurden verschiedene Analogien verwendet, darunter Analogien mit bekannten symmetriebrechenden Effekten wie dem Regenbogen und dem Prisma, elektrischen Feldern und Wellen auf der Wasseroberfläche. ⓘ

Andere Analogien, die auf dem Widerstand von Makroobjekten beruhen, die sich durch Medien bewegen (z. B. Menschen, die sich durch Menschenmengen bewegen, oder einige Objekte, die sich durch Sirup oder Melasse bewegen), werden häufig verwendet, sind aber irreführend, da das Higgs-Feld den Teilchen keinen Widerstand entgegensetzt und der Effekt der Masse nicht durch Widerstand verursacht wird. ⓘ

Überblick über das Higgs-Boson und die Eigenschaften des Feldes

Das "mexikanische hutförmige" Potenzial des Higgs-Feldes ist dafür verantwortlich, dass einige Teilchen an Masse gewinnen. ⓘ

Im Standardmodell ist das Higgs-Boson ein massives Skalarboson, dessen Masse experimentell bestimmt werden muss. Seine Masse wurde mit 125,35 ± 0,15 GeV bestimmt. Es ist das einzige Teilchen, das auch bei sehr hohen Energien massiv bleibt. Es hat keinen Spin, eine gerade (positive) Parität, keine elektrische Ladung, keine Farbladung und koppelt sich an die Masse an (wechselwirkt mit ihr). Außerdem ist es sehr instabil und zerfällt fast sofort über mehrere mögliche Wege in andere Teilchen. ⓘ

Das Higgs-Feld ist ein Skalarfeld mit zwei neutralen und zwei elektrisch geladenen Komponenten, die ein komplexes Dublett der schwachen Isospin-SU(2)-Symmetrie bilden. Im Gegensatz zu allen anderen bekannten Quantenfeldern hat es ein "mexikanisches hutförmiges" Potenzial. Diese Form bedeutet, dass das Higgs-Feld in seinem Grundzustand unterhalb extrem hoher Energien von etwa 159,5±1,5 GeV, wie sie während der ersten Pikosekunde (10-12 s) des Urknalls auftraten, weniger Energie benötigt, um einen Vakuumerwartungswert ungleich Null zu haben, als ein Wert von Null. Daher hat das Higgs-Feld im heutigen Universum überall (auch im ansonsten leeren Raum) einen Wert ungleich Null. Dieser von Null verschiedene Wert bricht wiederum überall die schwache Isospin-SU(2)-Symmetrie der elektroschwachen Wechselwirkung. (Technisch gesehen wandelt der von Null verschiedene Erwartungswert die Yukawa-Kopplungsterme der Lagrange in Massenterme um). Wenn dies geschieht, werden drei Komponenten des Higgs-Feldes von den SU(2)- und U(1)-Eichbosonen "absorbiert" (der "Higgs-Mechanismus") und werden zu den longitudinalen Komponenten der jetzt massiven W- und Z-Bosonen der schwachen Kraft. Die verbleibende elektrisch neutrale Komponente manifestiert sich entweder als Higgs-Boson oder koppelt separat an andere Teilchen, die als Fermionen bezeichnet werden (über Yukawa-Kopplungen), wodurch diese ebenfalls Masse erhalten. ⓘ

Bedeutung

Der Nachweis des Higgs-Feldes und seiner Eigenschaften ist aus vielen Gründen von großer Bedeutung. Die Bedeutung des Higgs-Bosons liegt vor allem darin, dass es mit dem vorhandenen Wissen und der vorhandenen experimentellen Technologie untersucht werden kann, um die gesamte Higgs-Feldtheorie zu bestätigen und zu untersuchen. Umgekehrt wäre der Nachweis, dass das Higgs-Feld und das Higgs-Boson nicht existieren, ebenfalls von Bedeutung gewesen. ⓘ

Teilchenphysik

Validierung des Standardmodells

Das Higgs-Boson validiert das Standardmodell durch den Mechanismus der Massenerzeugung. Je präziser seine Eigenschaften gemessen werden, desto mehr fortgeschrittene Erweiterungen können vorgeschlagen oder ausgeschlossen werden. In dem Maße, wie experimentelle Mittel zur Messung des Verhaltens und der Wechselwirkungen des Feldes entwickelt werden, kann dieses fundamentale Feld besser verstanden werden. Wäre das Higgs-Feld nicht entdeckt worden, hätte das Standardmodell geändert oder ersetzt werden müssen. ⓘ

In diesem Zusammenhang herrscht unter Physikern allgemein die Überzeugung, dass es wahrscheinlich eine "neue" Physik jenseits des Standardmodells geben wird und dass das Standardmodell irgendwann erweitert oder ersetzt werden wird. Die Higgs-Entdeckung sowie die vielen gemessenen Kollisionen am LHC geben den Physikern ein empfindliches Werkzeug an die Hand, um in ihren Daten nach Hinweisen zu suchen, dass das Standardmodell zu versagen scheint, und könnten den Forschern wichtige Anhaltspunkte für künftige theoretische Entwicklungen liefern. ⓘ

Symmetriebrechung der elektroschwachen Wechselwirkung

Unterhalb einer extrem hohen Temperatur führt die elektroschwache Symmetriebrechung dazu, dass sich die elektroschwache Wechselwirkung zum Teil als kurzreichweitige schwache Kraft manifestiert, die von massiven Eichbosonen getragen wird. In der Geschichte des Universums wird angenommen, dass der elektroschwache Symmetriebruch etwa 1 Pikosekunde (10-12 s) nach dem Urknall stattfand, als das Universum eine Temperatur von 159,5±1,5 GeV hatte. Diese Symmetriebrechung ist Voraussetzung für die Bildung von Atomen und anderen Strukturen sowie für Kernreaktionen in Sternen, wie unserer Sonne. Das Higgs-Feld ist für diese Symmetriebrechung verantwortlich. ⓘ

Erwerb von Teilchenmasse

Das Higgs-Feld spielt eine zentrale Rolle bei der Erzeugung der Massen von Quarks und geladenen Leptonen (durch Yukawa-Kopplung) sowie der W- und Z-Eichbosonen (durch den Higgs-Mechanismus). ⓘ

Es ist erwähnenswert, dass das Higgs-Feld weder Masse aus dem Nichts "erschafft" (was gegen den Energieerhaltungssatz verstoßen würde), noch ist das Higgs-Feld für die Masse aller Teilchen verantwortlich. So sind beispielsweise etwa 99 % der Masse der Baryonen (zusammengesetzte Teilchen wie Proton und Neutron) auf die quantenchromodynamische Bindungsenergie zurückzuführen, die sich aus der Summe der kinetischen Energien der Quarks und der Energien der masselosen Gluonen ergibt, die die starke Wechselwirkung innerhalb der Baryonen vermitteln. In Higgs-basierten Theorien ist die Eigenschaft "Masse" eine Manifestation der potenziellen Energie, die auf die fundamentalen Teilchen übertragen wird, wenn sie mit dem Higgs-Feld wechselwirken ("koppeln"), in dem diese Masse in Form von Energie enthalten war. ⓘ

Skalare Felder und Erweiterung des Standardmodells

Das Higgs-Feld ist das einzige nachgewiesene Skalarfeld (Spin 0); alle anderen Felder des Standardmodells sind Spin-1⁄2-Fermionen oder Spin-1-Bosonen. Laut Rolf-Dieter Heuer, Generaldirektor des CERN bei der Entdeckung des Higgs-Bosons, ist dieser Nachweis eines skalaren Feldes fast so wichtig wie die Rolle des Higgs bei der Bestimmung der Masse anderer Teilchen. Er deutet darauf hin, dass andere hypothetische Skalarfelder, die von anderen Theorien vorgeschlagen werden, vom Inflaton bis zur Quintessenz, möglicherweise ebenfalls existieren könnten. ⓘ

Kosmologie

Inflaton

Es gibt beträchtliche wissenschaftliche Forschungen über mögliche Verbindungen zwischen dem Higgs-Feld und dem Inflaton - einem hypothetischen Feld, das als Erklärung für die Ausdehnung des Raums während des ersten Bruchteils einer Sekunde des Universums (bekannt als "Inflationsepoche") vorgeschlagen wird. Einige Theorien gehen davon aus, dass ein fundamentales Skalarfeld für dieses Phänomen verantwortlich sein könnte; das Higgs-Feld ist ein solches Feld, und seine Existenz hat zu Abhandlungen geführt, in denen untersucht wird, ob es auch das Inflaton sein könnte, das für die exponentielle Expansion des Universums während des Urknalls verantwortlich ist. Derartige Theorien sind äußerst provisorisch und stehen vor erheblichen Problemen im Zusammenhang mit der Unitarität. Sie könnten jedoch durchführbar sein, wenn sie mit zusätzlichen Merkmalen wie einer großen nichtminimalen Kopplung, einem Brans-Dicke-Skalar oder anderen "neuen" physikalischen Eigenschaften kombiniert werden, und sie wurden behandelt, was darauf hindeutet, dass Higgs-Inflationsmodelle theoretisch immer noch von Interesse sind. ⓘ

Die Natur des Universums und seine möglichen Schicksale

Diagramm mit den Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks, die Aufschluss darüber geben könnten, ob unser Universum stabil ist oder eine langlebige "Blase" darstellt. Seit 2012 lässt die auf Tevatron- und LHC-Daten basierende 2 σ-Ellipse immer noch beide Möglichkeiten zu. ⓘ

Im Standardmodell besteht die Möglichkeit, dass der unserem Universum zugrunde liegende Zustand - das so genannte "Vakuum" - zwar langlebig, aber nicht völlig stabil ist. In diesem Szenario könnte das Universum, wie wir es kennen, durch den Zusammenbruch in einen stabileren Vakuumzustand zerstört werden. Dies wurde manchmal fälschlicherweise so dargestellt, als würde das Higgs-Boson das Universum "beenden". Wenn die Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks genauer bekannt sind und das Standardmodell eine genaue Beschreibung der Teilchenphysik bis zu den extremen Energien der Planck-Skala liefert, ist es möglich zu berechnen, ob das Vakuum stabil oder nur langlebig ist. Eine Higgs-Masse von 125-127 GeV scheint extrem nahe an der Stabilitätsgrenze zu liegen, aber eine endgültige Antwort erfordert sehr viel genauere Messungen der Polmasse des Top-Quarks. Die neue Physik kann dieses Bild verändern. ⓘ

Wenn die Messungen des Higgs-Bosons darauf hindeuten, dass sich unser Universum in einem solchen falschen Vakuum befindet, würde dies bedeuten, dass die Kräfte, Teilchen und Strukturen des Universums, wie wir sie kennen, in vielen Milliarden Jahren aufhören könnten zu existieren (und durch andere ersetzt werden), wenn sich ein echtes Vakuum herausbilden würde. Es deutet auch darauf hin, dass die Higgs-Selbstkopplung λ und ihre β_λ-Funktion auf der Planck-Skala sehr nahe bei Null liegen könnten, was "verblüffende" Auswirkungen hat, einschließlich Theorien der Gravitation und der Higgs-basierten Inflation. Ein zukünftiger Elektron-Positron-Collider könnte die für solche Berechnungen erforderlichen präzisen Messungen des Top-Quarks liefern. ⓘ

Vakuumenergie und die kosmologische Konstante

Spekulativ wurde das Higgs-Feld auch als die Energie des Vakuums vorgeschlagen, die bei den extremen Energien der ersten Momente des Urknalls das Universum zu einer Art eigenschaftsloser Symmetrie aus undifferenzierter, extrem hoher Energie machte. Bei dieser Art von Spekulation wird das einzige vereinheitlichte Feld einer Großen Vereinheitlichten Theorie als das Higgs-Feld identifiziert (oder modelliert), und die derzeit bekannten Kräfte und Felder des Universums entstehen durch aufeinander folgende Symmetriebrechungen des Higgs-Feldes oder eines ähnlichen Feldes bei Phasenübergängen. ⓘ

Die Beziehung (wenn überhaupt) zwischen dem Higgs-Feld und der derzeit beobachteten Vakuumenergiedichte des Universums wurde ebenfalls wissenschaftlich untersucht. Die beobachtete Vakuumenergiedichte liegt extrem nahe bei Null, aber die vom Higgs-Feld, der Supersymmetrie und anderen aktuellen Theorien vorhergesagten Energiedichten sind in der Regel um viele Größenordnungen größer. Es ist unklar, wie dies miteinander in Einklang gebracht werden soll. Das Problem der kosmologischen Konstante ist nach wie vor ein großes ungelöstes Problem in der Physik. ⓘ

Geschichte

Die sechs Autoren der PRL-Papiere von 1964, die 2010 den J.-J.-Sakurai-Preis für ihre Arbeit erhielten; von links nach rechts: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout; rechtes Bild: Higgs. ⓘ

Nobelpreisträger Peter Higgs in Stockholm, Dezember 2013 ⓘ

Theoretisierung

Teilchenphysiker untersuchen Materie, die aus fundamentalen Teilchen besteht, deren Wechselwirkungen durch Austauschteilchen - Eichbosonen - vermittelt werden, die als Kraftträger fungieren. Zu Beginn der 1960er Jahre waren eine Reihe dieser Teilchen entdeckt oder vorgeschlagen worden, zusammen mit Theorien über ihre Beziehungen zueinander, von denen einige bereits als Feldtheorien umformuliert worden waren, in denen die Untersuchungsobjekte nicht Teilchen und Kräfte, sondern Quantenfelder und ihre Symmetrien sind. Die Versuche, Quantenfeldmodelle für zwei der vier bekannten Grundkräfte - die elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft - zu erstellen und diese Wechselwirkungen zu vereinheitlichen, blieben jedoch erfolglos. ⓘ

Ein bekanntes Problem war, dass eichinvariante Ansätze, einschließlich nicht-abelscher Modelle wie die Yang-Mills-Theorie (1954), die vielversprechend für vereinheitlichte Theorien waren, auch bekannte massive Teilchen als masselos vorauszusagen schienen. Das Goldstone-Theorem, das sich auf kontinuierliche Symmetrien innerhalb einiger Theorien bezog, schien ebenfalls viele offensichtliche Lösungen auszuschließen, da es zu zeigen schien, dass auch masselose Teilchen, die als Goldstone-Bosonen bekannt sind, existieren müssten, die einfach "nicht gesehen" wurden. Laut Guralnik hatten die Physiker "kein Verständnis" dafür, wie diese Probleme überwunden werden könnten. ⓘ

Der Teilchenphysiker und Mathematiker Peter Woit fasste den Stand der Forschung zu dieser Zeit zusammen:

Die Arbeit von Yang und Mills zur nichtabelschen Eichtheorie hatte ein großes Problem: In der Störungstheorie gibt es masselose Teilchen, die nichts entsprechen, was wir sehen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu beseitigen, ist heute recht gut bekannt: das Phänomen des Confinement in der QCD, bei dem die starken Wechselwirkungen die masselosen "Gluon"-Zustände auf große Entfernungen beseitigen. Bereits in den frühen sechziger Jahren hatte man begonnen, eine andere Quelle für masselose Teilchen zu verstehen: die spontane Symmetriebrechung einer kontinuierlichen Symmetrie. Philip Anderson erkannte und arbeitete im Sommer 1962 heraus, dass die masselose Nambu-Goldstone-Mode [die zu Goldstone-Bosonen führt] mit den masselosen Eichfeldmoden [die zu masselosen Eichbosonen führen] kombiniert werden kann, um ein physikalisches massives Vektorfeld [Eichbosonen mit Masse] zu erzeugen, wenn sowohl Eichsymmetrie als auch spontane Symmetriebrechung vorhanden sind. Dies geschieht in der Supraleitung, einem Thema, für das Anderson einer der führenden Experten war (und ist). [Text gekürzt] ⓘ

Der Higgs-Mechanismus ist ein Prozess, durch den Vektorbosonen eine Ruhemasse erhalten können, ohne explizit die Eichtoleranz zu brechen, und zwar als Nebenprodukt der spontanen Symmetriebrechung. Die mathematische Theorie, die der spontanen Symmetriebrechung zugrunde liegt, wurde 1960 von Yoichiro Nambu in der Teilchenphysik erdacht und veröffentlicht (und von Ernst Stueckelberg 1938 in gewisser Weise vorweggenommen), und das Konzept, dass ein solcher Mechanismus eine mögliche Lösung für das "Massenproblem" bieten könnte, wurde ursprünglich 1962 von Philip Anderson vorgeschlagen, der zuvor Arbeiten über gebrochene Symmetrie und ihre Ergebnisse in der Supraleitung verfasst hatte. Anderson kam in seiner 1963 veröffentlichten Arbeit über die Yang-Mills-Theorie zu dem Schluss, dass "die Betrachtung des supraleitenden Analogons... [t]hese two types of bosons seem capable of canceling each other out... leaving finite mass bosons"), und im März 1964 zeigten Abraham Klein und Benjamin Lee, dass das Goldstone-Theorem auf diese Weise zumindest in einigen nicht-relativistischen Fällen vermieden werden kann, und spekulierten, dass dies auch in wirklich relativistischen Fällen möglich sein könnte. ⓘ

Diese Ansätze wurden schnell zu einem vollständigen relativistischen Modell weiterentwickelt, unabhängig und fast gleichzeitig von drei Gruppen von Physikern: von François Englert und Robert Brout im August 1964, von Peter Higgs im Oktober 1964 und von Gerald Guralnik, Carl Hagen und Tom Kibble (GHK) im November 1964. Higgs schrieb auch eine kurze, aber wichtige Antwort auf einen Einwand von Gilbert, die im September 1964 veröffentlicht wurde und zeigte, dass Goldstones Theorem und Gilberts Einwand unanwendbar werden, wenn man innerhalb der Strahlungslehre rechnet. Higgs beschrieb später Gilberts Einwand als Anregung für seine eigene Arbeit. Die Eigenschaften des Modells wurden 1965 von Guralnik, 1966 von Higgs, 1967 von Kibble und 1967 von GHK weiter untersucht. Die drei Originalarbeiten von 1964 zeigten, dass die Eichbosonen eine endliche Masse erhalten können, wenn eine Eichtheorie mit einem zusätzlichen geladenen Skalarfeld kombiniert wird, das spontan die Symmetrie bricht. Im Jahr 1967 haben Steven Weinberg und Abdus Salam unabhängig voneinander, wie ein Higgs-Mechanismus verwendet werden könnte, um die elektroschwache Symmetrie von Sheldon Glashows vereinheitlichtem Modell für die schwache und elektromagnetische Wechselwirkung zu brechen, (das seinerseits eine Erweiterung der Arbeit von Schwinger ist) zu brechen, wodurch das Standardmodell der Teilchenphysik entstand. Weinberg war der erste, der feststellte, dass dies auch Massenterme für die Fermionen liefern würde. ⓘ

Zunächst wurden diese bahnbrechenden Arbeiten über die spontane Brechung von Eichsymmetrien weitgehend ignoriert, da man weithin der Meinung war, dass die betreffenden (nichtabelschen Eich-)Theorien eine Sackgasse darstellten und vor allem nicht renormiert werden konnten. In den Jahren 1971-72 bewiesen Martinus Veltman und Gerard 't Hooft in zwei Arbeiten, dass eine Renormierung der Yang-Mills-Theorie möglich ist, und zwar zunächst für masselose und dann für massive Felder. Ihr Beitrag und die Arbeit anderer an der Renormierungsgruppe - einschließlich der "substanziellen" theoretischen Arbeit der russischen Physiker Ludvig Faddeev, Andrei Slavnov, Efim Fradkin und Igor Tyutin - war schließlich "enorm tiefgreifend und einflussreich", aber selbst als alle Schlüsselelemente der endgültigen Theorie veröffentlicht waren, gab es immer noch kaum ein breiteres Interesse. So stellte Coleman in einer Studie fest, dass Weinbergs Arbeit, die von David Politzer in seiner Nobelpreisrede 2004 erörtert wurde, vor 1971 "im Wesentlichen von niemandem beachtet" wurde. - Die heute meistzitierte Arbeit in der Teilchenphysik - Glashows Lehre der schwachen Wechselwirkung - enthielt Politzer zufolge selbst 1970 keine Erwähnung von Weinbergs, Salams oder Glashows eigener Arbeit. In der Praxis, so Politzer, erfuhr fast jeder von der Theorie dank des Physikers Benjamin Lee, der die Arbeiten von Veltman und 't Hooft mit den Erkenntnissen anderer kombinierte und die fertige Theorie popularisierte. Auf diese Weise "explodierten" ab 1971 das Interesse und die Akzeptanz, und die Ideen wurden schnell von der breiten Öffentlichkeit aufgenommen. ⓘ

Die daraus resultierende elektroschwache Theorie und das Standardmodell haben (unter anderem) schwache neutrale Ströme, drei Bosonen, die Top- und Charm-Quarks und mit großer Präzision die Masse und andere Eigenschaften einiger dieser Elemente genau vorhergesagt. Viele der Beteiligten haben schließlich Nobelpreise oder andere renommierte Auszeichnungen erhalten. In einem Aufsatz von 1974 und einem umfassenden Bericht in der Zeitschrift Reviews of Modern Physics hieß es, dass "zwar niemand die [mathematische] Korrektheit dieser Argumente anzweifelte, aber auch niemand so recht daran glaubte, dass die Natur teuflisch klug genug war, um sie auszunutzen", und fügte hinzu, dass die Theorie bisher genaue Antworten geliefert hatte, die mit den Experimenten übereinstimmten, dass aber nicht bekannt war, ob die Theorie grundsätzlich korrekt war. Bereits 1986 und erneut in den 1990er Jahren konnte man schreiben, dass das Verständnis und der Nachweis des Higgs-Sektors des Standardmodells "das zentrale Problem der heutigen Teilchenphysik" sei. ⓘ

Zusammenfassung und Auswirkungen der PRL-Papiere

Die drei Arbeiten aus dem Jahr 1964 wurden anlässlich des 50-jährigen Jubiläums der Physical Review Letters als Meilensteine der Forschung gewürdigt. Ihre sechs Autoren wurden für diese Arbeit mit dem J. J. Sakurai-Preis für Theoretische Teilchenphysik 2010 ausgezeichnet. (Im selben Jahr kam es auch zu einer Kontroverse, weil im Falle eines Nobelpreises nur bis zu drei Wissenschaftler ausgezeichnet werden konnten, während sechs für die Arbeiten angerechnet wurden). Zwei der drei PRL-Papiere (von Higgs und von GHK) enthielten Gleichungen für das hypothetische Feld, das schließlich als Higgs-Feld und sein hypothetisches Quantum, das Higgs-Boson, bekannt werden sollte. Higgs' spätere Arbeit von 1966 zeigte den Zerfallsmechanismus des Bosons; nur ein massives Boson kann zerfallen und die Zerfälle können den Mechanismus beweisen. ⓘ

In der Arbeit von Higgs ist das Boson massiv, und in einem Schlusssatz schreibt Higgs, dass "ein wesentliches Merkmal" der Theorie "die Vorhersage von unvollständigen Multipletts von Skalar- und Vektorbosonen" ist. (Frank Close merkt an, dass sich die Eichtheoretiker der 1960er Jahre auf das Problem der masselosen Vektorbosonen konzentrierten und die implizite Existenz eines massiven Skalarbosons nicht als wichtig erachteten; nur Higgs sprach es direkt an). In der Arbeit von GHK ist das Boson masselos und von den massiven Zuständen entkoppelt. In Rezensionen aus den Jahren 2009 und 2011 stellt Guralnik fest, dass das Boson im GHK-Modell nur in einer Näherung niedrigster Ordnung masselos ist, aber keiner Beschränkung unterliegt und bei höheren Ordnungen Masse erhält, und fügt hinzu, dass das GHK-Papier das einzige war, das zeigte, dass es in dem Modell keine masselosen Goldstone-Bosonen gibt, und das eine vollständige Analyse des allgemeinen Higgs-Mechanismus lieferte. Alle drei kamen zu ähnlichen Schlussfolgerungen, trotz ihrer sehr unterschiedlichen Ansätze: Higgs' Arbeit verwendete im Wesentlichen klassische Techniken, Englert und Brout berechneten die Vakuumpolarisation in der Störungstheorie um einen angenommenen symmetriebrechenden Vakuumzustand herum, und GHK nutzte den Operatorformalismus und die Erhaltungssätze, um eingehend zu untersuchen, wie der Goldstone-Satz umgangen werden kann. Einige Versionen der Theorie sagten mehr als eine Art von Higgs-Feldern und -Bosonen voraus, und alternative "Higgs-freie" Modelle wurden bis zur Entdeckung des Higgs-Bosons in Betracht gezogen. ⓘ

Experimentelle Suche

Um Higgs-Bosonen zu erzeugen, werden zwei Teilchenstrahlen auf sehr hohe Energien beschleunigt und in einem Teilchendetektor zur Kollision gebracht. Gelegentlich, wenn auch selten, wird ein Higgs-Boson flüchtig als Teil der Kollisionsnebenprodukte erzeugt. Da das Higgs-Boson sehr schnell zerfällt, können Teilchendetektoren es nicht direkt nachweisen. Stattdessen registrieren die Detektoren alle Zerfallsprodukte (die Zerfallssignatur) und aus den Daten wird der Zerfallsprozess rekonstruiert. Wenn die beobachteten Zerfallsprodukte mit einem möglichen Zerfallsprozess (dem so genannten Zerfallskanal) eines Higgs-Bosons übereinstimmen, deutet dies darauf hin, dass ein Higgs-Boson entstanden sein könnte. In der Praxis können viele Prozesse ähnliche Zerfallssignaturen erzeugen. Glücklicherweise sagt das Standardmodell die Wahrscheinlichkeit des Auftretens jedes dieser Prozesse und jedes bekannten Prozesses genau voraus. Wenn der Detektor also mehr Zerfallssignaturen entdeckt, die konsistent mit einem Higgs-Boson übereinstimmen, als man erwarten würde, wenn es keine Higgs-Bosonen gäbe, dann wäre dies ein starker Beweis dafür, dass das Higgs-Boson existiert. ⓘ

Da die Produktion eines Higgs-Bosons bei einer Teilchenkollision wahrscheinlich sehr selten ist (1 zu 10 Milliarden am LHC), und viele andere mögliche Kollisionsereignisse ähnliche Zerfallssignaturen aufweisen können, müssen die Daten von Hunderten von Billionen von Kollisionen analysiert werden und "das gleiche Bild zeigen", bevor eine Schlussfolgerung über die Existenz des Higgs-Bosons gezogen werden kann. Um zu dem Schluss zu kommen, dass ein neues Teilchen gefunden wurde, müssen die Teilchenphysiker anhand der statistischen Analyse von zwei unabhängigen Teilchendetektoren feststellen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die beobachteten Zerfallssignaturen nur auf zufällige Hintergrundereignisse des Standardmodells zurückzuführen sind, geringer ist als eins zu einer Million, d. h. dass die beobachtete Anzahl von Ereignissen um mehr als fünf Standardabweichungen (Sigma) von derjenigen abweicht, die erwartet wird, wenn es kein neues Teilchen gibt. Mehr Kollisionsdaten ermöglichen eine bessere Bestätigung der physikalischen Eigenschaften jedes beobachteten neuen Teilchens und erlauben es den Physikern zu entscheiden, ob es sich tatsächlich um ein Higgs-Boson im Sinne des Standardmodells oder um ein anderes hypothetisches neues Teilchen handelt. ⓘ

Um das Higgs-Boson zu finden, wurde ein leistungsstarker Teilchenbeschleuniger benötigt, da Higgs-Bosonen in Experimenten mit niedrigerer Energie möglicherweise nicht nachgewiesen werden können. Der Beschleuniger musste eine hohe Luminosität aufweisen, um sicherzustellen, dass genügend Kollisionen beobachtet wurden, um Schlussfolgerungen ziehen zu können. Schließlich wurden fortschrittliche Rechenanlagen benötigt, um die riesigen Datenmengen (25 Petabyte pro Jahr, Stand 2012) zu verarbeiten, die bei den Kollisionen anfallen. Für die Ankündigung vom 4. Juli 2012 wurde am CERN ein neuer Kollisionsbeschleuniger, der Large Hadron Collider, mit einer geplanten Kollisionsenergie von 14 TeV gebaut - mehr als das Siebenfache aller bisherigen Kollisionsbeschleuniger - und über 300 Billionen (3×10⁺¹⁴) LHC-Proton-Proton-Kollisionen wurden vom LHC Computing Grid analysiert, dem weltgrößten Computergitter (Stand 2012), das über 170 Rechenanlagen in einem weltweiten Netzwerk in 36 Ländern umfasst. ⓘ

Suche vor dem 4. Juli 2012

Die erste umfassende Suche nach dem Higgs-Boson wurde in den 1990er Jahren am Large Electron-Positron Collider (LEP) am CERN durchgeführt. Am Ende seines Betriebs im Jahr 2000 hatte LEP keine schlüssigen Beweise für das Higgs gefunden. Dies bedeutete, dass das Higgs-Boson, wenn es denn existieren sollte, schwerer als 114,4 GeV/c² sein müsste. ⓘ

Die Suche wurde am Fermilab in den Vereinigten Staaten fortgesetzt, wo das Tevatron - der Collider, in dem 1995 das Top-Quark entdeckt wurde - zu diesem Zweck aufgerüstet worden war. Es gab keine Garantie, dass das Tevatron in der Lage sein würde, das Higgs zu finden, aber es war der einzige Supercollider, der in Betrieb war, da der Large Hadron Collider (LHC) noch im Bau war und der geplante supraleitende Supercollider 1993 abgesagt und nie fertiggestellt worden war. Das Tevatron konnte nur weitere Bereiche für die Higgs-Masse ausschließen und wurde am 30. September 2011 abgeschaltet, weil es mit dem LHC nicht mehr mithalten konnte. Die endgültige Analyse der Daten schloss die Möglichkeit eines Higgs-Bosons mit einer Masse zwischen 147 GeV/c² und 180 GeV/c² aus. Darüber hinaus gab es einen kleinen (aber nicht signifikanten) Überschuss an Ereignissen, die möglicherweise auf ein Higgs-Boson mit einer Masse zwischen 115 GeV/c² und 140 GeV/c² hinweisen. ⓘ

Der Large Hadron Collider am CERN in der Schweiz wurde speziell entwickelt, um die Existenz des Higgs-Bosons entweder zu bestätigen oder auszuschließen. Er wurde in einem 27 km langen Tunnel unter der Erde in der Nähe von Genf gebaut, der ursprünglich von LEP bewohnt wurde, und sollte zwei Protonenstrahlen zur Kollision bringen, zunächst mit einer Energie von 3,5 TeV pro Strahl (7 TeV insgesamt), also fast dem 3,6-fachen des Tevatrons, und in Zukunft auf 2 × 7 TeV (14 TeV insgesamt) aufrüstbar sein. Die Theorie besagt, dass die Existenz des Higgs-Bosons durch Kollisionen bei diesen Energieniveaus nachgewiesen werden kann. Als eines der kompliziertesten wissenschaftlichen Instrumente, die je gebaut wurden, verzögerte sich die Betriebsbereitschaft des LHC um 14 Monate, da neun Tage nach den ersten Tests eine Magnetabschaltung auftrat, die durch eine fehlerhafte elektrische Verbindung verursacht wurde, die über 50 supraleitende Magnete beschädigte und das Vakuumsystem kontaminierte. ⓘ

Die Datenerfassung am LHC wurde schließlich im März 2010 aufgenommen. Bis Dezember 2011 hatten die beiden wichtigsten Teilchendetektoren am LHC, ATLAS und CMS, den Massenbereich, in dem das Higgs existieren könnte, auf etwa 116-130 GeV (ATLAS) und 115-127 GeV (CMS) eingegrenzt. Außerdem hatte es bereits eine Reihe vielversprechender Überschreitungen gegeben, die sich als zufällige Fluktuationen entpuppten. Etwa ab Mai 2011 wurde jedoch bei beiden Experimenten langsam ein kleiner, aber beständiger Überschuss an Gamma- und 4-Leptonenzerfallssignaturen sowie mehrere andere Teilchenzerfälle beobachtet, die alle auf ein neues Teilchen mit einer Masse von etwa 125 GeV hindeuten. Etwa im November 2011 wurden die anomalen Daten bei 125 GeV "zu groß, um sie zu ignorieren" (obwohl sie immer noch weit davon entfernt waren, schlüssig zu sein), und die Teamleiter sowohl bei ATLAS als auch bei CMS vermuteten insgeheim, dass sie das Higgs gefunden haben könnten. Am 28. November 2011 wurden bei einem internen Treffen der beiden Teamleiter und des Generaldirektors des CERN die neuesten Analysen erstmals außerhalb ihrer Teams diskutiert, was darauf hindeutete, dass sowohl ATLAS als auch CMS sich auf ein mögliches gemeinsames Ergebnis bei 125 GeV zubewegen könnten, und es wurden erste Vorbereitungen für den Fall eines erfolgreichen Fundes getroffen. Während diese Information zu diesem Zeitpunkt nicht öffentlich bekannt war, waren die Einengung des möglichen Higgs-Bereichs auf etwa 115-130 GeV und die wiederholte Beobachtung kleiner, aber konsistenter Ereignisüberschüsse über mehrere Kanäle sowohl bei ATLAS als auch bei CMS im Bereich von 124-126 GeV (beschrieben als "verlockende Hinweise" von etwa 2-3 Sigma) öffentlich bekannt und stießen auf "großes Interesse". Daher wurde Ende 2011 allgemein erwartet, dass der LHC genügend Daten liefern würde, um die Entdeckung eines Higgs-Bosons bis Ende 2012 entweder auszuschließen oder zu bestätigen, wenn die Kollisionsdaten aus dem Jahr 2012 (mit einer etwas höheren Kollisionsenergie von 8 TeV) untersucht worden wären. ⓘ

Entdeckung des Kandidatenbosons am CERN

Feynman-Diagramme, die die saubersten Kanäle zeigen, die mit dem von ATLAS und CMS am LHC beobachteten Higgs-Boson-Kandidaten niedriger Masse (~125 GeV) verbunden sind. Der vorherrschende Produktionsmechanismus bei dieser Masse beinhaltet zwei Gluonen von jedem Proton, die zu einem Top-Quark-Loop verschmelzen, der stark an das Higgs-Feld koppelt, um ein Higgs-Boson zu erzeugen. Links: Diphoton-Kanal: Das Boson zerfällt anschließend durch virtuelle Wechselwirkung mit einer W-Bosonen-Schleife oder einer Top-Quark-Schleife in zwei Gammastrahlen-Photonen. Rechts: Der "goldene Kanal" mit vier Leptonen: Das Boson sendet zwei Z-Bosonen aus, die jeweils in zwei Leptonen (Elektronen, Myonen) zerfallen. Die experimentelle Analyse dieser Kanäle erreichte in beiden Experimenten eine Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen (sigma).

Am 22. Juni 2012 kündigte das CERN ein bevorstehendes Seminar an, das sich mit vorläufigen Ergebnissen für 2012 befassen sollte, und kurz darauf (laut einer Analyse der sich verbreitenden Gerüchte in den sozialen Medien etwa ab dem 1. Juli 2012) begannen sich in den Medien Gerüchte zu verbreiten, dass dies eine größere Ankündigung beinhalten würde, wobei jedoch unklar war, ob es sich um ein stärkeres Signal oder eine offizielle Entdeckung handeln würde. Die Spekulationen steigerten sich zu einer "fieberhaften" Tonlage, als Berichte auftauchten, dass Peter Higgs, der das Teilchen vorgeschlagen hatte, an dem Seminar teilnehmen würde, und dass "fünf führende Physiker" eingeladen worden waren - von denen allgemein angenommen wird, dass sie die fünf lebenden Autoren von 1964 meinen -, wobei Higgs, Englert, Guralnik und Hagen teilnahmen und Kibble seine Einladung bestätigte (Brout war 2011 gestorben). ⓘ

Am 4. Juli 2012 gaben die beiden CERN-Experimente bekannt, dass sie unabhängig voneinander die gleiche Entdeckung gemacht haben: CMS ein bisher unbekanntes Boson mit der Masse 125,3 ± 0,6 GeV/c² und ATLAS ein Boson mit der Masse 126,0 ± 0,6 GeV/c². Bei der kombinierten Analyse von zwei Wechselwirkungstypen (den so genannten "Kanälen") erreichten beide Experimente unabhängig voneinander eine lokale Signifikanz von 5 Sigma - was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, allein durch Zufall ein mindestens ebenso starkes Ergebnis zu erhalten, weniger als eins zu drei Millionen beträgt. Wenn zusätzliche Kanäle berücksichtigt wurden, sank die CMS-Signifikanz auf 4,9 Sigma. ⓘ

Die beiden Teams arbeiteten seit Ende 2011 oder Anfang 2012 "blind" zusammen, d. h. sie besprachen ihre Ergebnisse nicht miteinander, was zusätzliche Sicherheit dafür bietet, dass jedes gemeinsame Ergebnis eine echte Bestätigung eines Teilchens ist. Dieses Maß an Beweisen, die unabhängig voneinander von zwei verschiedenen Teams und Experimenten bestätigt wurden, entspricht dem formalen Beweisniveau, das für die Bekanntgabe einer bestätigten Entdeckung erforderlich ist. ⓘ

Am 31. Juli 2012 präsentierte die ATLAS-Kollaboration eine zusätzliche Datenanalyse zur "Beobachtung eines neuen Teilchens", einschließlich Daten aus einem dritten Kanal, die die Signifikanz auf 5,9 Sigma (eine Chance von 1 zu 588 Millionen, allein durch zufällige Hintergrundeffekte einen mindestens ebenso starken Nachweis zu erhalten) und eine Masse von 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/c² verbesserte, und CMS verbesserte die Signifikanz auf 5 Sigma und eine Masse von 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/c². ⓘ

Das neue Teilchen als mögliches Higgs-Boson getestet

Nach der Entdeckung im Jahr 2012 war immer noch unklar, ob es sich bei dem 125 GeV/c²-Teilchen um ein Higgs-Boson handelt. Einerseits stimmten die Beobachtungen damit überein, dass es sich bei dem beobachteten Teilchen um das Higgs-Boson des Standardmodells handelt, und das Teilchen zerfiel zumindest in einige der vorhergesagten Kanäle. Darüber hinaus stimmten die Produktionsraten und Verzweigungsverhältnisse für die beobachteten Kanäle im Rahmen der experimentellen Unsicherheiten weitgehend mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Allerdings ließen die experimentellen Unsicherheiten derzeit noch Raum für alternative Erklärungen, so dass eine Ankündigung der Entdeckung eines Higgs-Bosons verfrüht gewesen wäre. Um mehr Zeit für die Datenerfassung zu haben, wurde die für 2012 geplante Abschaltung des LHC und die Aufrüstung 2013/14 um sieben Wochen auf 2013 verschoben. ⓘ

Im November 2012 erklärten Forscher auf einer Konferenz in Kyoto, dass die seit Juli gesammelten Daten eher mit dem grundlegenden Standardmodell übereinstimmen als mit dessen Alternativen, wobei eine Reihe von Ergebnissen für mehrere Wechselwirkungen mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmen. Der Physiker Matt Strassler hob hervor, dass es sich bei dem neuen Teilchen nicht um ein pseudoskalares Teilchen mit negativer Parität handelt (was mit dem für ein Higgs-Boson erforderlichen Ergebnis übereinstimmt), dass frühere Hinweise auf Ergebnisse, die nicht mit dem Standardmodell übereinstimmen, "verdunstet" sind oder keine größere Bedeutung haben, dass Wechselwirkungen mit W- und Z-Bosonen nach dem Standardmodell erwartet werden, dass es keine "bedeutenden neuen Implikationen" für oder gegen die Supersymmetrie gibt und dass es im Allgemeinen bisher keine bedeutenden Abweichungen von den Ergebnissen gibt, die für ein Higgs-Boson nach dem Standardmodell erwartet werden. Einige Arten von Erweiterungen des Standardmodells würden jedoch sehr ähnliche Ergebnisse zeigen; daher merkten Kommentatoren an, dass es, basierend auf anderen Teilchen, die noch lange nach ihrer Entdeckung verstanden werden, Jahre dauern könnte, um sicher zu sein, und Jahrzehnte, um das gefundene Teilchen vollständig zu verstehen. ⓘ

Diese Ergebnisse bedeuteten, dass die Wissenschaftler im Januar 2013 sehr sicher waren, ein unbekanntes Teilchen mit einer Masse von ~125 GeV/c² gefunden zu haben, und dass sie nicht durch experimentelle Fehler oder ein Zufallsergebnis getäuscht worden waren. Nach ersten Beobachtungen waren sie auch sicher, dass es sich bei dem neuen Teilchen um eine Art Boson handelt. Das Verhalten und die Eigenschaften des Teilchens, die seit Juli 2012 untersucht wurden, schienen den Erwartungen an ein Higgs-Boson ebenfalls recht nahe zu kommen. Dennoch könnte es sich immer noch um ein Higgs-Boson oder ein anderes unbekanntes Boson handeln, da künftige Tests Verhaltensweisen zeigen könnten, die nicht zu einem Higgs-Boson passen. Im Dezember 2012 erklärte das CERN daher nur, dass das neue Teilchen mit dem Higgs-Boson "konsistent" sei, und die Wissenschaftler konnten noch nicht mit Sicherheit sagen, dass es sich um das Higgs-Boson handelt. Trotzdem wurde Ende 2012 in zahlreichen Medienberichten (fälschlicherweise) verkündet, dass ein Higgs-Boson im Laufe des Jahres bestätigt worden sei. ⓘ

Im Januar 2013 erklärte der Generaldirektor des CERN, Rolf-Dieter Heuer, dass auf der Grundlage der bisherigen Datenanalyse eine Antwort "gegen" Mitte 2013 möglich sein könnte, und der stellvertretende Lehrstuhlinhaber für Physik am Brookhaven National Laboratory erklärte im Februar 2013, dass eine "endgültige" Antwort "noch einige Jahre" nach dem Neustart des Colliders im Jahr 2015 erfordern könnte. Anfang März 2013 erklärte der CERN-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci, dass die Bestätigung von Spin-0 die wichtigste verbleibende Voraussetzung sei, um festzustellen, ob es sich bei dem Teilchen zumindest um eine Art Higgs-Boson handelt. ⓘ

Bestätigung der Existenz und aktueller Stand

Am 14. März 2013 bestätigte das CERN Folgendes:

CMS und ATLAS haben eine Reihe von Optionen für die Spin-Parität dieses Teilchens verglichen, und diese bevorzugen alle keinen Spin und eine gerade Parität [zwei fundamentale Kriterien für ein Higgs-Boson, die mit dem Standardmodell übereinstimmen]. In Verbindung mit den gemessenen Wechselwirkungen des neuen Teilchens mit anderen Teilchen deutet dies stark darauf hin, dass es sich um ein Higgs-Boson handelt.

Damit ist das Teilchen auch das erste elementare Skalarteilchen, das in der Natur entdeckt wurde. ⓘ

Im Folgenden sind Beispiele für Tests aufgeführt, mit denen bestätigt werden kann, dass es sich bei dem entdeckten Teilchen um das Higgs-Boson handelt:

Anforderung	Wie getestet / Erklärung	Aktueller Stand (Stand: Juli 2017) ⓘ
Null-Spin	Untersuchung der Zerfallsmuster. Spin-1 war zum Zeitpunkt der ursprünglichen Entdeckung durch den beobachteten Zerfall in zwei Photonen (γ γ) ausgeschlossen worden, so dass Spin-0 und Spin-2 als verbleibende Kandidaten übrig blieben.	Spin-0 bestätigt. Die Spin-2-Hypothese wird mit einem Vertrauensniveau von über 99,9 % ausgeschlossen.
Gerade (positive) Parität	Untersuchung der Winkel, unter denen die Zerfallsprodukte auseinanderfliegen. Negative Parität wurde ebenfalls ausgeschlossen, wenn Spin-0 bestätigt wurde.	Gerade Parität vorläufig bestätigt. Die Hypothese der negativen Spin-0-Parität wird mit einem Vertrauensniveau von über 99,9 % ausgeschlossen.
Die Zerfallskanäle (Ergebnisse des Teilchenzerfalls) sind wie vorhergesagt	Das Standardmodell sagt die Zerfallsmuster eines 125 GeV Higgs-Bosons voraus. Werden diese alle beobachtet, und zwar mit den richtigen Raten? Besonders wichtig ist, dass wir unter den möglichen Ergebnissen Zerfälle in Paare von Photonen (γ γ), W- und Z-Bosonen (WW und ZZ), Bottom-Quarks (bb) und Tau-Leptonen (τ τ) beobachten.	bb, γ γ, τ τ, WW und ZZ beobachtet. Alle beobachteten Signalstärken sind mit der Vorhersage des Standardmodells vereinbar.
Kopplung an Masse (d. h. Stärke der Wechselwirkung mit Standardmodell-Teilchen proportional zu ihrer Masse)	Der Teilchenphysiker Adam Falkowski erklärt, dass die wesentlichen Eigenschaften eines Higgs-Bosons darin bestehen, dass es ein Spin-0-Teilchen (Skalarteilchen) ist, das auch an Masse (W- und Z-Bosonen) koppelt; der Nachweis von Spin-0 allein ist nicht ausreichend.	Kopplungen an Masse stark nachgewiesen ("Bei 95%igem Vertrauensniveau liegt cV innerhalb von 15% des Standardmodellwertes cV=1").
Ergebnisse bei höherer Energie bleiben konsistent	Nach dem Neustart des LHC im Jahr 2015 bei der höheren Energie von 13 TeV wurde die Suche nach mehreren Higgs-Teilchen (wie in einigen Theorien vorhergesagt) und Tests, die auf andere Versionen der Teilchentheorie abzielen, fortgesetzt. Diese Ergebnisse bei höherer Energie müssen weiterhin Ergebnisse liefern, die mit den Higgs-Theorien übereinstimmen.	Analysen von Kollisionen bis Juli 2017 zeigen keine Abweichungen vom Standardmodell, wobei die experimentellen Genauigkeiten besser sind als die Ergebnisse bei niedrigeren Energien.

Befunde seit 2013

Im Juli 2017 bestätigte das CERN, dass alle Messungen weiterhin mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmen, und nannte das entdeckte Teilchen einfach "das Higgs-Boson". Ab 2019 liefert der Large Hadron Collider weiterhin Ergebnisse, die das 2013 gewonnene Verständnis des Higgs-Feldes und -Teilchens bestätigen. ⓘ

Die experimentellen Arbeiten des LHC seit der Wiederaufnahme des Betriebs im Jahr 2015 haben das Higgs-Feld und das Higgs-Boson genauer untersucht und bestätigt, dass weniger verbreitete Vorhersagen richtig waren. Insbesondere haben die Untersuchungen seit 2015 starke Beweise für den vorhergesagten direkten Zerfall in Fermionen wie Paare von Bottom-Quarks (3,6 σ) erbracht - was als "wichtiger Meilenstein" für das Verständnis seiner kurzen Lebensdauer und anderer seltener Zerfälle beschrieben wurde - und auch den Zerfall in Paare von Tau-Leptonen (5,9 σ) bestätigt. Dies wurde vom CERN als "von größter Bedeutung für die Feststellung der Kopplung des Higgs-Bosons an Leptonen beschrieben und stellt einen wichtigen Schritt zur Messung seiner Kopplungen an Fermionen der dritten Generation dar, den sehr schweren Kopien der Elektronen und Quarks, deren Rolle in der Natur ein tiefes Geheimnis ist". Die am 19. März 2018 veröffentlichten Ergebnisse für ATLAS und CMS bei 13 TeV ergaben eine Messung der Higgs-Masse von 124,98±0,28 GeV bzw. 125,26±0,21 GeV. ⓘ

Im Juli 2018 berichteten die ATLAS- und CMS-Experimente, dass sie den Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar Bottom-Quarks beobachtet haben, was etwa 60 % aller Higgs-Zerfälle ausmacht. ⓘ

Theoretische Fragen

Theoretischer Bedarf für das Higgs

"Symmetriebrechung illustriert": - Bei hohen Energieniveaus (links) setzt sich die Kugel in der Mitte ab, und das Ergebnis ist symmetrisch. Auf niedrigeren Energieniveaus (rechts) bleiben die allgemeinen "Regeln" symmetrisch, aber das "mexikanische Hut"-Potenzial tritt in Kraft: Die "lokale" Symmetrie wird unweigerlich gebrochen, da die Kugel schließlich zufällig in die eine oder andere Richtung rollen muss. ⓘ

Die Eichtoleranz ist eine wichtige Eigenschaft moderner Teilchentheorien wie des Standardmodells, was zum Teil auf ihren Erfolg in anderen Bereichen der Grundlagenphysik wie dem Elektromagnetismus und der starken Wechselwirkung (Quantenchromodynamik) zurückzuführen ist. Bevor Sheldon Glashow 1961 die elektroschwachen Vereinigungsmodelle erweiterte, gab es jedoch große Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Eichtheorien für die schwache Kernkraft oder eine mögliche vereinheitlichte elektroschwache Wechselwirkung. Fermionen mit einem Massenterm würden die Eichsymmetrie verletzen und können daher nicht eichinvariant sein. (Dies wird deutlich, wenn man die Dirac-Lagrange für ein Fermion in Form von links- und rechtshändigen Komponenten untersucht; man stellt fest, dass keines der Spin-Halbe-Teilchen jemals die Helizität umkehren könnte, wie es für die Masse erforderlich ist, so dass sie masselos sein müssen). Es wird beobachtet, dass W- und Z-Bosonen Masse haben, aber ein Bosonen-Massenterm enthält Terme, die eindeutig von der Wahl der Eichung abhängen, so dass auch diese Massen nicht eichinvariant sein können. Daher scheint es, dass keines der Fermionen oder Bosonen des Standardmodells mit Masse als einer eingebauten Eigenschaft "beginnen" könnte, es sei denn, man würde die Eichinvarianz aufgeben. Wenn die Eichinvarianz beibehalten werden soll, müssen diese Teilchen ihre Masse durch einen anderen Mechanismus oder eine Wechselwirkung erhalten. ⓘ

Außerdem schienen Lösungen, die auf spontaner Symmetriebrechung basierten, zu scheitern, was scheinbar eine unvermeidliche Folge des Goldstone-Theorems war. Da die Bewegung im "Kreistal" der komplexen Ebene, die für die spontane Symmetriebrechung verantwortlich ist, keine potenzielle Energie kostet, ist die daraus resultierende Quantenanregung reine kinetische Energie und daher ein masseloses Boson ("Goldstone-Boson"), was wiederum eine neue Kraft mit großer Reichweite impliziert. Aber auch hier wurden keine neuen Langstreckenkräfte oder masselose Teilchen entdeckt. Was auch immer diesen Teilchen ihre Masse gab, durfte also nicht die Eichinvarianz "brechen", die die Grundlage für andere Teile der Theorien bildete, in denen sie gut funktionierte, und es durfte keine unerwarteten masselosen Teilchen oder Langstreckenkräfte erfordern oder vorhersagen, die in der Natur nicht zu existieren scheinen. ⓘ

Eine Lösung für all diese sich überschneidenden Probleme ergab sich aus der Entdeckung eines zuvor unbemerkten Grenzfalls, der in der Mathematik des Goldstone-Theorems verborgen war, dass es unter bestimmten Bedingungen theoretisch möglich sein könnte, eine Symmetrie zu brechen, ohne die Eichinvarianz zu stören und ohne neue masselose Teilchen oder Kräfte und mit mathematisch "vernünftigen" (renormierbaren) Ergebnissen. Dies wurde als Higgs-Mechanismus bekannt. ⓘ

Zusammenfassung der Wechselwirkungen zwischen bestimmten Teilchen, die durch das Standardmodell beschrieben werden ⓘ

Das Standardmodell geht von einem Feld aus, das für diesen Effekt verantwortlich ist, dem Higgs-Feld (Symbol: $\phi$), das die ungewöhnliche Eigenschaft hat, in seinem Grundzustand eine Amplitude ungleich Null zu haben, d. h. einen Vakuumerwartungswert ungleich Null. Es kann diese Wirkung aufgrund seines ungewöhnlichen "mexikanischen Hutes" haben, dessen niedrigster "Punkt" nicht in seinem "Zentrum" liegt. Einfach ausgedrückt: Im Gegensatz zu allen anderen bekannten Feldern benötigt das Higgs-Feld weniger Energie, um einen Wert ungleich Null zu haben, als ein Wert gleich Null, so dass es überall einen Wert ungleich Null hat. Unterhalb eines bestimmten, extrem hohen Energieniveaus bricht die Existenz dieser Vakuumerwartung ungleich Null spontan die elektroschwache Eichsymmetrie, was wiederum den Higgs-Mechanismus hervorruft und den Erwerb von Masse durch die Teilchen auslöst, die mit dem Feld wechselwirken. Dieser Effekt tritt auf, weil die skalaren Feldkomponenten des Higgs-Feldes von den massiven Bosonen als Freiheitsgrade "absorbiert" werden und über die Yukawa-Kopplung an die Fermionen koppeln, wodurch die erwarteten Massenterme entstehen. Wenn die Symmetrie unter diesen Bedingungen bricht, wechselwirken die entstehenden Goldstone-Bosonen mit dem Higgs-Feld (und mit anderen Teilchen, die mit dem Higgs-Feld wechselwirken können), anstatt neue masselose Teilchen zu werden. Die unlösbaren Probleme der beiden zugrundeliegenden Theorien "neutralisieren" sich gegenseitig, und das verbleibende Ergebnis ist, dass Elementarteilchen eine konsistente Masse erhalten, je nachdem, wie stark sie mit dem Higgs-Feld wechselwirken. Dies ist der einfachste bekannte Prozess, der den Eichbosonen eine Masse verleihen kann und gleichzeitig mit den Eichtheorien vereinbar ist. Sein Quantum wäre ein skalares Boson, bekannt als das Higgs-Boson. ⓘ

Einfache Erklärung der Theorie, ausgehend von ihren Ursprüngen in der Supraleitung

Der vorgeschlagene Higgs-Mechanismus geht auf Theorien zurück, die zur Erklärung von Beobachtungen in der Supraleitung vorgeschlagen wurden. Ein Supraleiter lässt sich nicht von äußeren Magnetfeldern durchdringen (Meissner-Effekt). Diese merkwürdige Beobachtung impliziert, dass das elektromagnetische Feld bei diesem Phänomen irgendwie kurzreichweitig wird. In den 1950er Jahren entstanden erfolgreiche Theorien zur Erklärung dieses Phänomens, zunächst für Fermionen (Ginzburg-Landau-Theorie, 1950), dann für Bosonen (BCS-Theorie, 1957). ⓘ

In diesen Theorien wird die Supraleitung als Folge eines geladenen Kondensatfeldes interpretiert. Der Wert des Kondensats hat zunächst keine Vorzugsrichtung, d. h. er ist skalar, aber seine Phase kann in eichbasierten Feldtheorien eine Lehre definieren. Zu diesem Zweck muss das Feld geladen sein. Ein geladenes Skalarfeld muss auch komplex sein (oder anders ausgedrückt, es enthält mindestens zwei Komponenten und eine Symmetrie, die jede Komponente in die andere(n) drehen kann). In der naiven Eichtheorie rotiert eine Eichtransformation eines Kondensats normalerweise die Phase. In diesem Fall wird jedoch stattdessen eine bevorzugte Wahl der Phase festgelegt. Es stellt sich jedoch heraus, dass die Festlegung der Wahl der Eichtransformation, so dass das Kondensat überall die gleiche Phase hat, auch dazu führt, dass das elektromagnetische Feld einen zusätzlichen Term erhält. Dieser zusätzliche Term bewirkt, dass das elektromagnetische Feld kurzreichweitig wird. ⓘ

Sobald die Aufmerksamkeit auf diese Theorie innerhalb der Teilchenphysik gelenkt wurde, waren die Parallelen klar. Eine Veränderung des normalerweise weitreichenden elektromagnetischen Feldes zu einem kurzreichenden Feld innerhalb einer eichinvarianten Theorie war genau der Effekt, den man für die Bosonen der schwachen Kraft brauchte (denn eine weitreichende Kraft hat masselose Eichbosonen, und eine kurzreichende Kraft impliziert massive Eichbosonen, was darauf hindeutet, dass ein Ergebnis dieser Wechselwirkung darin besteht, dass die Eichbosonen des Feldes Masse erhalten, oder ein ähnlicher und gleichwertiger Effekt). Die Eigenschaften eines Feldes, die dafür erforderlich sind, waren ebenfalls recht gut definiert - es musste ein geladenes Skalarfeld sein, mit mindestens zwei Komponenten, und komplex, um eine Symmetrie zu unterstützen, die in der Lage ist, diese ineinander zu drehen. ⓘ

Alternative Modelle

Das oben beschriebene minimale Standardmodell ist das einfachste bekannte Modell für den Higgs-Mechanismus mit nur einem Higgs-Feld. Ein erweiterter Higgs-Sektor mit zusätzlichen Higgs-Teilchen-Doubletten oder -Tripletts ist jedoch ebenfalls möglich, und viele Erweiterungen des Standardmodells haben diese Eigenschaft. Der von der Theorie favorisierte nicht-minimale Higgs-Sektor sind die Zwei-Higgs-Doubletten-Modelle (2HDM), die die Existenz eines Quintetts von Skalarteilchen vorhersagen: zwei CP-gleiche neutrale Higgs-Bosonen h⁰ und H⁰, ein CP-ungleiches neutrales Higgs-Boson A⁰ und zwei geladene Higgs-Teilchen H^±. Die Supersymmetrie ("SUSY") sagt auch Beziehungen zwischen den Massen der Higgs-Bosonen und den Massen der Eichbosonen voraus und könnte ein neutrales Higgs-Boson mit 125 GeV/c² zulassen. ⓘ

Die wichtigste Methode zur Unterscheidung zwischen diesen verschiedenen Modellen ist die Untersuchung der Wechselwirkungen der Teilchen ("Kopplung") und der genauen Zerfallsprozesse ("Verzweigungsverhältnisse"), die bei Teilchenkollisionen gemessen und experimentell getestet werden können. Im 2HDM-Modell vom Typ I koppelt ein Higgs-Dublett an Up- und Down-Quarks, während das zweite Dublett nicht an Quarks koppelt. Dieses Modell hat zwei interessante Grenzen, in denen das leichteste Higgs nur an Fermionen ("gauge-phobic") oder nur an Eichbosonen ("fermiophobic") koppelt, aber nicht an beide. Im Typ-II-2HDM-Modell koppelt ein Higgs-Dublett nur an Up-Typ-Quarks, das andere nur an Down-Typ-Quarks. Das stark erforschte Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) enthält einen Typ-II 2HDM Higgs-Sektor, so dass es durch den Nachweis eines Typ-I 2HDM Higgs widerlegt werden könnte. ⓘ

In anderen Modellen ist das Higgs-Skalar ein zusammengesetztes Teilchen. In Technicolor beispielsweise wird die Rolle des Higgs-Feldes von stark gebundenen Paaren von Fermionen, den so genannten Techniquarks, gespielt. In anderen Modellen gibt es Paare von Top-Quarks (siehe Top-Quark-Kondensat). In wieder anderen Modellen gibt es überhaupt kein Higgs-Feld und die elektroschwache Symmetrie wird durch zusätzliche Dimensionen gebrochen. ⓘ

Weitere theoretische Fragen und Hierarchieproblem

Ein Einschleifen-Feynman-Diagramm der Korrektur erster Ordnung der Higgs-Masse. Im Standardmodell sind die Auswirkungen dieser Korrekturen potenziell enorm, was zu dem so genannten Hierarchieproblem führt. ⓘ

Das Standardmodell belässt die Masse des Higgs-Bosons als einen zu messenden Parameter und nicht als einen zu berechnenden Wert. Dies wird als theoretisch unbefriedigend angesehen, zumal Quantenkorrekturen (im Zusammenhang mit Wechselwirkungen mit virtuellen Teilchen) dem Higgs-Teilchen offenbar eine wesentlich höhere Masse verleihen sollten als die beobachtete, das Standardmodell aber gleichzeitig eine Masse in der Größenordnung von 100 bis 1000 GeV verlangt, um die Einheitlichkeit zu gewährleisten (in diesem Fall, um die longitudinale Vektorbosonenstreuung zu vereinheitlichen). Um diese Punkte miteinander in Einklang zu bringen, muss erklärt werden, warum es eine fast perfekte Aufhebung gibt, die zu der sichtbaren Masse von ~ 125 GeV führt, und es ist nicht klar, wie dies geschehen kann. Da die schwache Kraft etwa 10³²-mal stärker ist als die Gravitation und (damit zusammenhängend) die Masse des Higgs-Bosons so viel geringer ist als die Planck-Masse oder die große Vereinigungsenergie, scheint es entweder einen zugrundeliegenden Zusammenhang oder einen Grund für diese Beobachtungen zu geben, der nicht bekannt ist und nicht durch das Standardmodell beschrieben wird, oder eine unerklärte und extrem präzise Feinabstimmung der Parameter - allerdings ist derzeit keine dieser Erklärungen bewiesen. Dies ist als Hierarchieproblem bekannt. Im weiteren Sinne läuft das Hierarchieproblem auf die Befürchtung hinaus, dass eine künftige Theorie der fundamentalen Teilchen und Wechselwirkungen keine übermäßigen Feinabstimmungen oder übermäßig heikle Aufhebungen aufweisen sollte und dass die Massen von Teilchen wie dem Higgs-Boson berechenbar sein sollten. Das Problem ist in gewisser Weise einzigartig für Spin-0-Teilchen (wie das Higgs-Boson), was zu Problemen im Zusammenhang mit Quantenkorrekturen führen kann, die Teilchen mit Spin nicht betreffen. Es wurde eine Reihe von Lösungen vorgeschlagen, darunter Supersymmetrie, konforme Lösungen und Lösungen über zusätzliche Dimensionen wie Braneworld-Modelle. ⓘ

Es gibt auch das Problem der Quanten-Trivialität, das besagt, dass es möglicherweise nicht möglich ist, eine konsistente Quantenfeldtheorie mit elementaren Skalarteilchen zu schaffen. Wenn die Quanten-Trivialität jedoch vermieden wird, können die Trivialitätsbeschränkungen Grenzen für die Masse des Higgs-Bosons setzen. ⓘ

Eigenschaften

Eigenschaften des Higgs-Feldes

Im Standardmodell ist das Higgs-Feld ein skalares tachyonisches Feld - skalar bedeutet, dass es sich nicht unter Lorentz-Transformationen transformiert, und tachyonisch bedeutet, dass das Feld (aber nicht das Teilchen) eine imaginäre Masse hat und in bestimmten Konfigurationen Symmetriebrechungen unterliegen muss. Es besteht aus vier Komponenten: Zwei neutralen und zwei geladenen Feldkomponenten. Die beiden geladenen Komponenten und eines der neutralen Felder sind Goldstone-Bosonen, die als longitudinale Drittpolarisationskomponenten der massiven W⁺, W- und Z-Bosonen fungieren. Das Quantum der verbleibenden neutralen Komponente entspricht dem massiven Higgs-Boson (und wird theoretisch als solches realisiert). Diese Komponente kann über Yukawa-Kopplung mit Fermionen wechselwirken und ihnen ebenfalls Masse verleihen. ⓘ

Mathematisch gesehen hat das Higgs-Feld eine imaginäre Masse und ist daher ein tachyonisches Feld. Während Tachyonen (Teilchen, die sich schneller als das Licht bewegen) ein rein hypothetisches Konzept sind, spielen Felder mit imaginärer Masse in der modernen Physik eine wichtige Rolle. In solchen Theorien breiten sich Anregungen unter keinen Umständen schneller als das Licht aus - das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer tachyonischen Masse hat keinerlei Auswirkung auf die Höchstgeschwindigkeit von Signalen (es gibt keine Verletzung der Kausalität). Anstelle von Teilchen, die schneller als das Licht sind, erzeugt die imaginäre Masse eine Instabilität: Jede Konfiguration, in der eine oder mehrere Feldanregungen tachyonisch sind, muss spontan zerfallen, und die resultierende Konfiguration enthält keine physikalischen Tachyonen. Dieser Prozess wird als Tachyonenkondensation bezeichnet und gilt heute als Erklärung dafür, wie der Higgs-Mechanismus in der Natur entsteht, und damit als Grund für das Brechen der elektroschwachen Symmetrie. ⓘ

Obwohl der Begriff der imaginären Masse beunruhigend erscheinen mag, wird nur das Feld und nicht die Masse selbst quantisiert. Daher sind die Feldoperatoren an räumlich getrennten Punkten immer noch kommutiert (oder antikommutiert), und Informationen und Teilchen breiten sich immer noch nicht schneller als das Licht aus. Die Tachyonenkondensation treibt ein physikalisches System, das eine lokale Grenze erreicht hat - und von dem man naiverweise erwarten könnte, dass es physikalische Tachyonen produziert - in einen alternativen stabilen Zustand, in dem keine physikalischen Tachyonen existieren. Sobald ein tachyonisches Feld wie das Higgs-Feld das Minimum des Potenzials erreicht, sind seine Quanten keine Tachyonen mehr, sondern gewöhnliche Teilchen wie das Higgs-Boson. ⓘ

Eigenschaften des Higgs-Bosons

Da das Higgs-Feld skalar ist, hat das Higgs-Boson keinen Spin. Das Higgs-Boson ist auch sein eigenes Antiteilchen, ist CP-eben und hat keine elektrische und Farbladung. ⓘ

Das Standardmodell sagt die Masse des Higgs-Bosons nicht voraus. Wenn diese Masse zwischen 115 und 180 GeV/c² liegt (was mit empirischen Beobachtungen von 125 GeV/c² übereinstimmt), dann kann das Standardmodell auf allen Energieskalen bis hin zur Planck-Skala (10¹⁹ GeV) gültig sein. Es dürfte das einzige Teilchen des Standardmodells sein, das auch bei hohen Energien massiv bleibt. Viele Theoretiker erwarten, dass auf der TeV-Skala eine neue Physik jenseits des Standardmodells entstehen wird, die auf den unbefriedigenden Eigenschaften des Standardmodells beruht. Die höchstmögliche Massenskala, die für das Higgs-Boson (oder einen anderen Mechanismus zur Brechung der elektroschwachen Symmetrie) zulässig ist, liegt bei 1,4 TeV; jenseits dieses Punktes wird das Standardmodell ohne einen solchen Mechanismus inkonsistent, da die Unitarität bei bestimmten Streuprozessen verletzt wird. ⓘ

Es ist auch möglich, wenn auch experimentell schwierig, die Masse des Higgs-Bosons indirekt zu bestimmen. Im Standardmodell hat das Higgs-Boson eine Reihe von indirekten Effekten; vor allem Higgs-Schleifen führen zu winzigen Korrekturen der Massen der W- und Z-Bosonen. Präzisionsmessungen von elektroschwachen Parametern, wie der Fermi-Konstante und den Massen der W- und Z-Bosonen, können zur Berechnung von Einschränkungen der Higgs-Masse verwendet werden. Im Juli 2011 besagen die elektroschwachen Präzisionsmessungen, dass die Masse des Higgs-Bosons mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % weniger als 161 GeV/c² beträgt. Diese indirekten Beschränkungen beruhen auf der Annahme, dass das Standardmodell korrekt ist. Es kann immer noch möglich sein, ein Higgs-Boson oberhalb dieser Massen zu entdecken, wenn es von anderen Teilchen begleitet wird, die nicht im Standardmodell enthalten sind. ⓘ

Der LHC kann die Lebensdauer des Higgs-Bosons nicht direkt messen, da es extrem kurz ist. Auf der Grundlage der vorhergesagten Zerfallsbreite von 4,07×10-3 GeV wird sie auf 1,56×10-22 s geschätzt. Sie kann jedoch indirekt gemessen werden, indem man die Massen vergleicht, die bei Quantenphänomenen gemessen wurden, die als "On-Shelf"- und extrem seltene "Off-Shelf"-Produktionswege bekannt sind, abgeleitet vom Dalitz-Zerfall über ein virtuelles Photon (H→γ*γ→ℓℓγ). Mit dieser Technik wurde die Lebensdauer des Higgs-Bosons im Jahr 2021 versuchsweise mit 1,2 - 4,6 x 10-22 s gemessen, bei einer Signifikanz von Sigma 3,2 (1 zu 1000). ⓘ

Produktion

Feynman-Diagramme für die Higgs-Produktion ⓘ

Gluonenfusion	Higgs-Strahlung
Vektor-Bosonen-Fusion	Top-Fusion

Wenn die Higgs-Teilchentheorien gültig sind, dann kann ein Higgs-Teilchen ähnlich wie andere untersuchte Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden. Dabei wird eine große Anzahl von Teilchen auf extrem hohe Energien und extrem nahe an der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um sie dann aufeinander prallen zu lassen. Im LHC werden Protonen und Blei-Ionen (die nackten Kerne von Bleiatomen) verwendet. Bei den extremen Energien dieser Kollisionen werden gelegentlich die gewünschten esoterischen Teilchen erzeugt, die nachgewiesen und untersucht werden können; jedes Fehlen oder jede Abweichung von den theoretischen Erwartungen kann auch zur Verbesserung der Theorie genutzt werden. Die relevante Teilchentheorie (in diesem Fall das Standardmodell) bestimmt die erforderlichen Kollisionsarten und Detektoren. Das Standardmodell sagt voraus, dass Higgs-Bosonen auf verschiedene Weise gebildet werden können, obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass bei einer Kollision ein Higgs-Boson entsteht, immer sehr gering sein dürfte - zum Beispiel nur ein Higgs-Boson pro 10 Milliarden Kollisionen im Large Hadron Collider. Die am häufigsten erwarteten Prozesse für die Produktion von Higgs-Bosonen sind:

Gluonenfusion

Wenn es sich bei den kollidierten Teilchen um Hadronen wie das Proton oder das Antiproton handelt - wie es im LHC und im Tevatron der Fall ist - dann ist es sehr wahrscheinlich, dass zwei der Gluonen, die das Hadron zusammenhalten, kollidieren. Der einfachste Weg, ein Higgs-Teilchen zu erzeugen, besteht darin, dass sich die beiden Gluonen zu einer Schleife virtueller Quarks verbinden. Da die Kopplung von Teilchen an das Higgs-Boson proportional zu ihrer Masse ist, ist dieser Prozess für schwere Teilchen wahrscheinlicher. In der Praxis genügt es, die Beiträge der virtuellen Top- und Bottom-Quarks (die schwersten Quarks) zu berücksichtigen. Dieser Prozess ist der dominierende Beitrag am LHC und Tevatron und etwa zehnmal wahrscheinlicher als alle anderen Prozesse.

Higgs-Strahlung

Wenn ein elementares Fermion mit einem Anti-Fermion kollidiert - z. B. ein Quark mit einem Anti-Quark oder ein Elektron mit einem Positron - können die beiden zu einem virtuellen W- oder Z-Boson verschmelzen, das bei ausreichender Energie ein Higgs-Boson emittieren kann. Dieser Prozess war der dominierende Produktionsmodus am LEP, wo ein Elektron und ein Positron kollidierten, um ein virtuelles Z-Boson zu bilden, und er war der zweitgrößte Beitrag zur Higgs-Produktion am Tevatron. Am LHC ist dieser Prozess nur der drittgrößte, da der LHC Protonen mit Protonen kollidieren lässt, wodurch eine Quark-Antiquark-Kollision weniger wahrscheinlich ist als am Tevatron. Die Higgs-Strahlung wird auch als assoziierte Produktion bezeichnet.

Schwache Bosonenfusion

Wenn zwei (Anti-)Fermionen kollidieren, besteht eine weitere Möglichkeit darin, dass die beiden ein virtuelles W- oder Z-Boson austauschen, das ein Higgs-Boson emittiert. Die kollidierenden Fermionen müssen nicht vom gleichen Typ sein. So kann zum Beispiel ein Up-Quark ein Z-Boson mit einem Anti-Down-Quark austauschen. Dieser Prozess ist der zweitwichtigste für die Produktion von Higgs-Teilchen am LHC und LEP.

Top-Fusion

Der letzte Prozess, der üblicherweise in Betracht gezogen wird, ist bei weitem der unwahrscheinlichste (um zwei Größenordnungen). Dieser Prozess beinhaltet zwei kollidierende Gluonen, die jeweils in ein schweres Quark-Antiquark-Paar zerfallen. Ein Quark und ein Antiquark aus jedem Paar können sich dann zu einem Higgs-Teilchen verbinden. ⓘ

Zerfall

Die Vorhersage des Standardmodells für die Zerfallsbreite des Higgs-Teilchens hängt vom Wert seiner Masse ab. ⓘ

Die Quantenmechanik sagt voraus, dass ein Teilchen, das in eine Reihe leichterer Teilchen zerfallen kann, dies auch tun wird. Dies gilt auch für das Higgs-Boson. Die Wahrscheinlichkeit, mit der dies geschieht, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter der Unterschied in der Masse, die Stärke der Wechselwirkungen usw. Die meisten dieser Faktoren sind durch das Standardmodell festgelegt, mit Ausnahme der Masse des Higgs-Bosons selbst. Für ein Higgs-Boson mit einer Masse von 125 GeV/c² sagt das SM eine mittlere Lebenszeit von etwa 1,6×10-22 s voraus. ⓘ

Die Vorhersage des Standardmodells für die Verzweigungsverhältnisse der verschiedenen Zerfallsmodi des Higgs-Teilchens hängt vom Wert seiner Masse ab. ⓘ

Da das Higgs-Boson mit allen massereichen Elementarteilchen des SM wechselwirkt, gibt es viele verschiedene Prozesse, durch die es zerfallen kann. Jeder dieser möglichen Prozesse hat seine eigene Wahrscheinlichkeit, die als Verzweigungsverhältnis ausgedrückt wird, d. h. als der Anteil an der Gesamtzahl der Zerfälle, der diesem Prozess folgt. Das SM sagt diese Verzweigungsverhältnisse in Abhängigkeit von der Higgs-Masse voraus (siehe Grafik). ⓘ

Eine Möglichkeit, wie das Higgs zerfallen kann, ist die Aufspaltung in ein Fermion-Antifermion-Paar. Im Allgemeinen ist es wahrscheinlicher, dass das Higgs in schwere Fermionen zerfällt als in leichte Fermionen, da die Masse eines Fermions proportional zur Stärke seiner Wechselwirkung mit dem Higgs ist. Nach dieser Logik müsste der häufigste Zerfall in ein top-antitop-Quarkpaar erfolgen. Ein solcher Zerfall wäre jedoch nur möglich, wenn das Higgs schwerer als ~346 GeV/c² wäre, also doppelt so schwer wie das Top-Quark. Für eine Higgs-Masse von 125 GeV/c² sagt das SM voraus, dass der häufigste Zerfall in ein Bottom-Antibottom-Quark-Paar erfolgt, was in 57,7 % der Fälle der Fall ist. Der zweithäufigste Fermionenzerfall bei dieser Masse ist ein Tau-Antitau-Paar, das nur etwa 6,3 % der Zeit auftritt. ⓘ

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass sich das Higgs in ein Paar massereicher Bosonen aufspaltet. Die wahrscheinlichste Möglichkeit ist, dass das Higgs in ein Paar W-Bosonen zerfällt (die hellblaue Linie in der Grafik), was bei einem Higgs-Boson mit einer Masse von 125 GeV/c2 in etwa ²1,5 % der Fälle geschieht. Die W-Bosonen können anschließend entweder in ein Quark und ein Antiquark oder in ein geladenes Lepton und ein Neutrino zerfallen. Die Zerfälle von W-Bosonen in Quarks sind schwer vom Hintergrund zu unterscheiden, und die Zerfälle in Leptonen können nicht vollständig rekonstruiert werden (da Neutrinos in Teilchenkollisionsexperimenten nicht nachgewiesen werden können). Ein saubereres Signal liefert der Zerfall in ein Paar Z-Bosonen (was bei einem Higgs mit einer Masse von 125 GeV/c2 in etwa ²,6 % der Fälle geschieht), wenn jedes der Bosonen anschließend in ein Paar leicht nachweisbarer geladener Leptonen (Elektronen oder Myonen) zerfällt. ⓘ

Der Zerfall in masselose Eichbosonen (d.h. Gluonen oder Photonen) ist ebenfalls möglich, erfordert aber eine Zwischenschleife aus virtuellen schweren Quarks (top oder bottom) oder massereichen Eichbosonen. Der häufigste Prozess dieser Art ist der Zerfall in ein Gluonenpaar durch eine Schleife virtueller schwerer Quarks. Dieser Prozess, der die Umkehrung des oben erwähnten Gluonenfusionsprozesses darstellt, tritt bei einem Higgs-Boson mit einer Masse von 125 GeV/c² in etwa 8,6 % der Fälle auf. Sehr viel seltener ist der Zerfall in ein Photonenpaar, der durch eine Schleife von W-Bosonen oder schweren Quarks vermittelt wird, und der nur zweimal auf tausend Zerfälle erfolgt. Dieser Prozess ist jedoch für die experimentelle Suche nach dem Higgs-Boson sehr wichtig, da die Energie und der Impuls der Photonen sehr genau gemessen werden können, was eine genaue Rekonstruktion der Masse des zerfallenden Teilchens ermöglicht. ⓘ

Im Jahr 2021 wurde versuchsweise der extrem seltene Dalitz-Zerfall in zwei Leptonen (Elektronen oder Myonen) und ein Photon (ℓℓγ) durch virtuellen Photonenzerfall beobachtet. Dies kann auf drei Arten geschehen: Higgs zu virtuellem Photon zu ℓℓγ, wobei das virtuelle Photon (γ*) eine sehr kleine, aber von Null verschiedene Masse hat, Higgs zu Z-Boson zu ℓℓγ oder Higgs zu zwei Leptonen, von denen eines ein Photon im Endzustand aussendet, das zu ℓℓγ führt. ATLAS suchte nach Beweisen für den ersten dieser Prozesse (H→γ*γ→ℓℓγ) bei niedriger Di-Lepton-Masse (≤ 30 GeV), wo dieser Prozess dominieren sollte. Die Beobachtung hat eine Signifikanz von Sigma 3,2 (1 zu 1000). Dieser Zerfallsprozess ist wichtig, weil er die Messung der Masse des Higgs-Bosons im und außerhalb des Regals erleichtert (was eine indirekte Messung der Zerfallszeit ermöglicht), und der Zerfall in zwei geladene Teilchen erlaubt die Untersuchung der Ladungskonjugation und der Verletzung der Ladungsparität (CP). ⓘ

Öffentliche Diskussion

Namensgebung

Von Physikern verwendete Namen

Der Name, der am stärksten mit dem Teilchen und dem Feld assoziiert wird, ist das Higgs-Boson und das Higgs-Feld. Eine Zeit lang war das Teilchen unter einer Kombination der Namen seiner PRL-Autoren (darunter zeitweise auch Anderson) bekannt, z. B. Brout-Englert-Higgs-Teilchen, Anderson-Higgs-Teilchen oder Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble-Mechanismus, und diese Bezeichnungen werden gelegentlich immer noch verwendet. Die Frage der Anerkennung und eines möglichen gemeinsamen Nobelpreises hat sie zum Teil beflügelt, wurde bis 2013 immer noch gelegentlich über den geeignetsten Namen diskutiert. Higgs selbst zieht es vor, das Teilchen entweder mit einem Akronym aller Beteiligten oder "Skalar-Boson" oder "das sogenannte Higgs-Teilchen" zu nennen. ⓘ

Es ist viel darüber geschrieben worden, wie es dazu kam, dass der Name Higgs exklusiv verwendet wurde. Es werden hauptsächlich zwei Erklärungen angeboten. Die erste ist, dass Higgs in seiner Arbeit einen Schritt unternahm, der entweder einzigartig, klarer oder deutlicher war, indem er das Teilchen formell vorhersagte und untersuchte. Von den Autoren der PRL-Papiere hat nur das Papier von Higgs ausdrücklich die Existenz eines massiven Teilchens vorhergesagt und einige seiner Eigenschaften berechnet; Er war somit "der erste, der die Existenz eines massiven Teilchens postulierte", so Nature. Der Physiker und Autor Frank Close und der Physik-Blogger Peter Woit bemerken beide, dass die Arbeit von GHK ebenfalls fertiggestellt wurde, nachdem Higgs und Brout-Englert bei Physical Review Letters eingereicht worden waren, und dass Higgs allein die Aufmerksamkeit auf ein vorhergesagtes massives Skalarboson gelenkt habe, während sich alle anderen auf die massiven Vektorbosonen konzentriert hätten. Auf diese Weise lieferte Higgs' Beitrag den Experimentatoren auch ein entscheidendes "konkretes Ziel", das für die Überprüfung der Theorie benötigt wird. ⓘ

Higgs ist jedoch der Ansicht, dass Brout und Englert das Boson nicht ausdrücklich erwähnt haben, da seine Existenz in ihrer Arbeit offensichtlich ist, während Guralnik zufolge die GHK-Arbeit eine vollständige Analyse des gesamten Symmetriebrechungsmechanismus darstellt, dessen mathematische Strenge in den beiden anderen Arbeiten fehlt, und dass ein massives Teilchen in einigen Lösungen existieren könnte. Der Wissenschaftshistoriker David Kaiser sieht in der Higgs-Veröffentlichung auch eine "besonders scharfe" Darstellung der Herausforderung und ihrer Lösung. ⓘ

Die alternative Erklärung ist, dass der Name in den 1970er Jahren aufgrund seiner Verwendung als bequeme Abkürzung oder aufgrund eines Zitierfehlers popularisiert wurde. In vielen Berichten (auch in Higgs' eigenen) wird der Name "Higgs" dem Physiker Benjamin Lee zugeschrieben. Lee war ein bedeutender Förderer der Theorie in ihren Anfängen und verwendete ab 1972 gewöhnlich den Namen "Higgs" als "bequemes Kürzel" für ihre Bestandteile. und in mindestens einem Fall bereits seit 1966. Obwohl Lee in seinen Fußnoten klarstellt, dass "'Higgs' eine Abkürzung für Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert" ist, seine Verwendung des Begriffs (und vielleicht auch Steven Weinbergs irrtümliche Nennung von Higgs' Arbeit als erste in seiner bahnbrechenden Arbeit von 1967) führte dazu, dass um 1975-1976 auch andere begannen, den Namen "Higgs" ausschließlich als Abkürzung zu verwenden. Im Jahr 2012 befürwortete der Physiker Frank Wilczek, dem die Namensgebung für das Elementarteilchen Axion zugeschrieben wird (gegenüber dem Alternativvorschlag "Higglet" von Weinberg), den Namen "Higgs-Boson" mit den Worten: "Die Geschichte ist kompliziert, und wo auch immer man die Grenze zieht, wird es jemanden geben, der knapp darunter liegt." ⓘ

Spitzname

Das Higgs-Boson wird in populären Medien außerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft oft als "Gottesteilchen" bezeichnet. Der Spitzname stammt aus dem Titel des 1993 erschienenen Buches über das Higgs-Boson und die Teilchenphysik, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? von Physik-Nobelpreisträger und Fermilab-Direktor Leon Lederman. Lederman schrieb es im Zusammenhang mit der fehlenden Unterstützung der US-Regierung für den Superconducting Super Collider, einem teilweise gebauten Titanic Konkurrenten zum Large Hadron Collider mit geplanten Kollisionsenergien von 2 × 20 TeV, für den sich Lederman seit seiner Gründung 1983 eingesetzt hatte ⓘ

und 1993 stillgelegt wurde. Mit dem Buch sollte unter anderem das Bewusstsein für die Bedeutung und Notwendigkeit eines solchen Projekts angesichts des möglichen Verlusts der Finanzierung gefördert werden. Lederman, ein führender Forscher auf diesem Gebiet, schreibt, dass er sein Buch The Goddamn Particle (Das gottverdammte Teilchen) nennen wollte: Wenn das Universum die Antwort ist, was ist dann die Frage? Ledermans Lektor entschied, dass der Titel zu kontrovers sei, und überzeugte ihn, den Titel in The God Particle zu ändern: Wenn das Universum die Antwort ist, wie lautet dann die Frage? ⓘ

Die Verwendung dieses Begriffs in den Medien mag zwar zu einem breiteren Bewusstsein und Interesse beigetragen haben, halten viele Wissenschaftler den Namen für unangemessen da er eine sensationelle Übertreibung darstellt und die Leser in die Irre führt; Das Teilchen hat auch nichts mit einem Gott zu tun, lässt zahlreiche Fragen in der Grundlagenphysik offen und erklärt nicht den letztendlichen Ursprung des Universums. Higgs, ein Atheist, war Berichten zufolge verärgert und erklärte 2008 in einem Interview, dass er den Spitznamen "peinlich" finde, weil es "die Art von Missbrauch ist, die, wie ich glaube, einige Leute beleidigen könnte". Der Spitzname wurde auch in den Mainstream-Medien persifliert. Der Wissenschaftsautor Ian Sample stellte in seinem 2010 erschienenen Buch über die Suche fest, dass der Spitzname von Physikern "allgemein gehasst" wird und vielleicht der "am meisten verspottete" in der Geschichte der Physik ist, dass aber (laut Lederman) der Verlag alle Titel, in denen "Higgs" erwähnt wird, als einfallslos und zu unbekannt ablehnt. ⓘ

Lederman beginnt mit einem Rückblick auf die lange menschliche Suche nach Wissen und erklärt, dass sein augenzwinkernder Titel eine Analogie zwischen den Auswirkungen des Higgs-Feldes auf die fundamentalen Symmetrien beim Urknall und dem scheinbaren Chaos von Strukturen, Teilchen, Kräften und Wechselwirkungen, das daraus resultierte und unser heutiges Universum geformt hat, mit der biblischen Geschichte von Babel zieht, in der die ursprüngliche, einheitliche Sprache der frühen Genesis in viele unterschiedliche Sprachen und Kulturen aufgesplittert wurde. ⓘ

Heute ... haben wir das Standardmodell, das die gesamte Realität auf ein gutes Dutzend Teilchen und vier Kräfte reduziert ... Es ist eine hart erkämpfte Einfachheit [...und...] bemerkenswert genau. Aber es ist auch unvollständig und in der Tat in sich widersprüchlich ... 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 & Teresi Das Gottesteilchen: Wenn das Universum die Antwort ist, was ist dann die Frage? ⓘ

Lederman stellt die Frage, ob das Higgs-Boson nur hinzugefügt wurde, um diejenigen zu verwirren, die nach Wissen über das Universum suchen, und ob Physiker von ihm verwirrt werden, wie in dieser Geschichte erzählt wird, oder ob sie letztendlich die Herausforderung meistern und verstehen werden, "wie schön das Universum ist, das [Gott] geschaffen hat". ⓘ

Andere Vorschläge

Ein Umbenennungswettbewerb der britischen Zeitung The Guardian im Jahr 2009 führte dazu, dass ihr Wissenschaftskorrespondent den Namen "Champagnerflaschen-Boson" als besten Vorschlag auswählte: "Der Boden einer Champagnerflasche hat die Form des Higgs-Potentials und wird oft als Illustration in Physikvorlesungen verwendet. Es ist also kein peinlich pompöser Name, er ist einprägsam und [er] hat auch einen Bezug zur Physik". Der Name Higgson wurde auch in einem Meinungsbeitrag in der Online-Publikation des Institute of Physics, physicsworld.com, vorgeschlagen. ⓘ

Pädagogische Erklärungen und Analogien

Foto von Licht, das durch ein dispersives Prisma fällt: Der Regenbogeneffekt entsteht, weil nicht alle Photonen in gleichem Maße vom dispersiven Material des Prismas beeinflusst werden. ⓘ

In der Öffentlichkeit wurde viel über Analogien und Erklärungen für das Higgs-Teilchen diskutiert und darüber, wie das Feld Masse erzeugt, einschließlich der Berichterstattung über eigene Erklärungsversuche und eines 1993 vom damaligen britischen Wissenschaftsminister Sir William Waldegrave veranstalteten Wettbewerbs für die beste populäre Erklärung ⓘ

und Artikel in Zeitungen weltweit. ⓘ

Eine pädagogische Zusammenarbeit zwischen einem LHC-Physiker und einem Gymnasiallehrer am CERN legt nahe, dass die Dispersion des Lichts - die für den Regenbogen und das dispersive Prisma verantwortlich ist - eine nützliche Analogie für die Symmetriebrechung des Higgs-Feldes und den masseverursachenden Effekt darstellt. ⓘ

Symmetriebrechung in der Optik	Im Vakuum bewegt sich das Licht aller Farben (oder Photonen aller Wellenlängen) mit der gleichen Geschwindigkeit, eine symmetrische Situation. In einigen Stoffen wie Glas, Wasser oder Luft wird diese Symmetrie gebrochen (siehe: Photonen in der Materie). Das hat zur Folge, dass Licht verschiedener Wellenlängen unterschiedliche Geschwindigkeiten hat. ⓘ
Symmetriebrechung in der Teilchenphysik	In "naiven" Eichtheorien sind die Eichbosonen und andere Elementarteilchen alle masselos - ebenfalls eine symmetrische Situation. Bei Vorhandensein des Higgs-Feldes wird diese Symmetrie gebrochen. Das hat zur Folge, dass Teilchen verschiedener Typen unterschiedliche Massen haben.

Matt Strassler verwendet elektrische Felder als Analogie:

Einige Teilchen interagieren mit dem Higgs-Feld, während andere dies nicht tun. Die Teilchen, die das Higgs-Feld spüren, verhalten sich so, als hätten sie Masse. Etwas Ähnliches passiert in einem elektrischen Feld - geladene Objekte werden herumgezogen und neutrale Objekte können unbeeinflusst hindurchsegeln. Man kann sich die Higgs-Suche also als einen Versuch vorstellen, Wellen im Higgs-Feld zu erzeugen [Higgs-Bosonen zu erzeugen], um zu beweisen, dass es wirklich da ist. ⓘ

Eine ähnliche Erklärung wurde von The Guardian angeboten:

Das Higgs-Boson ist im Wesentlichen eine Welle in einem Feld, das bei der Geburt des Universums entstanden sein soll und den Kosmos bis heute umspannt... Das Teilchen ist jedoch entscheidend: Es ist der "smoking gun", der Beweis, der erforderlich ist, um zu zeigen, dass die Theorie richtig ist. ⓘ

Der Physiker David Miller beschrieb die Wirkung des Higgs-Feldes auf die Teilchen so, als wäre ein Raum voller Parteimitarbeiter, die gleichmäßig im Raum verteilt sind: Die Menge zieht berühmte Leute an und verlangsamt sie, aber andere werden nicht verlangsamt. Er verwies auch auf bekannte Effekte in der Festkörperphysik, wo die effektive Masse eines Elektrons in einem Kristallgitter viel größer sein kann als üblich. ⓘ

Analogien, die auf Widerstandseffekten beruhen, wie z. B. "Sirup" oder "Melasse", sind ebenfalls bekannt, können aber etwas irreführend sein, da sie (fälschlicherweise) so verstanden werden können, dass das Higgs-Feld einfach der Bewegung einiger Teilchen widersteht, der anderer aber nicht - ein einfacher Widerstandseffekt könnte auch im Widerspruch zu Newtons drittem Gesetz stehen. ⓘ

Anerkennungen und Auszeichnungen

Vor Ende 2013 gab es beträchtliche Diskussionen darüber, wie die Anerkennung im Falle des Nachweises des Higgs-Bosons verteilt werden sollte, was durch die Erwartung eines Nobelpreises und die sehr breite Basis von Personen, die in Frage kommen, noch deutlicher wurde. Dazu gehören eine Reihe von Theoretikern, die die Theorie des Higgs-Mechanismus möglich gemacht haben, die Theoretiker der PRL-Papiere von 1964 (einschließlich Higgs selbst), die Theoretiker, die daraus eine funktionierende elektroschwache Theorie und das Standardmodell selbst abgeleitet haben, und auch die Experimentatoren am CERN und anderen Einrichtungen, die den Nachweis des Higgs-Feldes und des Higgs-Bosons in der Realität ermöglicht haben. Der Nobelpreis kann nur an drei Personen verliehen werden, und einige der möglichen Preisträger sind bereits für andere Arbeiten ausgezeichnet worden oder verstorben (der Preis wird nur an Personen zu Lebzeiten verliehen). Zu den bestehenden Preisen für Arbeiten im Zusammenhang mit dem Higgs-Feld, -Boson oder -Mechanismus gehören:

• Nobelpreis für Physik (1979) - Glashow, Salam und Weinberg, für Beiträge zur Theorie der vereinheitlichten schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen
• Nobelpreis für Physik (1999) - 't Hooft und Veltman, für die Aufklärung der Quantenstruktur der elektroschwachen Wechselwirkungen in der Physik
• J. J. Sakurai-Preis für Theoretische Teilchenphysik (2010) - Hagen, Englert, Guralnik, Higgs, Brout und Kibble für die Aufklärung der Eigenschaften der spontanen Symmetriebrechung in der vierdimensionalen relativistischen Eichtheorie und des Mechanismus für die konsistente Erzeugung von Vektorbosonenmassen (für die oben beschriebenen Arbeiten von 1964)
• Wolf-Preis (2004) - Englert, Brout und Higgs
• Sonderpreis für den Durchbruch in der Grundlagenphysik (2013) - Fabiola Gianotti und Peter Jenni, Sprecher der ATLAS-Kollaboration, und Michel Della Negra, Tejinder Singh Virdee, Guido Tonelli und Joseph Incandela, ehemalige und gegenwärtige Sprecher der CMS-Kollaboration, "für ihre führende Rolle bei den wissenschaftlichen Bemühungen, die zur Entdeckung des neuen Higgs-ähnlichen Teilchens durch die ATLAS- und CMS-Kollaboration am Large Hadron Collider des CERN geführt haben".
• Nobelpreis für Physik (2013) - Peter Higgs und François Englert, für die theoretische Entdeckung eines Mechanismus, der zu unserem Verständnis des Ursprungs der Masse subatomarer Teilchen beiträgt und der kürzlich durch die Entdeckung des vorhergesagten fundamentalen Teilchens durch die ATLAS- und CMS-Experimente am Large Hadron Collider des CERN bestätigt wurde

Englerts Mitforscher Robert Brout war 2011 verstorben, und der Nobelpreis wird normalerweise nicht posthum verliehen. ⓘ

Darüber hinaus wurden in der 50-Jahres-Übersicht der Physical Review Letters (2008) die PRL-Papiere zum Symmetriebruch von 1964 und Weinbergs Papier A model of Leptons von 1967 (das meistzitierte Papier in der Teilchenphysik, Stand 2012) als "Meilensteine" anerkannt. ⓘ

Nach der gemeldeten Beobachtung des Higgs-ähnlichen Teilchens im Juli 2012 berichteten mehrere indische Medien über die angebliche Vernachlässigung der Verdienste des indischen Physikers Satyendra Nath Bose, nach dessen Arbeit in den 1920er Jahren die Teilchenklasse "Bosonen" benannt ist benannt wurde (obwohl Physiker die Verbindung zwischen Bose und der Entdeckung als dürftig bezeichnet haben). ⓘ

Technische Aspekte und mathematische Formulierung

Das Potenzial für das Higgs-Feld, aufgetragen als Funktion von $\phi ^{0}$ und $\phi ^{3}$. Am Boden hat es das Profil eines mexikanischen Hutes oder einer Champagnerflasche. ⓘ

Im Standardmodell ist das Higgs-Feld ein vierkomponentiges Skalarfeld, das ein komplexes Dublett der schwachen Isospin-SU(2)-Symmetrie bildet:

$\phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\phi ^{1}+i\phi ^{2}\\\phi ^{0}+i\phi ^{3}\end{array}}\right)\ ,$ ⓘ

während das Feld unter der schwachen Hyperladungssymmetrie U(1) die Ladung +1/2 hat. ⓘ

Hinweis: In diesem Artikel wird die Skalierungskonvention verwendet, bei der die elektrische Ladung Q, der schwache Isospin T₃ und die schwache Hyperladung Y_W durch Q = T₃ + Y_W miteinander verbunden sind. Eine andere Konvention, die in den meisten anderen Wikipedia-Artikeln verwendet wird, ist Q = T₃ + 1/2Y_W. ⓘ

Der Higgs-Teil der Lagrange ist

${\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left|\left(\partial _{\mu }-igW_{\mu \,a}{\tfrac {1}{2}}\sigma ^{a}-i{\tfrac {1}{2}}g'B_{\mu }\right)\phi \right|^{2}+\mu _{\text{H}}^{2}\phi ^{\dagger }\phi -\lambda \left(\phi ^{\dagger }\phi \right)^{2}\ ,$ ⓘ

wobei $W_{\mu \,a}$ und $B_{\mu }$ die Eichbosonen der SU(2)- und U(1)-Symmetrie sind, $g$ und $g'$ ihre jeweiligen Kopplungskonstanten, $\sigma ^{a}$ die Pauli-Matrizen sind (ein vollständiger Satz von Generatoren der SU(2)-Symmetrie), und $\lambda >0$ und $\mu _{\text{H}}^{2}>0$, so dass der Grundzustand die SU(2)-Symmetrie bricht (siehe Abbildung). ⓘ

Der Grundzustand des Higgs-Feldes (der untere Teil des Potenzials) ist entartet, wobei verschiedene Grundzustände durch eine SU(2)-Eichtransformation miteinander verbunden sind. Es ist immer möglich, eine solche Eichtransformation zu wählen, dass im Grundzustand $\phi ^{1}=\phi ^{2}=\phi ^{3}=0$. Der Erwartungswert von $\phi ^{0}$ im Grundzustand (der Vakuumerwartungswert oder VEV) ist dann $\left\langle \phi ^{0}\right\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2\,}}}v$, wobei $v={\tfrac {1}{\sqrt {\lambda \,}}}\left|\mu _{\text{H}}\right|$. Der gemessene Wert dieses Parameters ist ~246 GeV/c². Er hat die Einheit der Masse und ist der einzige freie Parameter des Standardmodells, der keine dimensionslose Zahl ist. Es entstehen quadratische Terme in $W_{\mu }$ und $B_{\mu }$ entstehen, die den W- und Z-Bosonen Massen verleihen:

${\begin{aligned}m_{\text{W}}&={\tfrac {1}{2}}v\left|\,g\,\right|\ ,\\m_{\text{Z}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ ,\end{aligned}}$ ⓘ

wobei ihr Verhältnis den Weinberg-Winkel bestimmt, ${\textstyle \cos \theta _{\text{W}}={\frac {m_{\text{W}}}{\ m_{\text{Z}}\ }}={\frac {\left|\,g\,\right|}{\ {\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ }}}$bestimmen, und ein masseloses U(1)-Photon übrig lassen, $\gamma$. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist gegeben durch ⓘ

$m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu _{\text{H}}^{2}\ }}\equiv {\sqrt {2\lambda v^{2}\ }}.$ ⓘ

Die Quarks und Leptonen wechselwirken mit dem Higgs-Feld durch Yukawa-Wechselwirkungsterme:

${\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\text{Y}}=&-\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}-i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}+\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}-i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {\nu }}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}+{\textrm {h.c.}}\ ,\end{aligned}}$ ⓘ

wobei $(d,u,e,\nu )_{\text{L,R}}^{i}$ sind linkshändige und rechtshändige Quarks und Leptonen der i-ten Generation, $\lambda _{\text{u,d,e}}^{i\,j}$ sind Matrizen von Yukawa-Kopplungen, wobei h.c. die hermitische Konjugierte aller vorhergehenden Terme bezeichnet. Im symmetriebrechenden Grundzustand bleiben nur die Terme, die $\phi ^{0}$ enthalten, was zu Massentermen für die Fermionen führt. Dreht man die Quark- und Leptonenfelder in die Basis, in der die Matrizen der Yukawa-Kopplungen diagonal sind, erhält man ⓘ

${\mathcal {L}}_{\text{m}}=-m_{\text{u}}^{i}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{i}-m_{\text{d}}^{i}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{i}-m_{\text{e}}^{i}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{i}+{\textrm {h.c.}},$ ⓘ

wobei die Massen der Fermionen $m_{\text{u,d,e}}^{i}={\tfrac {1}{\sqrt {2\ }}}\lambda _{\text{u,d,e}}^{i}v$, und $\lambda _{\text{u,d,e}}^{i}$ bezeichnen die Eigenwerte der Yukawa-Matrizen. ⓘ

Higgs-Bosonen außerhalb des Standardmodells

Zusammengesetzte Teilchen

Die Idee, dass das Higgs-Boson nicht elementar, sondern ein zusammengesetztes Teilchen ist, wird z. B. in Technicolor-Theorien behandelt. Hierbei wird angenommen, dass eine neue starke Wechselwirkung existiert und dass das Higgs-Boson ein Bindungszustand dieser Wechselwirkung ist. 2013 stellten dänische und belgische Wissenschaftler fest, dass die bisherigen Messungen auch mit Technicolor kompatibel seien. ⓘ

Ein anderer Ansatz zur Erklärung der Teilchenmassen als Alternative zum Higgs-Mechanismus beruht auf der Annahme, auch die bisher als fundamental und punktförmig angenommenen Teilchen, Quarks und Leptonen, seien zusammengesetzt aus „Haplonen“ und ihre Masse sei das Äquivalent der Wechselwirkung zwischen den Haplonen. In diesem Bild ist auch das am CERN neu entdeckte Teilchen ein aus Haplonen zusammengesetztes Boson. ⓘ

Dokumentarfilme

• Der 2014 veröffentlichte Film Particle Fever – Die Jagd nach dem Higgs zeigt dokumentarisch die Erforschung des Higgs-Teilchens im Forschungszentrum CERN. ⓘ

Literatur

• Gordon Kane: Das Higgs-Teilchen. Das Geheimnis der Masse. In: Spektrum der Wissenschaft. Nr. 2, 2006, ISSN 0170-2971, S. 36–43. 
• John F. Gunion, Sally Dawson, Howard E. Haber: The Higgs Hunter’s Guide. Perseus Publ., Cambridge Mass 2000, ISBN 0-7382-0305-X. 
• Walter Greiner: Eichtheorie der schwachen Wechselwirkung. Thun, Frankfurt am Main 1995, ISBN 3-8171-1427-3, S. 133 ff. 
• Karl Jakobs, Chris Seez: The Higgs Boson discovery. In: Scholarpedia. Band 10, Nr. 9, 2015, S. 32413, doi:10.4249/scholarpedia.32413.  ⓘ

Weblinks

Commons: Higgs-Boson – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Higgs-Boson – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Das Mysterium der Masse – Die Suche nach dem Higgs-Teilchen. (scinexx, Springer 2007)
• Werner B. Schneider: Das Higgs-Boson – Grundlagen der Teilchenphysik. (Enthält eine Übersetzung des preisgekrönten Textes von David J. Miller: A quasi-political Explanation of the Higgs Boson.)
• Was ist ein Higgs-Teilchen? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 25. Mai 2005.
• Matt Strassler: The Higgs FAQ 1.0.
  The Standard Model Higgs.
• Flip Tanedo: Who ate the Higgs?
  Helicity, Chirality, Mass, and the Higgs.
• Martin Bäker: Viel Lärm ums Higgs oder Wie funktioniert das Higgs-Teilchen?
  Das Higgs und das Nix – das Vakuum ist auch nicht mehr, was es mal war. ⓘ