Wie entsteht Masse und Trägheit?

Politik, Festkörper und das Higgs-Teilchen   
Von David Miller, Department of Physics and Astronomy, University College, London, UK.  

1. Der Higgs-Mechanismus  
Stellen sie sich eine Cocktail-Party von Mitarbeitern einer politischen Partei vor, die gleichmäßig in einem Saal verteilt sind und sich alle mit ihrem nächsten Nachbarn unterhalten.   
Die ehemalige Premierministerin kommt herein und durchquert den Raum. Alle Mitarbeiter in ihrer Umgebung werden stark von ihr "angezogen" und scharen sich um sie herum. Während sie sich bewegt, zieht sie die Personen an, denen sie nahe kommt, wogegen diejenigen, von denen sie sich entfernt, sich wieder gleichmäßig im Raum verteilen. Aufgrund der Menschentraube (Traube: engl. Cluster) um sie herum besitzt sie eine größere Masse als normal. Deswegen hat sie während der Bewegung durch den Raum eine größere kinetische Energie bei gleicher Geschwindigkeit. Einmal in Bewegung ist sie nur schwer zu stoppen, und einmal in Ruhe ist sie nur schwer in Bewegung zu versetzen, weil die Traubenbildung um sie herum neu beginnen muss.   
Das Ganze in drei Dimensionen betrachtet und unter Berücksichtigung der Relativitätstheorie - ist der Higgs-Mechanismus.   
Um Teilchen Masse zu geben wird ein Hintergrund-Feld eingeführt, das lokal gestört wird, jedesmal wenn sich ein Teilchen hindurchbewegt. Die Störung - d.h. die Cluster-Bildung des Feldes um das Teilchen - erzeugt die Masse des Teilchens. Die Idee entstammt der Festkörperphysik. Anstelle eines Feldes, dass sich im unendlichen Raum ausbreitet, enthält ein Festkörper ein Gitter aus positiv geladenen Atomen. Bewegt sich ein Elektron durch das Gitter, werden die Atome davon angezogen und erhöhen damit die effektive Masse des Elektrons gegenüber einem freien Elekton auf das 40-fache (indem es so träge wird wie ein 40-mal schwereres). Das postulierte Higgs-Feld ist eine Art hypothetisches Gitter, welches unser Universum ausfüllt. Wir brauchen es, um zu erklären, warum die W- und Z-Teilchen, die die schwache Wechselwirkung vermitteln, so schwer sind, während das Photon aber, das die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt, masselos ist.   

2. Das Higgs-Boson  
Stellen sie sich nun vor, wie sich ein Gerücht durch den Raum der gleichmäßig verteilten Politikern ausbreitet. Diejenigen in der Nähe der Tür hören zuerst davon und bilden Trauben, um Genaueres zu erfahren. Dann drehen sie sich um und treten näher an ihre nächsten Nachbarn heran, die auch etwas darüber erfahren wollen. Eine Wellefront kleiner Menschentrauben wandert durch den Raum. Sie kann sich bis in alle Ecken ausbreiten oder es bildet sich ein Bündel, dass die Neuigkeiten entlang einer Linie aus Politikern von der Tür zu einem Würdenträger auf der anderen Seite des Raums trägt. Da die Information von einer Menschentraube transportiert wird und da es die Traubenbildung war, die der ehemaligen Premierministerin eine zusätzliche Masse verlieh, haben auch die Gerüchte verbreitenden Menschentrauben eine Masse. Das Higgs-Boson soll genau eine solche Traube im Higgs-Feld sein. Es würde uns wesentlich leichter fallen, an die Existenz des Higgs-Feldes und die Richtigkeit des Higgs-Mechanismus zu glauben, wenn wir das Higgs-Teilchen selbst beobachten könnten.   
Wieder gibt es dazu eine Analogie aus der Festkörperphysik. Ein Kristallgitter kann Wellen von Verdichtungen (wie die Menschentrauben) tragen, ohne dass es dazu ein Elektron braucht, das die Atome anzieht und bewegt. Diese Wellen können sich wie Teilchen verhalten. Man bezeichnet sie als Phononen (in Anlehnung an die Feldquanten der elektromagnetischen Wechselwirkung, die Photonen); auch sie sind Bosonen. Es könnte einen Higgs-Mechanismus und ein Higgs-Feld in unserem Universum geben, ohne dass es dazu ein Higgs-Boson gibt. Die nächste Speicherring-Generation wird diesen Punkt klären.  

Englischer Originaltext: 

Politics, Solid State and the Higgs  By David Miller Department of Physics and Astronomy, University College, London, UK. 

1. The Higgs Mechanism 
Imagine a cocktail party of political party workers who are uniformly distributed across the floor, all talking to their nearest neighbours. The ex-Prime Minister enters  and crosses the room. All of the workers in her neighbourhood are strongly attracted to her and cluster round her. As she moves she attracts the people she comes  close to, while the ones she has left return to their even spacing. Because of the knot of people always clustered around her she acquires a greater mass than normal,  that is she has more momentum for the same speed of movement across the room. Once moving she is hard to stop, and once stopped she is harder to get moving  again because the clustering process has to be restarted.  In three dimensions, and with the complications of relativity, this is the Higgs mechanism. In order to give particles mass, a background field is invented which  becomes locally distorted whenever a particle moves through it. The distortion - the clustering of the field around the particle - generates the particle's mass. The idea  comes directly from the physics of solids. Instead of a field spread throughout all space a solid contains a lattice of positively charged crystal atoms. When an  electron moves through the lattice the atoms are attracted to it, causing the electron's effective mass to be as much as 40 times bigger than the mass of a free  electron.  The postulated Higgs field in the vacuum is a sort of hypothetical lattice which fills our Universe. We need it because otherwise we cannot explain why the Z and W  particles which carry the weak interactions are so heavy while the photon which carries electromagnetic forces is massless. 
2. The Higgs Boson 
Now consider a rumour passing through our room full of uniformly spread political workers. Those near the door hear of it first and cluster together to get the details,  then they turn and move closer to their next neighbours who want to know about it too. A wave of clustering passes through the room. It may spread to all the  corners or it may form a compact bunch which carries the news along a line of workers from the door to some dignitary at the other side of the room. Since the  information is carried by clusters of people, and since it was clustering that gave extra mass to the ex-Prime Minister, then the rumour-carrying clusters also have  mass.  The Higgs boson is predicted to be just such a clustering in the Higgs field. We will find it much easier to believe that the field exists, and that the mechanism for  giving other particles is true, if we actually see the Higgs particle itself. Again, there are analogies in the physics of solids. A crystal lattice can carry waves of  clustering without needing an electron to move and attract the atoms. These waves can behave as if they are particles. They are called phonons and they too are  bosons.  There could be a Higgs mechanism, and a Higgs field throughout our Universe, without there being a Higgs boson. The next generation of colliders will sort this out. 

Kurs über Elementarteilchenphysik (in deutsch)