Peter Higgs vor einem Foto des Large Hadron Collider in der „Collider“-Ausstellung des Science Museum am 12. November 2013 in London, England.(Bildnachweis: Peter Macdiarmid/Getty Images)
Am 8. April 2024 verstarb der britische theoretische Physiker Peter Ware Higgs im Alter von 94 Jahren. Vor fast 12 Jahren, am 4. Juli 2012, wurde Higgs in einem eher unscheinbaren Hörsaal in Genf, Schweiz, zu einer Ikone der modernen Wissenschaft.
Das war der Tag, an dem bekannt gegeben wurde, dass Teilchenkollisionen am Large Hadron Collider (LHC) – dem wohl ehrgeizigsten und kühnsten wissenschaftlichen Experiment aller Zeiten – die Existenz des Higgs-Bosons nachgewiesen haben.
Die Entdeckung des Higgs-Bosons, das nach Higgs selbst benannt ist, war für die Teilchenphysik von entscheidender Bedeutung. Es war der letzte Bewohner des Teilchenzoos, der benötigt wird, um das sogenannte „Standardmodell der Teilchenphysik“ zu vervollständigen, die beste Beschreibung, die wir vom Universum auf kleinster Ebene haben.
Für Higgs, der am 29. Mai 1929 als Sohn einer schottischen Mutter und eines englischen Vaters in Newcastle upon Tyne (Großbritannien) geboren wurde, war dieser Moment mit einem Ausbruch von Emotionen verbunden. Dies war nicht überraschend, da diese Bekanntgabe den Höhepunkt von fünf Jahrzehnten seiner Arbeit darstellte und eine Theorie bestätigte, die er nicht aufgeben wollte.
Die Entdeckung des Higgs-Bosons war nicht nur der Höhepunkt des Standardmodells, sondern signalisierte den Physikern die Notwendigkeit, die Physik jenseits der gewohnten Parameter zu erforschen, und stellte damit die Weichen für die Physik der kommenden Jahrzehnte.
„Peter Higgs‘ Beitrag zur modernen Physik ist absolut herausragend“, sagt Luz Ángela García Peñaloza, Kosmologin an der Universidad ECCI in Kolumbien, gegenüber kosmischeweiten.de. „Seine Arbeiten zur Quantenfeldtheorie führten zu einer Theorie, für die er später den Nobelpreis für Physik erhielt, und erklären den Mechanismus, der den fundamentalen Teilchen Masse verleiht.
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„Er war seiner Zeit weit voraus.“
50 Jahre lang wurde nach einem einzigen Teilchen gesucht
Das 20. Jahrhundert markierte die Geburtsstunde der Teilchenphysik als eigenständige Disziplin und löste enorme Fortschritte in diesem noch jungen Bereich aus. Doch als sich das Jahrhundert dem Ende zuneigte und der Teilchenzoo immer größer wurde, begannen sich die Physiker zu fragen, warum einige Teilchen Masse haben und andere nicht, insbesondere Lichtteilchen, die sogenannten „Photonen“.
1964 kamen Physiker, die die schwache Kernkraft untersuchten, eine der vier fundamentalen Kräfte der Natur, die den atomaren Zerfall von Elementen durch die Umwandlung von Protonen in Neutronen bestimmt, zu einem überraschenden Ergebnis.
Die Träger dieser Kraft, W- und Z-Bosonen, sollten masselos sein – doch die Tatsache, dass die schwache Kraft über kurze Entfernungen stark und über große Entfernungen schwach erschien, bedeutete, dass sie nicht masselos sein konnten. Wären sie es, bestünde die Gefahr, dass eine wichtige Regel der Physik, die Symmetrie, gebrochen wird, die sicherstellt, dass die Naturgesetze unabhängig von der Betrachtungsweise gleich sind. Laut CERN kann man sich das Symmetrieproblem so vorstellen, dass ein Bleistift, der auf seiner Spitze steht – ein symmetrisches System – plötzlich in eine bevorzugte Richtung kippt und damit seine Symmetrie zerstört.
Im Jahr 1964 schlugen Peter Higgs, François Englert und Robert Brout eine Lösung vor. Es könnte etwas geben, sagten sie, das die Natur „austrickst“, damit sie spontan die Symmetrie bricht. Was könnte dieses Etwas sein?
Ein typisches Higgs-Boson-Kandidaten-Ereignis am Large Hadron Collider (LHC). (Bildnachweis: Lucas Taylor/CMS)
Higgs und seine Kollegen dachten, dass das Universum bei seiner Entstehung mit dem so genannten „Higgs-Feld“ gefüllt gewesen sein könnte, das sich in einem symmetrischen, aber instabilen Zustand befand, wie dieser prekär ausbalancierte Bleistift.
In Bruchteilen einer Sekunde würde dieses Feld, das „Higgs-Feld“, eine stabile Konfiguration finden, dabei aber seine Symmetrie brechen. Dies wiederum führt zum sogenannten „Brout-Englert-Higgs-Mechanismus“, der den W- und Z-Bosonen Masse verleiht und die Diskrepanz löst.
Während diese Theorie für sich genommen schon sehr wichtig gewesen wäre, wurde später entdeckt, dass das Higgs-Feld auch vielen anderen Elementarteilchen Masse verleiht und dass die Stärke dieser Wechselwirkungen den verschiedenen Teilchen unterschiedliche Massen verleiht. Dies bedeutete, dass die Theorie, falls sie sich bestätigen sollte, große Auswirkungen auf die Wissenschaft haben würde.
Der nächste Schritt war die Bestätigung in Form der Entdeckung eines Teilchens, das als „Bote“ für das Higgs-Feld fungieren würde: Das Higgs-Boson.
Diese Suche würde den Bau des LHC rechtfertigen. Mit einer Länge von 27 Kilometern ist er der größte Teilchenbeschleuniger, der je gebaut wurde, und kostete rund 4,75 Mrd. USD.
„Higgs‘ Arbeit ist ein Hauptgrund, warum der LHC überhaupt gebaut wurde“, sagte der experimentelle Hochenergiephysiker Nima Zardoshti vom CERN gegenüber kosmischeweiten.de. „Seine Vorhersagen lieferten einige der entscheidenden theoretischen Anhaltspunkte für den Energiebereich, den der LHC benötigt, um potenziell neue Physik zu finden.“
Peter Higgs spricht am 6. Juli 2012 an der Universität von Edinburgh in Schottland über das Teilchen, mit dem er seinen Namen teilen würde (Bildnachweis: GRAHAM STUART/AFP via Getty Images)
Im Jahr 2012 zahlten sich diese Kosten und die zehnjährigen Bemühungen einer internationalen Zusammenarbeit von 23 CERN-Mitgliedsstaaten aus.
Eine Kaskade von Teilchen, die aus dem Zerfall von Higgs-Boson-Teilchen resultiert, wurde erzeugt und sowohl vom LHC-ATLAS-Detektor als auch vom Compact Muon Solenoid (CMS)-Detektor erfasst. Dies war die notwendige Bestätigung für die Higgs-Feldtheorie.
Higgs und Englert teilen sich 2013 den Nobelpreis für Physik für diesen Durchbruch.
„Mit Professor Peter Higgs hat die Physik einen sanften Riesen des Fachs verloren“, sagte Suzie Sheehy, außerordentliche Professorin für Physik an der Universität Melbourne und Gastdozentin an der Universität Oxford, in einer Pressemitteilung. „Higgs‘ Arbeit wird zu Recht als eine unglaubliche Leistung neugiergetriebener Forschung gefeiert: Sein Vorschlag aus dem Jahr 1964 über die mögliche Existenz des Higgs-Feldes und des damit verbundenen Teilchens, des Higgs-Bosons, schien damals eine obskure Idee zu sein … nur einer von vielen theoretischen Mechanismen, die vorgeschlagen wurden, um Unbekanntes in der fundamentalen Physik zu erklären.
„Es dauerte dann fast 50 Jahre – und rund 13.000 weitere Wissenschaftler und Ingenieure – um die Experimente (ATLAS und CMS) zu bauen, die 2012 die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider ermöglichten.“
Sheehy fügte hinzu, dass weniger bekannt ist, wie die von Neugier getriebene Forschung einen enormen praktischen Einfluss auf unser Leben hatte und unvorstellbare Nebeneffekte wie das World Wide Web und bessere Technologien zur Krebsbehandlung hervorgebracht hat.
„Higgs‘ Geschichte ist für uns alle eine wichtige Lektion darüber, wie Wissenschaft funktioniert: Er wäre der erste gewesen, der darauf hingewiesen hätte, dass Wissenschaft nicht in Zeiträumen von ein paar Jahren stattfindet“, sagte Sheehy. „Wir müssen eine langfristige Unterstützung für die von Neugier getriebene Forschung sicherstellen, wenn wir die Art von Durchbrüchen in unserem Verständnis des Universums erzielen wollen, für die Peter Higgs gefeiert wird. “
Ein kleiner Teil des fast 17 Meilen langen LHC-Teilchenbeschleunigers, der ohne die Arbeit von Peter Higgs ganz anders aussehen würde. (Bildnachweis: Robert Lea)
„Auch wenn wir es jetzt entdeckt haben, bleibt die präzise Messung der Eigenschaften des Higgs-Bosons eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, die Physik jenseits des Standardmodells zu erforschen“, fügte Zardoshti hinzu. „Die Arbeit des Higgs-Bosons hat das Feld für viele Jahre geprägt und wird es auch weiterhin prägen und ist möglicherweise die größte Erfolgsgeschichte der theoretischen Physik des 21. Jahrhunderts.“
Als Wissenschaftsreporterin hat das Vermächtnis von Higgs auch mein Leben persönlich berührt.
Am 4. Juli 2019 war ich eingeladen, den LHC während der Abschaltung und der Aufrüstung zu besuchen, den ALICE-Detektor aus der Nähe zu sehen und die kilometerlangen Tunnel unter Frankreich und der Schweiz zu erkunden, in denen der Collider untergebracht ist.
Vor diesem Besuch nahm ich zusammen mit mehreren anderen Journalisten an einer Orientierungsveranstaltung am CERN in Genf teil. Vielen von uns war bewusst, dass es an diesem Tag genau sieben Jahre her war, dass die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt gegeben wurde, und wir saßen genau in der Halle, in der Peter Higgs einst Tränen vergoss, als er die Bestätigung erhielt, dass seine Theorie Früchte getragen hatte. Ich konnte schnell ein sehr schlechtes Bild von diesem Saal machen. Ich habe darauf geachtet, dieses Bild aus der Perspektive der Sitze zu machen, auf denen Higgs saß, um zu sehen, was er an diesem bedeutsamen Tag gesehen hätte.
Ein eilig geknipstes Bild des Hörsaals, in dem Peter Higgs erfuhr, dass seine 50 Jahre alte Theorie bestätigt worden war. (Bildnachweis: Robert Lea)
Der Moment verursachte bei mir eine Gänsehaut. Das tut er immer noch.
Ich hatte schon oft darüber geschrieben, wie wichtig die Entdeckung des Higgs-Bosons für unser Verständnis der Physik war, und ich würde es noch viele Male tun. Doch in diesem Hörsaal fühlte ich mich mit diesem Moment verbunden, und ich weiß, dass viele, die seitdem dort gesessen haben, diese Verbindung ebenfalls gespürt haben.
Stellen Sie sich ein nicht quantifizierbares Feld vor, das sich über Zeit und Raum erstreckt, um einem einzigen, lebenswichtigen Moment, der alles verändert hat, ein metaphorisches Gewicht zu verleihen – ein Feld, das alle, die von diesem Moment erfahren, miteinander verbinden kann.
Ich glaube, diese Idee hat Peter Higgs gefallen.
