Higgs Mechanismus und Werte der Teilchenmassen

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    • Higgs Mechanismus und Werte der Teilchenmassen

      Aus Julias Frage im Thread "Beiträge der virtuellen Quarks zur Hadronenmasse"

      Woran liegt es, dass die Teilchen unterschiedliche Ruhemassen besitzen? Was hat verursacht, dass beispielsweise ein Myon schwerer als ein Elektron geworden ist? Beide besitzen z.B. die gleiche elektrische Ladung, den gleichen Spin und unterliegen den gleichen Wechselwirkungen.


      Hallo Julia,

      Hier hast du eine der interessantesten aber leider völlig ungelösten Fragen der Teilchenpyhsik gestellt.
      In der Tat verhalten sich z.B. Elektron und Myon in ihrer eletromagnetischen Wechselwirkung, ihrer schwachen Wechselwirkung und in ihrer starken Wechselwirkung, die beide nicht haben, identisch. Die unterschiedlichen Massen der Bausteinteilchen (Leptonen und Quarks) können im Higgs Mechnismus nicht verstanden werden. Sie werden parametrisiert, in dem man sagt, jedes der Bausteinteilchen "spürt" das Higgsfeld anders. Dies drückt man durch eine nach dem japanischen Physiker Yukawa benannte "Yukawa-Kopplungsstärke" y aus, die man nicht herleiten kann, sondern aus den gemessenen Massen zurückrechnen muss. Nicht nur diese Tatsache ist unbefriedigend, sondern auch, dass diese Stärken so unterschiedlich sind. Für das Top Quark ist y(top)=1,0 , für das Elektron y(e) = 0,000.003, für das Myon y(µ) = 0,000.6 usw.
      Was diese Kopplung der Teilchen an das Higgsfeld hervorruft, d.h. warum sie dieses Feld überhaupt spüren, ist völlig unklar. Das möchten wir in den nächsten Jahren am LHC erforschen.

      Bei den W- und Z-teilchen ist das übrigens völlig anders und viel befriedigender: Da das Higgsfeld Schwache Ladung trägt (man kann es sich als einen See voller schwacher Ladung vorstellen) und W und Z ja die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung sind, ist deren Kopplungsstärke an das higgsfeld vorhersagbar: Sie ist einfach die Stärke g_w = 0,63 der schwachen Wechselwirkung. Daraus kann man z.B. die W-Masse vorhersagen, und das stimmt mit einer Präzision von besser als einem halben Promill. Einer der ganz großen Triumphe des Standardmodells und des Higgs-Mechanismus und die bisher einzige Vorhersage einer Masse eines Elementarteilchen rein aus der Theorie!

      Viele Grüße
      Michael

      The post was edited 1 time, last by MichaelKobel ().

    • Genauer gesagt, weil das (Brout-Englert-)Higgs*feld* nur schwache Ladung trägt, aber keine elektrische oder starke Ladung.
      Daher merken Photonen (die nur elektrische Ladung spüren) und Gluonen (die nur starke Ladung spüren) nichts von diesem Feld und bleiben masselos. Und daher wechselwirkt auch das Higgsboson (=Anregung des Feldes) weder elektromagnetisch oder stark.
    • Ich habe in einem Artikel über das Hierarchieproblem gelesen, dass die Masse des Higgs-Teilchens aus theoretischen Gründen nahe der Planck-Masse angesiedelt sei. Der vom CERN bekanntgegebene Wert liegt aber einige Größenordnungen über dieser. Da das Ganze nicht weiter erklärt wurde, sondern die Stringtheorie in den Mittelpunkt rückte, würde ich gerne wissen, wieso diese Werte soweit auseinander liegen.

      The post was edited 1 time, last by Hannes Vogel ().

    • Hallo Hannes,
      Genau das ist das "Hierarchieproblem" das außer Dir noch sehr viele andere Physiker/innen sehr gerne lösen würden:
      Es gibt in der Natur sehr viele typische Energien und Massen die alle mit dem Vakuumwert des Brout-Englert-Higgs-Hintergrundfeldes v=246 GeV (genannt "elektroschwache Energieskala") zusammenhängen. Ein Beispiel dafür ist die Masse des Higgs-Teilchens selber, das sich nach der Theorie ergibt zu [tex]m_H = \sqrt{2\lambda}v[/tex], wobei [tex]\lambda=0,13[/tex] die Zähigkeit des Hintergrundfeldes beschreibt. Nur: woher kommt diese typische "Skala" v=246 GeV? Denn die Natur liefert uns aus ihren "Skalenkonstanten", dem Planck'schen Wirkungsquantum [tex]\hbar[/tex], der Lichtgeschwindigkeit c und der Newton'schen Gravitationskonstanten G eine viel größere natürliche Skala [tex]E_{Planck}=\sqrt{\frac{\hbar c^5}{G}}=1,22\times10^{19} GeV[/tex], also fast 17 Zehnerpotenzen höher. Siehe auch die Erklärung in den Uniprotokollen.

      Und gerade bei Spin-Null Teilchen wie dem Higgsteilchen würden Quantenfluktuationen die Higgs-Masse so modifizieren dass es automatisch die Planck-Masse (also Planck-Energie durch c^2) bekommen würde. Das ist aber offensichtlich nicht so, und wir wissen nicht, was das verhindert. Die Theoretiker haben sich zur Erklärung viele verschiedene Möglichkeiten ausgedacht, von denen ich nur einige erwähne:
      1. Die Higgs-Teilchen und damit das BEH-Hintergrundfeld sind keine elementaren Objekte, sondern aus irgendetwas Neuem zusammengesetzt, das die Energieskala bestimmt. So ähnlich wie Wasser aus H2O-Molekülen aufgebaut ist. Das können wir in den nächsten Jahren am LHC untersuchen, in dem wir die Higgs-Teilchen (also die Wasserwellen) ganz genau vermessen. So wie sich Wasser bei ganz hohen Temperaturen in Dampf von H2O-Molekülen auflöst, würden bei hochenergetischen Kollisionen die Bestandteile der Higgs-teilchen sichtbar.
      2. Es gibt zusätzliche "große" Raumdimensionen deren Ausdehnung in der Größenordnung von Atomen oder Atomkernen liegt. Dann wäre die Planck-Energie nämlich nur scheinbar so groß, und die echte Planck-Energie würde mit v zusammenfallen. Etwas möglicherweise (teilweise?) Verständliches darüber findet man in den Anneberg Lehrermaterialien. Wenn das tatsächlich so ist, könnte man das an winzigen sofort wieder zerstrahlenden kleinen schwarzen Löchern sehen, die am LHC (und überall in der Welt wie z.B. in unserer Erdatmosphäre) bei hochenergetischen Kollisionen entstehen würden.
      3. Es gibt zu jedem Teilchen einen supersymmetrischen Partner mit gleichen Ladungen aber um 1/2 verschiedenen Spin. In dieser Theorie der Supersymmetrie würden sich die lästigen Quantenfluktuationen (fast) völlig gegenseitig aufheben und man könnte erklären, wie ein stabiler Wert von 246 GeV weit unterhalb der Planck-Energie entstünde.
      4. Auch die (vielen verschiedenen) Stringtheorien bieten vielfältige "Erklärungen" über die Verknotung kleiner Fädchen (Strings)
      5. ...

      Darf ich noch eine Gegenfrage stellen? Wo hast Du denn den Artikel über das Hierarchieproblem gefunden? Das wird - weil es so schwierig zu erklären ist - normalerweise gar nicht in der populären Literatur erwähnt.

      Jedenfalls ist das Hierarchieproblem neben der Dunklen Materie und der Dunklen Energie eines der deutlichsten Hinweise, dass es noch spannenende Neue Physik geben muss, jenseits des uns bekannten Standardmodells.

      Viele Grüße
      Michael

      The post was edited 2 times, last by MichaelKobel ().

    • Ein, zwei Fragen sind da noch:


      I) ab 2. sind die Erklärungsansätze sehr von den Stringtheorien vereinnahmt, gibt es auch Ansätze, bei denen die Quantenschleifengravitation oder die asymptotische Sicherheit den Erklärungshintergrund bilden?


      II) Nehme ich richtig an, dass [tex]m_h{}=\sqrt{2\lambda}v[/tex], wobei [tex]\lambda=0,13[/tex] somit [tex]m_h{}[/tex] [tex]\approx[/tex] 125,4 GeV, nicht als eine Herleitung für die Higgsmasse bekannt war, während der jahrelangen Suche bis 2012 ?


      Physiker-Gruß aukom-ev.de/deutsch/elearning/03KS3D/bilder/rechtehand.gif

      Hannes

      The post was edited 4 times, last by Hannes Vogel ().

    • Hallo hannes,

      zu I) Da stimme ich nicht ganz zu. Der Punkt (3) über Supersymmetrie hat nicht unbedingt mit Strings zu tun. Das sind unterschiedliche Theorien, auch wenn es supersymmetrische Stringtheorien gibt. Der Artikel von Herrn Lüst, den ich mir inzwischen runtergeladen habe von spektrum.de/alias/quantengravi…en-zur-weltformel/1184764 hat da vieleicht zur Verwirrung geführt, weil da für nicht-Experten möglicherweise nicht klar genug wurde, dass es Supersymmetrie auch ohne Strings geben kann.

      zu II) Die Formel stammt aus der ursprünglichen Veröffentlichung von Peter Higgs von 1964. Nur war bis vor kurzem die Zähigkeit \lambda des Brout-Englert-Higgs-Feldes nicht bekannt. Jetzt konnte man sie aus der gemessenen Masse des Higgs-Teilchens ausrechnen. Ich hatte die Formel nur gebracht, um ein Beispiel zu zeigen, dass alle Teilchenmassen proportional zu v=246 GeV sind.