Abenteuer-Universum

Anlässlich der heutigen Bekanntgabe des Physik-Nobelpreises 2013 möchte ich gerne auf das Thema des Higgs-Mechanismus und des Higgs-Bosons zu sprechen kommen.

Ich würde mich freuen, wenn mir jemand hier eine kurze Erklärung geben würde, wie die Massen der Elementarteilchen zu Stande kommen. Also wie funktioniert der Higgs-Mechanismus?

Bisher weis ich nur, dass das Higgs-Boson eine elementare Anregung des Higgs-Feldes ist. Des Weiteren ist mir bekannt, dass nicht das Higgs-Teilchen, sondern die Wechselwirkung der Elementarteilchen mit dem Higgs-Feld für das Auftauchen der Masse verantwortlich ist.


Grüße
Higgs (Nobelpreisträger

Eine Erklärung für den "Preisträger" fand sich relativ schnell auf Wikipedia, ich hoffe sie ist einigermaßen zutreffend. Zu mehr bin ich nach einem anstrengenden Tag heute nicht mehr imstande:

Als dem Alltag entnommene populärwissenschaftliche Veranschaulichung des Higgs-Mechanismus als Kollektiveffekt des Higgs-Feldes findet man häufig das Auftauchen eines Stars, meist „Alice“ genannt, auf einer Party: Bevor „Alice“ den Saal betritt, stehen die Partygäste gleichmäßig verteilt im Raum. Sobald sie jedoch eintritt, laufen zahlreiche Gäste auf sie zu, wollen Autogramme oder Small-Talk. Im Ergebnis kommt „Alice“ in dieser Menge von Partygästen also sehr viel langsamer voran als sie eigentlich könnte, die Wechselwirkungen der Partygäste mit dem Star haben also im Hinblick auf das Vorankommen den gleichen Effekt wie zusätzliche Körpermasse des Stars. Die Wirkung der Partygäste auf „Alice“ ist die gleiche, wie man sie auch durch einen einzigen, den weiblichen Star selbst faszinierenden männlichen Kollegen („Bob“) erhalten würde.

Die Partygäste erzeugen in dieser Veranschaulichung das Higgs-Potential, „Alice“ stellt das Eichteilchen dar, das Masse bekommt. Das Higgs-Feld selbst, mitsamt „Symmetriebrechung“, wird repräsentiert durch die Gäste, die enger zusammenrücken, um über „Alice“ zu tuscheln, und sich als Gruppe daher kaum im Raum fortbewegen. „Bob“, der die gleiche Wirkung wie die Gesamtheit der Partygäste auf „Alice“ hat, repräsentiert das Higgs-Boson. Auf „Bob“ selbst wirkt die Versammlung der Partygäste attraktiv; dass sich darin „Alice“ befindet, wird von ihm zwar vermerkt, ist aber im Grunde sekundär („sie kommt in der Lagrange-Dichte vor“). Er selbst fühlt sich gleichsam als „überzählig“ und ist entsprechend distanziert, schwer anzuregen und noch schwerer aufzufinden.

Eine andere Darstellungsweise des Higgs-Bosons vergleicht dieses mit einem Gerücht, welches ebenfalls die Partygäste lokal zusammenzieht. Verschiedene andere populärwissenschaftliche Interpretationen werden in einem Online-Interview eines aus dem Fernsehen bekannten Physikers gegeben.

Aber auf jeden Fall Glückwunsch an den (echten) Preisträger!

Gruß
gravi

Die Erklärung ist nicht schlecht, aber es existieren einige unzutreffende Vereinfachungen.

Im Falle des Higgsfeldes geht es um die Masse freier Teilchen. Diese Masse äußert sich u.a. in seiner Trägheit (für nicht-relativistische Teilchen kann man hier die Ruhemasse statt der Gesamtenergie ansetzen). Trägheit ist sozusagen der Widerstand, den ein Teilchen einer Kraft entgegensetzen WÜRDE, mit der man es beschleunigen WÜRDE. Trotzdem "trägt" das Teilchen diese Eigenschaft auch dann, wenn keine Kraft wirkt.

Bei Alice würden die Partygäste jedoch die Bewegung von Alice behindern, also selbst eine bremsende Kraft ausüben. Das ist im Falle eines massebehafteten Teilchens nicht der Fall. Dieses kann sich kräftefrei und ohne Abbremsung durch das Higgsfeld bewegen. Das Higgsfeld bremst selbst nicht, es beschreibt nur, wie das Teilchen reagiert, wenn es gebremst werden WÜRDE.

Abgesehen davon ist das Bild nicht schlecht.

tomS hat geschrieben:Im Falle des Higgsfeldes geht es um die Masse freier Teilchen.

Soweit ich das sehe geht es genauer um die träge Masse freier Teilchen.
Könnte man auch die schwere Masse über den Higgs-Mechanismus oder einen Higgs-ähnlichen Mechanismus beschreiben - oder braucht man dazu definitiv etwas anderes, z.B. das Graviton?
(Mir ist klar, dass das über das Standardmodell hinausgehen würde.)

Weitere Frage:
Trägt das Higgs-Feld Energie? Wirkt es gravitativ?

Noch ein Gedanke:
Das massebehaftete Teilchen spürt seine eigene Trägheit (wenn es beschleunigt wird), nicht aber seine eigene Schwere - die spürt nur die Umgebung.
Insofern könnte man evtl. sagen, dass Trägheit die implizite Komponente der Masse ist, die Schwere die explizite Komponente.

Grüße
seeker

seeker hat geschrieben:

tomS hat geschrieben:Im Falle des Higgsfeldes geht es um die Masse freier Teilchen.

Soweit ich das sehe geht es genauer um die träge Masse freier Teilchen.

Nun, es hebt um die Masse der fundamentalen Teilchen, nicht um Masse generell. Schwere und träge Masse sind nach der ART aber äquivalent. Und das gilt auch hier - denn der Higgseffekt ist zunächst rein klassischer Natur.

Gravitonen oder QG haben mit Higgs nichts zu tun. Und insbs. koppelt das Graviton an alles, was Masse bzw. Energie hat, also auch an masselose Teilchen, sowie an Systeme mit anderer Masseerzeugung.

Der Higgs-Mechanismus wird doch immer dargestellt, dass ein Elementarteilchen durch das Higgs-Feld fliegt und durch die Wechselwirkung mit dem Feld Masse erhält.
Jetzt frage ich mich, hat ein Elementarteilchen auch bei 0° Kelvin eine Masse, wenn es sich gar nicht mehr bewegt und gar nicht durch das Higgs-Feld fliegt?

Guten Tag lieber Higgs

vieleicht hilft Dir ein alter Beitrag von mir im Forum weiter:

http://abenteuer-universum.de/bb/userfi ... ematik.pdf


netter Gruß

Wilfried

Bin noch nicht 100%ig überzeugt. Bei diesen hohen Energien kann man nicht mehr wirklich von Teilchen sprechen.
Im LHC werden verschiedene Eigenschaften, die ein Teilchen ausmachen voneinander entkoppelt und zeigen an Detektoren eine Wirkung(das Übertragen der Eigenschaft zwischen Ort des Zerbersten eines Teilchens und messendem Detektor kann man als Wandern eines Teilchens auffassen).
Ohne Kenntniss der gemessenen Wirkung ist die Interpretation als Teilchen für mich nicht nachvollziehbar; bei E=mc² und mehreren zirkulierenden Milliarden Elektronenvolt, hätte ich das gemessene intuitiv für einen Interferenzeffekt verschiedener Impulsübertragungen gehalten ^^
Aber Wellen- und Teilchenbetrachtung gehen ja heutzutage Hand in Hand...

Mal noch ne 'Meta'-Frage:
Wahrscheinlich hat man das Higgs-Boson ja gefunden und damit einen Nachweis für die Existenz des Higgs-Mechanismus erbracht. Man kennt nun auch die Masse dieses Teilchens.
Eine schöne Bestätigung des Standardmodells (das allerdings inzwischen auch schon ein paar Jahre auf dem Buckel hat).
So weit, so gut...

Frage: Was fängt man nun damit an? Wie geht es weiter?

Grüße
seeker

Higgs hat geschrieben:Der Higgs-Mechanismus wird doch immer dargestellt, dass ein Elementarteilchen durch das Higgs-Feld fliegt und durch die Wechselwirkung mit dem Feld Masse erhält.
Jetzt frage ich mich, hat ein Elementarteilchen auch bei 0° Kelvin eine Masse, wenn es sich gar nicht mehr bewegt und gar nicht durch das Higgs-Feld fliegt?

Das hat doch mit Bewegung nichts zu tun; das Standardmodell ist eine relativistische Theorie, d.h. es gibt sowieso kein ausgezeichnetes Ruhesystem.

Der Higgs-Mechanismus ist erst einmal reine Mathematik, da gibt es in der Lagrangedichte Kopplungsterme zwischen einer Größe, die man Vakuumerwartungswert des Higgs-Hintergrundfeldes nennt, und den Feldoperatoren der Teilchen. Das sind "Massen-Terme"; denke, es ist reine Interpretation, ob man das nun wirklich als "Wechselwirkung" bezeichnen möchte. Für mich hat Wechselwirkung mit Impuls- und Energieübertrag zu tun, sowas gibt es in diesem Falle aber nicht.

Das erwähnte Higgs-Hintergrundfeld ist nach meinem Verständnis auch nicht wirklich ein im konventionellen Sinne nachweisbares Feld sondern eher ein eigenartiges Feature unseres Vakuums.

Ich persönlich finde es schon erstaunlich, dass diese "mathematische Trickserei" von Peter Higgs wirklich so in der Natur "implementiert" ist. Ich bezweifel, dass er da zu Anfang selbst von überzeugt war: damals eine pure mathematische Spekulation, um eine konsistente Theorie zu bekommen.

Das Higgs-Feld besitzt einen nicht verschwindenden Wert im Zustand niedrigster Energie: den Vakuumerwartungswert.
Ist es jetzt so, dass die Elementarteilchen durch diesen Wert ihre Massen bekommen?

Higgs hat geschrieben:Das Higgs-Feld besitzt einen nicht verschwindenden Wert im Zustand niedrigster Energie: den Vakuumerwartungswert.
Ist es jetzt so, dass die Elementarteilchen durch diesen Wert ihre Massen bekommen?

Ja, die Massen der Eichbosonen sind proportional zu diesem Vakuumerwartungswert.

Wie kommt denn dieser Vakuumerwartungswert zu Stande?

Ich erkläre mir das so: Es hat etwas mit dem Mexican Hat Potential zu tun. Man kann sich das doch mit einer Kugel vorstellen. Am Anfang herrschte eine perfekte Symmetrie. Eine Kugel sitzt in der Mitte auf der Erhebung. Doch dann rollte die Kugel "in" diesen Vakuumerwartungswert. Die Symmetrie war gebrochen.

Higgs hat geschrieben:Wie kommt denn dieser Vakuumerwartungswert zu Stande?

Ich erkläre mir das so: Es hat etwas mit dem Mexican Hat Potential zu tun. Man kann sich das doch mit einer Kugel vorstellen. Am Anfang herrschte eine perfekte Symmetrie. Eine Kugel sitzt in der Mitte auf der Erhebung. Doch dann rollte die Kugel "in" diesen Vakuumerwartungswert. Die Symmetrie war gebrochen.

Ich glaube nicht, dass es dafür eine tiefer gehende Begründung gibt: der wird einfach gefordert und dann guckt man, ob sich die beobachteten Teilchenmassen mit so einem Wert konsistent "anfitten" lassen.

Wenn man die Gleichungen des Standardmodells nicht beherrscht, wird es schwierig den Higg-Mechanismus zu verstehen.
Inwiefern ist die Analogie mit der Cocktailparty bezüglich des Higgs-Feldes zutreffend? Oder genügt es, wenn man weiß, dass durch das Higgs-Feld Masse zustande kommt?

Ein paar kurze Statements:

Der Higgseffekt hat nichts mit einer Bewegung eines Teilchens zu tun; er findet statt auf Ebene einer klassischen Feldtheorie.

Was fängt man mit dem Standardmodell an? Man sucht nach Physik jenseits davon!

Die mathematische Trickserei von Peter Higgs ist aus der Festkörperphysik wohl vertraut und hinlänglich bekannt. Der wesentliche Unterschied ist, dass es sich dort nicht um ein elementares sondern ein effektives Feld handelt.

@Higgs: "Ist es jetzt so, dass die Elementarteilchen durch diesen Wert ihre Massen bekommen?" Ja! "Wie kommt denn dieser Vakuumerwartungswert zu Stande?" Die Theorie ist entsprechend konstruiert.

Zur Cocktailparty siehe oben: dort würde ein Stargast wirklich langsamer; das ist im Falle eines freien Teilchens natürlich nicht der Fall; der Vergleich hinkt also (wie jeder Vergleich)

Higgs hat geschrieben:Das Higgs-Feld besitzt einen nicht verschwindenden Wert im Zustand niedrigster Energie: den Vakuumerwartungswert.
Ist es jetzt so, dass die Elementarteilchen durch diesen Wert ihre Massen bekommen?

Wert in welchem Volumen? Längen sind relativ im BS abhängig. Scherzkeks = )
Ich denke was gemeint ist, ist, dass Teilchen immer Unterlichtgeschwindigkeit bzw Trägheit haben. Andererseits ist es schwachsinnig von irgendeiner Bewegungsrichtung zu sprechen, wenn man das HIGGs von seinem zugehörigen Teilchen entkoppeln würde.
Das Vakuum mit HIGGs Teilchen zu besetzen erinnert mich irgendwie ein ein BS-unabhängiges völlig delokalisiertes Äther >.>

Zum LHC Experiment: welche Teilchen bzw Wellen wurden denn zum kollidieren gebracht? Wurde das HIGGS durch reine Energie erzeugt oder von einem bereits existierenden(beschleunigten) Teilchen entkoppelt?
Dass im Detektor ein Fußabdruck gefunden wurde will ich durchaus gerne glauben; was passiert mit dem HIGGS eigentlich nach der Messung? Wohin geht es?

Halte das HIGGS-Teilchen als existierend für möglich und glaubwürdig, man sollte aber nicht vergessen, dass wir Effekte betrachten und nicht elementare Erhaltungsgrößen.
Was ich meine ist, dass ja auch Welleninterferrenzen sich mit v>c ausbreiten, auch wenn diese ein Phänomen und kein tatsächlich existierendes Etwas sind... das einzige was wir haben ist ein Fußabdruck im Detektor: Ein Loch oder ein im Spinnennetz verfangenes Insekt sind echt nicht dasselbe ^^

Am LHC kollidieren Protonen, d.h. letztlich Quarks. Das (in manchen Fällen) dabei entstehende Higgs ist instabil und zerfällt extrem schnell, vorzugsweise in schwere Quark-Paare, also z.B. top - anti-top; auch diese sind instabil. Insgs. kann man jedoch für jeden dieser Zerfallskanäle eine charakteristische Signatur der zu erwartenden Teilchen, Streuquerschnitte etc. berechnen und nach diesen Signaturen im Detektor suchen.

Am besten schaust du mal im Internet nach entsprechenden Feynmangraphen; da sollte man das eigtl. gut sehen können.

tomS hat geschrieben:Am LHC kollidieren Protonen, d.h. letztlich Quarks. Das (in manchen Fällen) dabei entstehende Higgs ist instabil und zerfällt extrem schnell, vorzugsweise in schwere Quark-Paare, also z.B. top - anti-top; auch diese sind instabil. Insgs. kann man jedoch für jeden dieser Zerfallskanäle eine charakteristische Signatur der zu erwartenden Teilchen, Streuquerschnitte etc. berechnen und nach diesen Signaturen im Detektor suchen.

Am besten schaust du mal im Internet nach entsprechenden Feynmangraphen; da sollte man das eigtl. gut sehen können.

Der Nachweis des Higgs ist ja sicher eine Herausforderung und teils auch "modellabhängig". So gibt es in supersymmetrischen Modellen weitere Zerfallskanäle des Higgs. Zu Anfang hieß es mal, die Daten seien kompatibel mit zusätzlichen supersymmetrischen Zerfallskanälen. Weiß jemand, ob das bestätigt wurde?

Higgs hat geschrieben:Der Higgs-Mechanismus wird doch immer dargestellt, dass ein Elementarteilchen durch das Higgs-Feld fliegt und durch die Wechselwirkung mit dem Feld Masse erhält.
Jetzt frage ich mich, hat ein Elementarteilchen auch bei 0° Kelvin eine Masse, wenn es sich gar nicht mehr bewegt und gar nicht durch das Higgs-Feld fliegt?

es wechselwirkt ja dennoch mit dem higgsfeld: btw: das higgsfeld ist ein skalares feld, es ist also vollkommen egal wie schnell man durchfliegt, denn ein skalar bleibt immer gleich, egal was für ne raumzeit trafo drauf loslässt.

dieser vergleich mit party-gästen wird häufig gemacht oder mit einer kugel die durch sirup fällt und dadurch scheinnbar schwerer wird. leonard susskind findet diese vergleiche nicht so so gut. es gibt einen guten vortrag von ihm: demystifying the higgs.

er hat einen ziemlich guten vergleich dort angestellt: was wäre wenn das universum von einem konstanten elektrschen feld durchzogen wäre (gut, isn vektorfeld, aber lassen wir das mal bei seite). zum beispiel im unendlich auf 2 seiten unendliche grosse kondensatorplatten.
neutrale moleküle wären in ihrer bewegung prinzipiell nicht beeinflusst. aber wir wissen, dass wassermoleküle zb ein elektrische dipole sind.
es richtet sich aus in dem e-feld entweder mit ihm oder gegen ihn (beide zustände können stabil sein, der gegenläufige aber natürlich nur meta-stabil.
das eine hat eine geringfügig kleine energie als das andere (unterschiedliche potentielle energie in dem feld) , was sich wegen E=mc^2 als masseunterschied zwischen beiden sorten von wassermolekülen bemerkbar macht. jeder der der ein experiment macht (bei dem die ausrichtung unveröändert bleibt) wird sehen, dass das eine wassermolekül bei gleicher kraft langsamer beschleunigt als das andere.

durch die wechselwirkung des dipols im konstanten e-feld würden neutrale dipoltragenede moleküle ergo unterschiedliche massen haben, der masseunterschied wäre umso grösser, je stärker der dipol wäre (was die effektive kopplungstärker and das e-feld wäre)

nun ist das higgsfeld ein skalares feld, ausrichtung ist also schnurz,
die teilchen haben bei präsenz des higgsfeldes je nach stärke ihrer kopplung (masselos hat keine kopplung, genau wie ein molekül ohne dipol immer den gleichen leichtesten wert hätte) also relativ unterschiedliche energien bezüglich des higgs-vakuums (man könnte das evtl auch als potential bezeichnen, wobei potential ein begriff der klassischen feldthorie ist und in der qft eher nicht so gerne verwendet wird) und wegen e=mc^2 ergo untershciedliche masse, und zwar beides, träge und schwere, denn alle energieformen tragen zum energie-impulstensor bei.

das higgsteilchen als anregung des higgsfeldes (wie photonen anregung des em-feldes sind) wechselwirkt nun selber mit dem higgsfeld und kriegt damit seine eigene masse.

allerdings handelt man sich mit diesem mechanismus eine form des hierarchie-problems ein: warum ist so leicht, denn wenn man die wechselwirkung genauer.-betrachtet führt das zu eine quadratischen uv-divergenz, die eigenenergiebeiträge wären also sehr groß und man würde erwarten, dass dessen masse (und damit eigentlich alle massen) in richtung gut-skala schlagen, also 10^13-15 al grösser . oder man akzeptiert ein feintuning in der renormierung bis eben 10^13 oder so stellen nach dem komma. das ist ein grund, warum die meisten physiker an die supersymmetrie glauben, weil sich bei einem higgsino die zusätzlichen höhere ordnung eigenenergiebeträge von higgs-loops und higgsino-loops genau auffressen und die teilchen leicht bleiben. allerdings darf die brechung der supersymmetrie dann auch nicht bei zu hohen energien erfolgen. man sollte also denk ich mal das lsp und weiter susy-teilchen be einigen TeV erwarten können. bis jetzt hat man noch nix gefunden. vielleicht reichts am cern gerade so nicht, vielleicht ist da auch nix, dann wirds wieder spannend

Skeltek hat geschrieben: Wert in welchem Volumen? Längen sind relativ im BS abhängig. Scherzkeks = )

wie oben erwähnt: das higgsfeld ist ein salares feld. es ist egal was für ne raumzeitrafo man macht:

Skeltek hat geschrieben: Das Vakuum mit HIGGs Teilchen zu besetzen erinnert mich irgendwie ein ein BS-unabhängiges völlig delokalisiertes Äther >.>

nicht mit teilchen, mit einem higgs-feld! higgs-teilchen sind nur die anregungen des feldes.
lies dir mal den vergleich mit dem vakuum-efeld durch oder hör dir den vortrag wie oben erwähtn von susskind zu dem thema an.

Skeltek hat geschrieben: Zum LHC Experiment: welche Teilchen bzw Wellen wurden denn zum kollidieren gebracht? Wurde das HIGGS durch reine Energie erzeugt oder von einem bereits existierenden(beschleunigten) Teilchen entkoppelt?

zerfalls-kanäle hat tom ja schon erklärt. ist ne ziemlich dreckige angelegenheit die p-p-kollisionen, besser wären natürlich TeV-cms e+-e- kollisionen, da hättest du dann reine energie, aber sone art super-lep würde wegen der enormen benötigen ausmasse jeglichen wirtschaftlichen und politischen rahmen sprengen, also macht mans mit protonen.

bei der wechselwirkung, wenn higgs beteiligt sind, steht in den nennern der gleichung immer sowas wie
du siehst also, wenn sich die 4-impulse der ruhemasse des higgsteilchens annähren steigt die ww-rate an (resonanz). nach dieser beule in den kanälen sucht man und man muss soviel zusammensammeln dass sie statistisch signifikant ist relativ zum untergrund, als wenn das higgs nicht diese ruhemasse hätte. und das hat man gefunden. und dann analysiert man noch weiter um sicherzugehen, dass man keinen bockmist geschossen hat

Hawkwind hat geschrieben:Der Nachweis des Higgs ist ja sicher eine Herausforderung und teils auch "modellabhängig". So gibt es in supersymmetrischen Modellen weitere Zerfallskanäle des Higgs. Zu Anfang hieß es mal, die Daten seien kompatibel mit zusätzlichen supersymmetrischen Zerfallskanälen. Weiß jemand, ob das bestätigt wurde?

Bei SUSY (MSSM, ...) gibt es sowohl weitere Zerfallskanäle als auch weitere Higgs-Teilchen. Laut Prof. Heuer (Interview am Dienstag) sind diese teilweise nicht ausgeschlossen. Er sagte explizit, man was, dass ein Higgs ist, aber man weiß noch nicht, ob es DAS Higgs ist - oder evtl. eines von mehreren.

deltaxp hat geschrieben:

Skeltek hat geschrieben: Wert in welchem Volumen? Längen sind relativ im BS abhängig. Scherzkeks = )

wie oben erwähnt: das higgsfeld ist ein salares feld. es ist egal was für ne raumzeitrafo man macht:

Skeltek hat geschrieben: Das Vakuum mit HIGGs Teilchen zu besetzen erinnert mich irgendwie ein ein BS-unabhängiges völlig delokalisiertes Äther >.>

nicht mit teilchen, mit einem higgs-feld! higgs-teilchen sind nur die anregungen des feldes.
lies dir mal den vergleich mit dem vakuum-efeld durch oder hör dir den vortrag wie oben erwähtn von susskind zu dem thema an.

Ich werds lesen, muss mir aber erstmal klarer werden, wo der Unterschied des Vakuumerwartungswertes zu einer intrinsischen(globalen) Eigenschaft des Raumes sein soll.
Was macht das Higgs bei vollständiger Delokalisation des Teilchens?