Elektroschwache Vereinigung - Symmetriebrechung und Higgs-Bosonen  Die Frage "Wie erhalten Teilchen eine Masse?" wird im Standard-Modell durch den sogenannten "Higgs-Mechanismus" beantwortet. In diesem Modell beschreibt Peter Higgs den Vorgang mittels der spontanen Symmetriebrechung. Sie lässt sich am Beispiel der Magnetisierung eines Eisenstabes veranschaulichen. Man betrachte den Magnetisierungszustand eines Eisenstabes. Seine freie Energie aufgrund einer Magnetisierung ist symmetrisch bezüglich des unmagnetisierten Zustandes (0). Sie ist unabhängig davon, an welchem Ende sich der Südpol und an welchem sich der Nordpol befindet. Wenn man in Gedanken den Stab um eine Achse durch seine Mitte und senkrecht zu seiner Längsachse dreht, bleibt die Energie als Funktion der Magnetisierung unverändert, sie ist rotationssymmetrisch. Diese Rotationssymmetrie findet sich auch in den Gleichungen, die den Zustand des Stabes beschreiben.  Der Stab nimmt den Zustand der niedrigsten Energie an, also den auf der Symmetrieachse für die Magnetisierung "0". Etwas anschaulicher wird dies bei Betrachtung der Spins der Elektronen, deren magnetisches Moment die wesentlichen magnetischen Eigenschaften bestimmen. Sie sind im Eisenstab oberhalb der sogenannten Curie-Temperatur isotrop (d.h. "völlig gleichmäßig" in alle Richtungen; ohne Vorzugsrichtung) verteilt. Der Stab ist daher paramagnetisch und nicht magnetisiert. Nun wird die Temperatur unter die Curie-Temperatur gesenkt. Dabei geschieht etwas erstaunliches, der Scheitelpunkt der Kurve wandert nach oben. Dabei bleibt zwar die Rotationssymmetrie erhalten, allerdings gibt es plötzlich ("spontan") zwei Gleichgewichtszustände bei einer Magnetisierung ungleich null. Da von vorneherein nicht festgelegt ist, welcher Gleichgewichtszustand angenommen wird, ist dementsprechend unentschieden, ob sich die Pole in der Reihenfolge N-S oder S-N einstellen. Die Gleichgewichtslage außerhalb der Symmetrieachse passt nun nicht mehr zur ursprünglichen Rotationssymmetrie. Man spricht daher von einer spontanen Symmetriebrechung. Betrachtet man den Vorgang bezüglich der Elektronenspins, so stellt man fest, dass deren isotrope Verteilung "gebrochen" wird und eine Vorzugsrichtung der magnetischen Momente entsteht. Man nennt dies einen Phasenübergang. Der Stab wird ferromagnetisch, er besitzt also eine Magnetisierung ungleich null. Durch die spontane Brechung der Symmetrie eines Grundzustands findet ein Phasenübergang statt. Dadurch erhält unserem Beispiel das Eisen eine Magnetisierung. Analog dazu erklärt Higgs, dass es auch für die Austauschteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung, die W- und Z-Bosonen und das Photon eine "Grenztemperatur bzw. Grenzenergie" eines Phasenübergangs gibt. Oberhalb dieser Energie sind sie alle masselos. Unter der Energie des Phasenübergangs erhalten die W- und Z-Bosonen eine Masse. Das Photon bleibt masselos. Um diesen Vorgang erklären zu können, führt man in der elektroschwachen Theorie für jedes der vier Teilchen ein eigenes Higgs-Feld mit je einem Higgs-Boson ein. Beim Phasenübergang von "heiß nach kalt" absorbieren die W- und Z-Bosonen ihre Higgs-Bosonen und erhalten dadurch ihre Masse. Das Higgs-Boson des Photons bleibt frei. Dadurch bleibt das Photon masselos und es sollte ein freies Higgs-Boson zu finden sein .  Die Suche nach dem Higgs-Boson ist einer der Gründe zum Bau des Large Hadron Collider (LHC) am CERN. (siehe dazu auch  und ) Das Glashow-Weinberg-Salam-Modell machte im wesentlichen vier Vorhersagen: Die Existenz der durch das neutrale Z0 vermittelten "neutralen Ströme". Sie wurden 1973 am CERN entdeckt. Die Existenz eines vierten Quarks (c). Er wurde 1974 mit der Entdeckung des J/Y-Teilchens (Charmonium) nachgewiesen. Die Existenz der schweren W- und Z-Bosonen. Sie konnten 1983 am CERN nachgewiesen werden. Die Existenz des oben beschriebenen freien Higgs-Bosons. Es wartet noch auf seine Entdeckung!  Sollte das fehlende Higgs-Boson mit dem LHC gefunden werden (nicht vor dem Jahr 2005!), bedeutet dies eine vollständige Bestätigung des GWS-Modells. Damit schließen wir unseren Exkurs in die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung. Zum Abschluss findet man hier noch ein Quiz zum Kapitel.