Schumacher, Martin

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Prof. Dr. Martin Schumacher ist emeritierter Professer am II. Physikalischen Institut der Universität Göttingen am Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen.

Entstehung der Masse: Von Heisenbergs Idee bis zur Entdeckung des sigma-Teilchens und des Higgs-Teilchens

Im Jahre 1953 veröffentlichte der Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in Göttingen, Werner Heisenberg, eine wissenschaftliche Arbeit, in der er die damals fundamental neue Frage stellte, wie die Massen der Teilchen Proton, Neutron und Elektron entstehen, aus denen alle Atome und damit die uns umgebende Welt aufgebaut ist. Die Theorie der Massenentstehung sollte so angelegt sein, dass sich auch die Massen aller anderen Teilchen, die sich nur künstlich herstellen lassen, aus der Theorie ergeben. Heisenberg hatte 1925 als Mitarbeiter von Max Born in Göttingen die Quantenmechanik entdeckt, die die Bewegungen im Atom beschreibt und hierfür 1933 den Nobelpreis für Physik für das Jahr 1932 erhalten. Mit der wissenschaftlichen Arbeit von 1953 und weiteren Arbeiten, die in den folgenden Jahren entstanden sind, strebte Heisenberg eine Erweiterung der Quantenmechanik an, die die Entstehung der Massen aus dem Vakuum mit beinhalten sollte. Diese Arbeiten sind unter dem Stichwort Weltformel international bekannt geworden, wurden von Heisenberg aber nicht abgeschlossen.


Eine erfolgreiche Theorie der Massenentstehung gelang 1961 dem US-amerikanischen Physiker japanischer Herkunft Yoichiro Nambu, der 2008 hierfür den Nobelpreis erhielt. Im Gegensatz zu Heisenberg legte Nambu seinen Berechnungen ein konkretes Modell des Vakuums zugrunde. Danach enthält das Vakuum Quark-Antiquark-Paare, die sich an die nahezu masselosen elementaren Quarks anlagern und ihnen dabei eine 50mal größere Masse verleihen. Die dabei herrschenden Kräfte werden durch ein Teilchen vermittelt, das bereits 1957 von dem US-amerikanischen Physiker Julian Schwinger vorhergesagt wurde und von diesem sigma-Teilchen genannt wurde. Später wurde die Frage untersucht, woher die elementaren Quarks und die Elektronen ihre Masse erhalten. Eine Antwort auf diese Frage fand der schottische Physiker Peter Higgs, nach dem das die Kräfte vermittelnde Teilchen Higgs-Teilchen genannt wurde. Dieses Higgs-Teilchen wird wegen seiner großen Bedeutung scherzhaft gelegentlich auch Gottesteilchen genannt. Die Entstehung der Masse der Atome erfolgt also in zwei Stufen. In der ersten Stufe vermittelt das Higgs-Teilchen 2% der Gesamtmasse der Atome und in der zweiten Stufe das sigma-Teilchen die restlichen 98%.


Den Arbeiten von Higgs und der anderen Arbeitsgruppen, die gleichzeitig an dem Problem der Massenentstehung elementarer Teilchen arbeiteten, war eine Arbeit des US-amerikanischen Physikers britischer Abstammung Jeffrey Goldstone vorausgegangen, die sich auf mathematischem Wege der Massenentstehung näherte. Goldstone erfand das Sombreropotential, das die Massenentstehung des sigma-Teilchens und des Higgs-Teilchens symbolisiert. Goldstone konnte aus diesem Sombreropotential ablesen, dass es masselose Partner des sigma-Teilchens und des Higgs-Teilchens geben müsse, die man heute Goldstone-Teilchen nennt. Für das sigma-Teilchen wurden diese Partnerteilchen schnell unter den bekannten Teilchen identifziert, nicht aber für das Higgs-Teilchen. Die eigentliche Leistung von Peter Higgs und der anderen Arbeitsgruppen besteht darin, diese nicht vorhandenen Partnerteilchen aus der Theorie zu eliminieren, indem sie von anderen Teilchen absorbiert werden. Diesen Vorgang nennt man Higgs-Mechanismus.


Die Theorie der zweistufigen Massenentstehung kann als bestätigt angesehen werden, wenn es gelingt, das sigma-Teilchen und das Higgs-Teilchen experimentell nachzuweisen. Für das sigma-Teilchen gelang dies in einem 2001 veröffentlichten Experiment, das vom früheren Leiter der Arbeitsgruppe Teilchenphysik im II. Physikalischen Institut der Universität Göttingen, Prof. Martin Schumacher, vorgeschlagen und im Rahmen einer internationalen Kollaboration am Elektronenbeschleuniger der Universität Mainz ausgeführt wurde. Der Nachweis gelang, indem Protonen mit Photonen, also hochenergetischen Lichtteilchen, durchleuchtet wurden. Ein solches Experiment macht das sigma-Teilchen sichtbar, während es sich auf den Quarks im Proton aufhält. Obgleich das Experiment ohne Zweifel erfolgreich war, war weitere theoretische Arbeit erforderlich, um die Interpretation zu vervollständigen. Dies wurde von Martin Schumacher in einer Serie von Publikationen erreicht und im Jahr 2013 abgeschlossen. Eine der Arbeiten wurde vom British Institute of Physics (IOP) mit dem Titel "Highlight of the year 2011" ausgezeichnet.


In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass es insgesamt neun Higgs-Teilchen der starken Wechselwirkung gibt, von denen aber im Atom nur eines, das sigma-Teilchen, zur Wirkung kommt. Das Higgs-Teilchen der schwachen Wechselwirkung wurde unter wesentlicher Beteiligung der Arbeitsgruppe des Direktors des II. Physikalischen Instituts der Universität Göttingen, Prof. Arnulf Quadt, 2012 am LHC (Large Hadron Collider) im Forschungszentrum CERN in Genfebenfalls nachgewiesen.


Mit dem Nachweis des sigma-Teilchens und des Higgs-Teilchens wurde das Problem der Entstehung der Masse 60 Jahre nach der ersten Arbeit von Werner Heisenberg gelöst. Die Masse des Atoms beruht zu 2% auf Effekten des Higgs-Teilchens und zu 98% auf Effekten des sigma-Teilchens.

  • Quelle: Prof. Dr. Martin Schumacher