Unsere Welt zu verstehen:  Higgsfeld Vereinheitlichung

Marcelo Gleiser (2010):

 
Nachdem sich herausgestellt hat, dass auch Neutrinos ein kleine Masse haben (deren Wert wir allerdings noch nicht kennen), ist das Photon das einzige Elementarteilchen ohne Ruhemasse.
 
Wie aber bekommen Teilchen Ruhemasse? Phasenübergänge geben die Antwort darauf:
 
Heute befindet sich unser Universum in einer Art "gefrorenem" Zustand, in dem das Higgsfeld ungleich Null ist und so Teilchen Masse haben. Dies aber ist nur ein Zustand bei niedrigen Energien. Derzeitiger Schätzung zufolge wird das Higgsfeld bei Energien über 200 bis 300 Protonenmassen (multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit) "durchsichtbar" für andere Teilchen: Sie tauschen dann untereinander keine Higgsteilchen mehr aus und werden deswegen masselos: Der "gefrorene" Zustand unseres Universums wird bei solch hoher Temperatur also ein sozusagen "flüssiger".
 
Betrachten wir zum Vergleich den Phasenübergang zwischen Wasser und Eis:

 
Wasser und Eis weisen unterschiedlich räumliche Symmetrie auf: Während Wasser homogen ist, d.h. im Durchschnitt überall gleich aussieht, ist Eis inhomogen. Gefrorene Wassermoleküle nämlich nehmen ganz bestimmte Positionen ein. Sie bilden ein hexagonales Gitter, das an Bienenwaben erinnert. Die Sauerstoffatome bilden die 6 Ecken und auf den Verbindungslinien zwischen ihnen sitzen die beiden Wasserstoffatome. Diese Symmetrie des Eiskristallgitters führt zu den wunderschönen 6-eckigen Mustern in Schneeflocken oder dünnen Eisschichten auf Fensterglas.
 
Fakt also: Obgleich gefrorenes Wasser ein hohes Maß an Symmetrie aufweist, ist flüssiges Wasser noch weit symmetrischer, da es überall gleich aussieht (was daran liegt, dass nur in flüssigem Wasser die durchschnittliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit für ein Wassermolekül überall die gleiche ist). Wenn Wasser nun aber gefriert, sorgt der Phasenübergang für einen Verringerung der Symmetrie, stellt also einen Symmetriebruch dar.

 
Etwas ganz Ähnliches passiert mit dem Higgsfeld: Solange es "durchsichtig" ist, sind die schwachen Eichbosonen ebenso masselos wie die Photonen. Die Reichweite der schwachen Wechselwirkung ist dann groß und sie verhält sich in etwa so wie die elektromagnetische. Aus diesem Grund sagt man, die beiden Wechselwirkungen seien im Zustand hoher Energie zur elektroschwachen Wechselwirkung vereint.
 
Bei niedrigen Temperaturen aber kommt es zu einem Austausch von Higgsbosonen zwischen allen Elementarteilchen (Photonen ausgenommen), so dass sie dann Ruhemasse haben. Die schwachen Eichbosonen werden sogar sehr schwer, wodurch die schwache Kraft dann nur noch sehr kurze Reichweite hat.
 
Wie im Fall von Wasser und Eis ist der Übergang vom hochenergetischen in den niederenergetischen Zustand mit Symmetrieverlust verbunden. Er besteht jetzt aber darin, dass die Kräfte sich im hochenergetischen Zustand nahezu gleich, im niederenergischen aber deutlich unterschiedlich verhalten.
 
Dieser (wie man auch sagt: innere) Symmetriebruch ist das Kennzeichen des elektroschwachen Phasenübergangs.