Boson: Kraftträger, Higgs und die Teilchen, die Zustände teilen

Was ist ein Boson?

Ein Boson ist ein Teilchen mit ganzzahligem Spin – dem quantenmechanischen Eigendrehimpuls, der in Vielfachen der reduzierten Planck-Konstante ℏ gemessen wird. Erlaubte Werte sind 0, 1, 2 und so fort. Diese scheinbar abstrakte Zahl hat eine tiefgreifende Konsequenz: Sie bestimmt, wie sich viele identische Teilchen gemeinsam verhalten.

Bosonen gehorchen der Bose-Einstein-Statistik. Ihre gemeinsame Wellenfunktion bleibt beim Vertauschen zweier identischer Teilchen unverändert – sie ist symmetrisch. Deshalb dürfen beliebig viele Bosonen exakt denselben Quantenzustand einnehmen; das Pauli-Ausschlussprinzip gilt für sie nicht. Genau darin liegt der Gegensatz zu den Fermionen – und der Schlüssel zu fast allem, was Bosonen in der Natur bewirken.

Die elementaren Bosonen des Standardmodells sind Kraftteilchen: Sie vermitteln die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen den Materiebausteinen. Hinzu kommt das Higgs-Boson, das eine Sonderrolle einnimmt. Daneben gibt es zusammengesetzte Bosonen – etwa Mesonen, bestimmte Atomkerne oder ganze Atome –, deren Bestandteile sich zu einem ganzzahligen Gesamtspin addieren.

Ein spin-2-Boson ist bislang nur hypothetisch: Das Graviton, das die Schwerkraft quantenmechanisch vermitteln würde, ist nicht Teil des Standardmodells und wurde nie nachgewiesen. Eine anerkannte Quantentheorie der Gravitation existiert bis heute nicht.

Bosonen und Fermionen: der fundamentale Unterschied

Alle bekannten Teilchen fallen in genau eine von zwei Familien. Fermionen – Elektronen, Quarks, Neutrinos und alle daraus aufgebauten Objekte – tragen halbzahligen Spin (1/2, 3/2 …) und gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip: Keine zwei identischen Fermionen können denselben Quantenzustand besetzen. Diese Regel ist der Grund, warum Elektronen in Schalen um den Atomkern angeordnet sind und warum Materie überhaupt Volumen und Struktur besitzt.

Bosonen kennen diese Beschränkung nicht. Weil ihre Wellenfunktion symmetrisch ist, drängen sie im Gegenteil bevorzugt in denselben Zustand. Ihr Verhalten ist damit kollektiv statt individuell – sie verstärken einander, statt sich auszuschließen.

Den Zusammenhang zwischen Spin und Statistik erklärt das Spin-Statistik-Theorem, das Wolfgang Pauli 1940 im Rahmen der relativistischen Quantenfeldtheorie streng begründete. Es ist keine willkürliche Konvention, sondern eine notwendige Folge grundlegender Prinzipien wie der Kausalität: Ganzzahliger Spin erzwingt die Bose-Einstein-Statistik, halbzahliger Spin die Fermi-Dirac-Statistik.

Zu den Leptonen und Quarks, die sämtlich Fermionen sind, bilden die Bosonen so die komplementäre Hälfte des Teilchenzoos. Die Quarks wurden 1964 unabhängig von Murray Gell-Mann und George Zweig als Ordnungsschema vorgeschlagen; das letzte und schwerste von ihnen, das Top-Quark, wurde erst 1995 am Fermilab nachgewiesen.

Satyendra Nath Bose und die Bose-Einstein-Statistik

Der Name geht auf den indischen Physiker Satyendra Nath Bose (1894–1974) zurück. 1924 leitete Bose an der Universität Dhaka die Planck'sche Strahlungsformel auf völlig neue Weise her, indem er Lichtquanten – Photonen – als grundsätzlich ununterscheidbar behandelte und sie nach einer neuartigen statistischen Methode abzählte. Sein Manuskript wurde von einer britischen Fachzeitschrift zunächst abgelehnt.

Daraufhin sandte Bose die Arbeit direkt an Albert Einstein. Dieser erkannte ihre Tragweite sofort, übersetzte sie ins Deutsche und sorgte für die Veröffentlichung in der Zeitschrift für Physik. Noch im selben und im darauffolgenden Jahr erweiterte Einstein Boses Methode auf massebehaftete Teilchen – so entstand die Bose-Einstein-Statistik.

Der Begriff „Boson“ selbst stammt von Paul Dirac, der die Teilchenklasse zu Ehren Boses benannte – so wie die „Fermionen“ nach Enrico Fermi heißen. Aus einer zunächst abgelehnten Herleitung wuchs damit einer der beiden Grundpfeiler der Quantenstatistik.

Die Eichbosonen: Träger der Grundkräfte

Die wichtigsten Elementarbosonen sind die Eichbosonen, allesamt mit Spin 1 (daher auch Vektorbosonen genannt). Sie vermitteln drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen: Wenn zwei Materieteilchen eine Kraft aufeinander ausüben, tauschen sie ein solches Eichboson aus.

Das Photon ist das Quant des elektromagnetischen Feldes. Es ist masselos, elektrisch neutral und bewegt sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit; es überträgt sichtbares Licht ebenso wie Radiowellen und Röntgenstrahlung. Weil es masselos ist, hat der Elektromagnetismus eine unbegrenzte Reichweite.

Die Gluonen vermitteln die starke Wechselwirkung, die Quarks zu Protonen und Neutronen bindet. Es gibt acht Gluonen; sie sind masselos, tragen aber selbst Farbladung und wechselwirken daher untereinander. Das ist der Grund, warum die starke Kraft praktisch auf Kerngröße beschränkt bleibt und freie Quarks nie einzeln beobachtet werden.

Die W- und Z-Bosonen tragen die schwache Kernkraft, die für den Betazerfall und damit für einen wesentlichen Teil des radioaktiven Zerfalls verantwortlich ist. Sie sind ungewöhnlich schwer: Das W-Boson wiegt rund 80 GeV/c², das Z-Boson rund 91 GeV/c² – das entspricht etwa dem 86- beziehungsweise 97-Fachen der Protonenmasse. W- und Z-Bosonen wurden 1983 am CERN in den Experimenten UA1 und UA2 direkt nachgewiesen; Carlo Rubbia und Simon van der Meer erhielten dafür bereits 1984 den Nobelpreis für Physik.

Wie Bosonen Kräfte vermitteln: Austauschteilchen und Reichweite

In der Quantenfeldtheorie ist eine Kraft kein Fernwirkungseffekt, sondern das Ergebnis eines Austauschs. Zwei geladene Teilchen stoßen einander ab, weil sie Photonen austauschen; zwei Quarks bleiben aneinander gebunden, weil sie Gluonen austauschen. Diese Austauschteilchen treten in der Rechnung als „virtuelle“ Teilchen auf – sie sind Rechengrößen der Störungstheorie und nicht als freie Teilchen messbar.

Aus der Masse des Austauschbosons folgt unmittelbar die Reichweite der zugehörigen Kraft. Je schwerer das Boson, desto kürzer die Distanz, über die es wirken kann. Das masselose Photon ergibt eine unbegrenzte Reichweite des Elektromagnetismus; die sehr schweren W- und Z-Bosonen begrenzen die schwache Kraft auf rund 10⁻¹⁸ Meter – deutlich weniger als ein Tausendstel des Protonendurchmessers.

Deshalb ist die schwache Wechselwirkung im Alltag unsichtbar, obwohl sie so fundamental ist wie der Elektromagnetismus. Ihre scheinbare „Schwäche“ bei niedrigen Energien ist überwiegend eine Folge der großen Bosonenmasse, nicht einer besonders kleinen Kopplungsstärke.

Das Higgs-Boson: ein Boson besonderer Art

Das Higgs-Boson unterscheidet sich grundlegend von den Eichbosonen: Es hat Spin 0 und ist damit das einzige bekannte fundamentale skalare Boson. Es vermittelt keine Kraft im herkömmlichen Sinn, sondern ist die Anregung des allgegenwärtigen Higgs-Feldes.

Die Existenz dieses Feldes wurde 1964 unabhängig voneinander von mehreren Arbeitsgruppen vorhergesagt: von François Englert und Robert Brout, von Peter Higgs sowie von Gerald Guralnik, Carl Hagen und Tom Kibble. Der Higgs-Mechanismus erklärt, warum die W- und Z-Bosonen Masse besitzen, das Photon dagegen nicht – und er liefert über die Kopplung an das Feld auch die Massen der elementaren Fermionen.

Wichtig zur Einordnung: Das Higgs-Feld erklärt nicht den Großteil der Masse alltäglicher Materie. Die Ruhemassen der Quarks tragen nur wenige Prozent zur Masse von Proton und Neutron bei; der weitaus größte Anteil stammt aus der Bindungsenergie der starken Wechselwirkung – also aus der Energie des Gluonenfeldes im Inneren der Nukleonen.

Nach fast fünf Jahrzehnten Suche verkündeten die Experimente ATLAS und CMS am Large Hadron Collider des CERN am 4. Juli 2012 die Entdeckung eines neuen Teilchens mit einer Masse von rund 125 GeV/c², dessen Eigenschaften denen des vorhergesagten Higgs-Bosons entsprachen. Peter Higgs und François Englert erhielten dafür 2013 den Nobelpreis für Physik; Robert Brout war 2011 verstorben. Mehr dazu in der Referenz zum Higgs-Boson.

Zusammengesetzte Bosonen und das Bose-Einstein-Kondensat

Nicht jedes Boson ist elementar. Setzt sich ein Teilchen aus einer geraden Anzahl von Fermionen zusammen, so addieren sich deren halbzahlige Spins zu einem ganzzahligen Gesamtspin – das Objekt verhält sich dann nach außen wie ein Boson. Beispiele sind die Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen, sowie das Helium-4-Atom mit seinen zwei Protonen, zwei Neutronen und zwei Elektronen.

Aus Boses und Einsteins Statistik folgte eine kühne Vorhersage: Kühlt man ein Gas identischer Bosonen nahe an den absoluten Nullpunkt, so sammeln sich fast alle Teilchen im tiefsten Energiezustand und bilden einen einzigen, makroskopisch ausgedehnten Quantenzustand – das Bose-Einstein-Kondensat.

Rund 70 Jahre lang blieb dieser mitunter als fünfter Aggregatzustand bezeichnete Zustand reine Theorie. 1995 gelang Eric Cornell und Carl Wieman in Boulder, Colorado, die erste Erzeugung mit Rubidium-87-Atomen bei etwa 170 Nanokelvin; wenige Monate später erreichte Wolfgang Ketterle am MIT Vergleichbares mit Natriumatomen. Die drei erhielten 2001 gemeinsam den Nobelpreis für Physik.

Warum Bosonen Zustände teilen: Laser, Suprafluidität, Supraleitung

Die Fähigkeit, denselben Quantenzustand vielfach zu besetzen, ist nicht bloß eine Kuriosität – sie liegt einigen der wichtigsten Technologien und Phänomene der Physik zugrunde.

Ein Laser funktioniert, weil Photonen Bosonen sind: Durch stimulierte Emission besetzen unzählige Photonen exakt denselben Zustand und ergeben so kohärentes, gebündeltes Licht einheitlicher Wellenlänge und Phase.

Suprafluidität – der reibungsfreie Fluss einer Flüssigkeit – tritt in flüssigem Helium-4 unterhalb von rund 2,17 Kelvin auf und wurde 1937 unabhängig voneinander von Pjotr Kapiza sowie von John Allen und Don Misener beobachtet. Die Helium-4-Atome verhalten sich als Bosonen und besetzen gemeinsam denselben Quantenzustand.

Auch die Supraleitung – der widerstandsfreie Fluss von elektrischem Strom – beruht auf bosonischem Verhalten. In der BCS-Theorie von 1957 (John Bardeen, Leon Cooper, John Robert Schrieffer) verbinden sich Elektronen über eine vom Kristallgitter vermittelte Anziehung zu sogenannten Cooper-Paaren. Diese Paare tragen ganzzahligen Gesamtspin, verhalten sich daher wie Bosonen und bilden einen kohärenten Quantenzustand, der Strom ohne ohmsche Verluste trägt.

Bosonen, die schwache Kraft und die Neutrinoforschung

Bosonen und Fermionen sind untrennbar verbunden: Materie besteht aus Fermionen, doch sämtliche Kräfte zwischen ihnen werden von Bosonen getragen. Ein besonders klares Beispiel ist das Neutrino – ein Fermion, das ausschließlich über die schwache Kernkraft und die Gravitation wechselwirkt. Wann immer ein Neutrino mit Materie in Wechselwirkung tritt, geschieht das durch den Austausch eines W- oder Z-Bosons. Der experimentelle Nachweis der Z-vermittelten „neutralen Ströme“ gelang 1973 am CERN mit der Blasenkammer Gargamelle und war ein Meilenstein für die elektroschwache Theorie.

An diese Physik knüpft die in Berlin ansässige Neutrino Energy Group an: Sie untersucht im Rahmen von Grundlagenforschung, ob sich an mehrlagigen Beschichtungen aus Graphen und dotiertem Silizium messbare elektrische Signale aus Umgebungsstrahlung gewinnen lassen. Zur ehrlichen Einordnung gehört: Der Ansatz befindet sich im Forschungs- und Entwicklungsstadium, es existiert kein marktreifes Produkt und kein unabhängig bestätigter Wirkungsnachweis – und die Energieerhaltung gilt uneingeschränkt, Energie kann stets nur umgewandelt werden.

Wer die zugrunde liegende Physik vertiefen möchte, findet weiterführende Referenzen zu Eichbosonen und dem Standardmodell, zur schwachen Kernkraft sowie zum Forschungsansatz der Neutrinovoltaik.