Forscher finden Higgs-Mechanismus in einem Magneten

Ein Experiment nahe dem absoluten Nullpunkt liefert ein weiteres Indiz dafür, dass es den Higgs-Mechanismus gibt. Dieser erzeugt der Theorie nach das Higgs-Teilchen und verleiht aller Materie ihre Masse. Er kann aber auch magnetische Reaktionen bei einer exotischen Materieform hervorrufen. Das zeigt ein Experiment eines internationalen Forscherteams an einem Kristall aus einer Verbindung von Ytterbium, Titan und Sauerstoff. Die Wissenschaftler kühlten diesen Kristall bis auf wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Dieser liegt bei minus 273,15 Grad Celsius. In dieser extremen Kälte ordneten sich die normalerweise durcheinander liegenden magnetische Ladungen im Kristall plötzlich parallel an. Der Kristall wurde dadurch magnetisch, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.

Die Ladungen im Kristall, sogenannte magnetische Monopole, sind normalerweise masselos. Theoretisch dürfte daher ein solcher Übergang zum geordneten Zustand bei ihnen gar nicht stattfinden. Die Physiker gehen deshalb davon aus, dass der Higgs-Mechanismus auf diese magnetischen Ladungen wirkte und ihnen die nötige Masse verlieh. Sie sehen darin ein weiteres Indiz für die Existenz des Higgs-Felds und des mit ihm verbundenen Mechanismus.

Der Higgs-Mechanismus erklärt als zentraler Bestandteil des physikalischen Standardmodells, warum Teilchen überhaupt eine Masse haben. Verantwortlich dafür ist die Wechselwirkung dieser Partikel mit dem sogenannten Higgs-Feld, das das ganze Universum durchzieht. Das Feld selbst kann nicht direkt beobachtet werden. Nachweisen lassen sich aber die sogenannten Higgs-Bosonen, Teilchen, die im Higgs-Feld entstehen. Indizien für ihre Existenz hat erst vor kurzem das Forschungszentrum CERN bei Genf geliefert. Jetzt haben Forscher erstmals auch Anzeichen für das Wirken dieses Felds bei einer exotischen Materieform gefunden.

Dieses sogenannte Quanten-Spin-Eis kann künstlich erzeugt werden, wenn bestimmte Kristalle auf extrem kalte Temperaturen heruntergekühlt werden. Unter diesen Extrembedingungen geschieht etwas, das normalerweise unmöglich ist: Der magnetische Nord- und Südpol der winzigen magnetischen Ladungen, die jedes Atom trägt, trennen sich. Es entstehen einzelne, frei durch den Kristall wandernde magnetische Monopole.

Ultrakalten Kristall mit Neutronenstrahlen bombardiert

Entdeckt haben die Forscher die Umsortierung der magnetischen Ladungen im Quanten-Spin-Eis, indem sie den Kristall mit speziellen Neutronenstrahlen bombardierten. Dieses Experiment führten sie an einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching bei München durch. Wird der Kristall diesen Elementarteilchenstrahlen ausgesetzt, wirft er einen Teil der Strahlung zurück. Anhand des Musters dieser Reflexion konnten die Physiker die magnetische Struktur des Kristalls atomgenau messen.

Bei sehr kalten Temperaturen bildeten die magnetischen Monopole im Quanten-Spin-Eis ein sehr komplexes Muster, wie Yixi Su vom Zentrum für Forschung mit Neutronen (JCNS) in Jülich erläutert, einer der Mitautoren der Studie. Wurde das Material aber noch weiter abgekühlt, bis auf wenige Tausendstel über dem absoluten Nullpunkt, ordneten sich die magnetischen Monopole schlagartig parallel an, ähnlich wie bei magnetischem Eisen, berichten die Forscher. Diese Sortierung gebe es normalerweise nur bei echten Teilchen, die auch eine Masse besitzen. Die magnetischen Monopole sind jedoch keine echten Teilchen und besitzen keine Masse. Erklärbar ist das Verhalten der Monopole unter den extrem kalten Bedingungen nach Ansicht der Forscher daher nur dann, wenn ihnen eine Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld doch Masse verliehen hat. „Das ist der unseres Wissens erste Nachweis eines Higgs-Übergangs in einem Magneten“, berichtet Su. (doi: 10.1038/ncomms1989)

(Nature Communications, 08.08.2012 – NPO)