Einfach ausgedrückt ist das Higgs-Boson das teuerste Teilchen aller Zeiten. Wenn beispielsweise eine Vakuumröhre und ein paar brillante Köpfe ausreichten, um das Elektron zu entdecken, erforderte die Suche nach dem Higgs-Boson die Erzeugung experimenteller Energie, die auf der Erde selten zu finden ist. Der Large Hadron Collider bedarf keiner Einführung, da er eines der berühmtesten und erfolgreichsten wissenschaftlichen Experimente ist, aber sein Profilpartikel ist nach wie vor für den Großteil der Bevölkerung geheimnisumwittert. Es wurde ein Gottesteilchen genannt, aber dank der Bemühungen von buchstäblich Tausenden von Wissenschaftlern müssen wir seine Existenz nicht länger glauben.
Letzte Unbekannte
Was ist das Higgs-Boson und welche Bedeutung hat seine Entdeckung? Warum ist es zum Gegenstand von so viel Hype, Finanzierung und Fehlinformationen geworden? Aus zwei Gründen. Erstens war es das letzte unentdeckte Teilchen, das zur Bestätigung des Standardmodells der Physik benötigt wurde. Ihre Entdeckung führte dazu, dass eine ganze Generation wissenschaftlicher Veröffentlichungen nicht umsonst war. Zweitens verleiht dieses Boson anderen Teilchen ihre Masse, was ihm eine besondere Bedeutung und etwas „Magie“verleiht. Wir neigen dazu, darüber nachzudenkenMasse als intrinsische Eigenschaft von Dingen, aber Physiker denken anders. Das Higgs-Boson ist vereinfacht gesagt ein Teilchen, ohne das es im Prinzip keine Masse gibt.
Noch ein Feld
Der Grund liegt im sogenannten Higgs-Feld. Es wurde sogar vor dem Higgs-Boson beschrieben, weil Physiker es für die Bedürfnisse ihrer eigenen Theorien und Beobachtungen berechneten, die das Vorhandensein eines neuen Feldes erforderten, dessen Wirkung sich auf das gesamte Universum erstrecken würde. Es ist gefährlich, Hypothesen durch die Erfindung neuer Komponenten des Universums zu untermauern. In der Vergangenheit führte dies zum Beispiel zur Entstehung der Äthertheorie. Aber je mehr mathematische Berechnungen angestellt wurden, desto mehr verstanden die Physiker, dass das Higgs-Feld in der Realität existieren muss. Das einzige Problem war der Mangel an praktischen Mitteln, ihn zu beobachten.
Im Standardmodell der Physik gewinnen Elementarteilchen Masse durch einen Mechanismus, der auf der Existenz des Higgs-Feldes basiert, das den gesamten Raum durchdringt. Es erzeugt Higgs-Bosonen, die viel Energie benötigen, und das ist der Hauptgrund, warum Wissenschaftler moderne Teilchenbeschleuniger benötigen, um Hochenergieexperimente durchzuführen.
Woher kommt Masse?
Die Stärke schwacher nuklearer Wechselwirkungen nimmt mit zunehmender Entfernung schnell ab. Nach der Quantenfeldtheorie bedeutet dies, dass die an ihrer Entstehung beteiligten Teilchen – W- und Z-Bosonen – eine Masse haben müssen, im Gegensatz zu Gluonen und Photonen, die keine Masse haben.
Das Problem ist, dass Eichtheorien nur mit masselosen Elementen zu tun haben. Wenn die Eichbosonen Masse haben, kann eine solche Hypothese nicht vernünftig definiert werden. Der Higgs-Mechanismus vermeidet dieses Problem, indem er ein neues Feld namens Higgs-Feld einführt. Bei hohen Energien haben Eichbosonen keine Masse, und die Hypothese funktioniert wie erwartet. Bei niedrigen Energien verursacht das Feld eine Symmetriebrechung, die es Elementen ermöglicht, Masse zu haben.
Was ist das Higgs-Boson?
Das Higgs-Feld produziert Teilchen, die Higgs-Bosonen genannt werden. Ihre Masse ist nicht theoretisch festgelegt, aber als Ergebnis des Experiments wurde festgestellt, dass sie 125 GeV entspricht. Vereinfacht gesagt hat das Higgs-Boson mit seiner Existenz das Standardmodell endgültig bestätigt.
Mechanismus, Feld und Boson tragen den Namen des schottischen Wissenschaftlers Peter Higgs. Er war zwar nicht der Erste, der diese Konzepte vorschlug, aber, wie so oft in der Physik, war er einfach derjenige, nach dem sie benannt wurden.
Gebrochene Symmetrie
Es wurde angenommen, dass das Higgs-Feld dafür verantwortlich ist, dass Teilchen, die keine Masse haben sollten, eine haben. Dies ist ein universelles Medium, das masselosen Teilchen unterschiedliche Massen verleiht. Eine solche Symmetrieverletzung erklärt sich analog zum Licht – alle Wellenlängen bewegen sich im Vakuum gleich schnell, während in einem Prisma jede Wellenlänge unterschieden werden kann. Dies ist natürlich eine falsche Analogie, da weißes Licht alle Wellenlängen enthält, aber das Beispiel zeigt, wieDie Erzeugung von Masse durch das Higgs-Feld scheint auf eine Symmetriebrechung zurückzuführen zu sein. Ein Prisma bricht die Symmetrie der Geschwindigkeit verschiedener Lichtwellenlängen, indem es sie trennt, und es wird angenommen, dass das Higgs-Feld die Symmetrie der Massen einiger Teilchen bricht, die ansonsten symmetrisch masselos sind.
Wie erklärt man das Higgs-Boson in einfachen Worten? Erst kürzlich haben Physiker erkannt, dass, wenn das Higgs-Feld wirklich existiert, sein Betrieb das Vorhandensein eines geeigneten Trägers mit Eigenschaften erfordert, aufgrund derer es beobachtet werden kann. Es wurde angenommen, dass dieses Teilchen zu Bosonen gehört. Vereinfacht gesagt ist das Higgs-Boson die sogenannte Trägerkraft, genauso wie Photonen, die Träger des elektromagnetischen Feldes des Universums sind. Photonen sind gewissermaßen seine lokalen Anregungen, genauso wie das Higgs-Boson eine lokale Anregung seines Feldes ist. Der Beweis der Existenz eines Teilchens mit den von Physikern erwarteten Eigenschaften war tatsächlich gleichbedeutend mit dem direkten Beweis der Existenz eines Feldes.
Experiment
Viele Jahre der Planung haben es dem Large Hadron Collider (LHC) ermöglicht, zu einem Beweis für eine mögliche Widerlegung der Higgs-Boson-Theorie zu werden. Ein 27 km langer Ring aus superstarken Elektromagneten kann geladene Teilchen auf erhebliche Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, was zu Kollisionen führt, die stark genug sind, um sie in ihre Bestandteile zu zerlegen, und den Raum um den Aufprallpunkt herum deformiert. Berechnungen zufolge ist es bei ausreichend hoher Kollisionsenergie möglich, ein Boson so aufzuladen, dass es zerfällt, und das kann seinwerde beobachten. Diese Energie war so groß, dass einige sogar in Panik gerieten und das Ende der Welt vorhersagten, und die Fantasie anderer ging so weit, dass die Entdeckung des Higgs-Bosons als Gelegenheit beschrieben wurde, in eine alternative Dimension zu blicken.
Endgültige Bestätigung
Erste Beobachtungen schienen die Vorhersagen tatsächlich zu widerlegen, und es konnte kein Anzeichen für das Teilchen gefunden werden. Einige der Forscher, die an der Kampagne beteiligt waren, um Milliarden von Dollar auszugeben, traten sogar im Fernsehen auf und erklärten kleinlaut, dass die Widerlegung einer wissenschaftlichen Theorie genauso wichtig sei wie ihre Bestätigung. Nach einiger Zeit fügten sich die Messungen jedoch zum Gesamtbild zusammen, und am 14. März 2013 gab CERN offiziell die Bestätigung der Existenz des Teilchens bekannt. Es gibt Hinweise auf die Existenz mehrerer Bosonen, aber diese Idee muss weiter untersucht werden.
Zwei Jahre nachdem CERN die Entdeckung des Teilchens bekannt gegeben hatte, konnten Wissenschaftler, die am Large Hadron Collider arbeiteten, dies bestätigen. Einerseits war dies ein riesiger Sieg für die Wissenschaft, andererseits waren viele Wissenschaftler enttäuscht. Wenn irgendjemand gehofft hatte, dass das Higgs-Boson das Teilchen sein würde, das zu seltsamen und wunderbaren Regionen jenseits des Standardmodells führen würde – Supersymmetrie, dunkle Materie, dunkle Energie – dann stellte sich leider heraus, dass dies nicht der Fall war.
Eine in Nature Physics veröffentlichte Studie hat den Zerfall in Fermionen bestätigt. Das Standardmodell sagt vereinfacht gesagt das Boson vorausDas Higgs ist das Teilchen, das den Fermionen ihre Masse verleiht. Der Detektor des CMS-Colliders bestätigte schließlich ihren Zerfall in Fermionen – Down-Quarks und Tau-Leptonen.
Higgs-Boson in einfachen Worten: Was ist das?
Diese Studie hat endlich bestätigt, dass dies das vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagte Higgs-Boson ist. Es befindet sich im Masse-Energie-Bereich von 125 GeV, hat keinen Spin und kann in viele leichtere Elemente zerfallen - Photonenpaare, Fermionen usw. Dank dessen können wir zuversichtlich sagen, dass das Higgs-Boson vereinfacht gesagt ist ein Teilchen, das allem Masse verleiht.
Enttäuscht vom Standardverh alten eines neu geöffneten Elements. Wenn sein Zerfall auch nur geringfügig anders wäre, würde es anders mit Fermionen zusammenhängen, und neue Wege der Forschung würden entstehen. Auf der anderen Seite bedeutet dies, dass wir keinen einzigen Schritt über das Standardmodell hinausgekommen sind, das Schwerkraft, dunkle Energie, dunkle Materie und andere bizarre Phänomene der Realität nicht berücksichtigt.
Jetzt kann man nur noch raten, was sie verursacht hat. Die populärste Theorie ist die Supersymmetrie, die besagt, dass jedes Teilchen im Standardmodell einen unglaublich schweren Superpartner hat (und somit 23 % des Universums ausmacht – dunkle Materie). Die Aufrüstung des Colliders, die Verdopplung seiner Kollisionsenergie auf 13 TeV, wird es wahrscheinlich ermöglichen, diese Superteilchen zu entdecken. Andernfalls muss die Supersymmetrie auf den Bau eines leistungsfähigeren LHC-Nachfolgers warten.
Weitere Interessenten
Also, wie wird die Physik nach dem Higgs-Boson aussehen? Der LHC hat kürzlich seine Arbeit mit erheblichen Verbesserungen wieder aufgenommen und kann alles von Antimaterie bis zu dunkler Energie sehen. Es wird angenommen, dass dunkle Materie mit gewöhnlicher Materie ausschließlich durch die Schwerkraft und durch die Erzeugung von Masse interagiert, und die Bedeutung des Higgs-Bosons ist der Schlüssel zum genauen Verständnis, wie dies geschieht. Der Hauptnachteil des Standardmodells besteht darin, dass es die Auswirkungen der Schwerkraft nicht erklären kann – ein solches Modell könnte als Grand Unified Theory bezeichnet werden – und einige glauben, dass das Teilchen und das Higgs-Feld die Brücke sein könnten, nach der die Physiker so verzweifelt suchen.
Die Existenz des Higgs-Bosons wurde bestätigt, aber sein vollständiges Verständnis ist noch sehr weit entfernt. Werden zukünftige Experimente die Supersymmetrie und die Idee ihrer Zersetzung in dunkle Materie selbst widerlegen? Oder werden sie die Vorhersagen des Standardmodells über die Eigenschaften des Higgs-Bosons bis ins letzte Detail bestätigen und dieses Forschungsgebiet für immer beenden?
