Worauf freuen sich die Teilchenphysiker nach der Entdeckung des Higgs-Bosons noch?

Vor zehn Jahren, am 4. Juli 2012, gab die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt. Diese Grundsubstanz, die allgemein als „Gottesteilchen“ bekannt ist, hatte enorme Auswirkungen auf die Wissenschaft und die Öffentlichkeit – ihre endgültige Entdeckung bestätigte die theoretischen Vorhersagen von vor 60 Jahren und galt als Schließung der letzten Lücke im Standardmodell der Teilchenphysik. Darüber hinaus machte es in den Medien weltweit Schlagzeilen und verkündete einen weiteren Sieg für die Grundlagenphysik. Die Unvollkommenheit des Standardmodells hat jedoch viele Fragen unbeantwortet gelassen. Im vergangenen Jahrzehnt ist den Teilchenphysikern ein solcher Erfolg noch nicht wieder gelungen, sie haben lediglich einige „Risse“ erlebt. Weitere Antworten erwarten sie noch vom Higgs-Boson.

Geschrieben von Qu Lijian

Am 4. Juli 2012 versammelten sich Teilchenphysiker bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), um sich einen außergewöhnlichen wissenschaftlichen Bericht anzuhören – einen Bericht über die experimentellen Ergebnisse der Entdeckung des Higgs-Bosons. Als die experimentellen Ergebnisse auf den Folien präsentiert wurden, brach im Saal tosender Applaus aus. Die Teilnehmer schienen das Higgs-Feld in ihren aufgeregten Herzen zu spüren. Sie fühlten sich plötzlich bedrückt und aufgeregt, weil sie an der Gestaltung eines solch historischen Moments teilhaben konnten.

Wissenschaftler jubelten lautstark im akademischen Hörsaal des CERN

Außerhalb des Geschehens wurden Teilchenphysiker auf der ganzen Welt per Live-Videoübertragung Zeugen dieses Augenblicks.

Physiker des Deutschen Elektronenforschungszentrums Hamburg verfolgen den Livestream

Physiker am Fermilab in den USA verzichteten auf ihren Unabhängigkeitstag und sahen sich die Live-Übertragung um Mitternacht an.

Nicht nur Wissenschaftler sind von dieser rein wissenschaftlichen Entdeckung begeistert, sondern auch die breite Öffentlichkeit.

Öffentliche Reaktion

Nach dem Vortrag hielt CERN eine Pressekonferenz ab, um diese Neuigkeit aus dem Bereich der reinen Physik der Öffentlichkeit bekannt zu geben, und die großen Zeitungen berichteten auf den Titelseiten darüber. Auch andere Medien griffen das Thema auf. Die Verlage brachten eine Vielzahl von populärwissenschaftlichen Büchern zu diesem Thema auf den Markt, von denen viele auf den Bestsellerlisten landeten. Fernsehsender luden Wissenschaftler aus allen Gesellschaftsschichten ins Studio ein, um Fragen zu beantworten und Zweifel des Publikums auszuräumen, und viele entsprechende Dokumentationen wurden auf großen und kleinen Bildschirmen ausgestrahlt.

CERN sammelte Berichte aus großen Zeitungen weltweit über die Entdeckung des Higgs-Bosons

Das Higgs-Boson wurde zum heißesten öffentlichen Thema des Jahres, wobei sich Wissenschaft und Populärwissenschaft gegenseitig ergänzten. Im folgenden Jahr erhielten die beiden Befürworter der Higgs-Boson-Theorie, der britische Physiker Peter Higgs und der belgische Physiker François Englert, gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Bringen Sie das Fest der „Gottesteilchen“ noch einmal an die Öffentlichkeit.

Warum gibt es solch einen großen Anlass? Dies hat viel mit der „Auslegung“ und Vorverlegung durch Wissenschaftler und populärwissenschaftliche Autoren vor vielen Jahren zu tun.

Bereits 1993 veröffentlichten der Nobelpreisträger Leon Lederman und seine Co-Autoren das populärwissenschaftliche Buch „Das Gottesteilchen“, das dafür sorgte, dass immer dann, wenn über das Higgs-Boson gesprochen wurde, auch das Gottesteilchen erwähnt wurde.

Das Gottesteilchen, Erstausgabe, 1993

Chinesische Version von God Particle, 2003

Es gab einen weiteren Vorfall, der die Fantasie der Öffentlichkeit beflügelte.

Im Jahr 1993 rief der britische Wissenschaftsminister zur besten öffentlichen Erklärung des Higgs-Feldes und des Higgs-Bosons auf und bot als Belohnung eine Flasche Champagner an. Am Ende gewann Professor David Miller vom University College London die Flasche Champagner. Professor Miller verglich das Higgs-Feld mit einer Gruppe von Cocktailparty-Gästen, die Schulter an Schulter stehen. Ein gewöhnlicher Mensch kann sich leicht durch die Menge bewegen, aber wenn ein hohes Tier vorbeikommt, versammeln sich die Leute sofort um ihn, und für das hohe Tier wird es schwierig, sich durch die Menge zu bewegen. Die Wechselwirkung zwischen dem Higgs-Feld und Teilchen ist ähnlich: Teilchen werden vom Higgs-Feld angezogen und verlangsamen ihre eigene Reisegeschwindigkeit. Je stärker die Reduktion, desto größer ist die Masse, die das Teilchen durch das Higgs-Feld erhält.

Das Higgs-Feld kann mit Cocktailparty-Gästen verglichen werden

Diese Analogie kann bei normalen Menschen das Gefühl hervorrufen, dass auch sie den Higgs-Mechanismus verstehen.

Diese Faktoren können jedoch nur die Begeisterung der Menschen im Westen für das Higgs-Boson erklären, nicht aber die Begeisterung der Menschen in anderen Teilen der Welt – wie etwa China – für wissenschaftliche Neuigkeiten im Zusammenhang mit der Entdeckung des Higgs-Bosons. Schließlich ist die chinesische Version von „Das Gottesteilchen“ kein Bestseller, die Leute essen auf Cocktailpartys keine Spieße und sie interessieren sich nicht für „Gott“. Dies zeigt eines: Die Neugier und Begeisterung der Öffentlichkeit für die Grundlagenforschung übersteigt unsere Stereotypen.

Die Forschung zum Higgs-Boson hat sowohl in der Wissenschaft als auch in der Öffentlichkeit ihren Höhepunkt erreicht. Ist dies das Ende der entsprechenden Forschung?

Nicht wirklich.

Die Erforschung des Higgs-Bosons gleicht einer Schatzsuche. Das Wissen über das Higgs-Teilchen zu erlangen, bedeutet, den Schatz zu finden, aber der Schatz wurde noch nicht ausgegraben. Im letzten Jahrzehnt haben die Teilchenphysiker ihre Schatzsuche fortgesetzt und dabei ihre anfängliche Begeisterung bewahrt. Der Schatz, den die Teilchenphysiker zu heben hoffen, kann einige Probleme lösen, auf die das Standardmodell keine Standardantworten geben kann, beispielsweise die Frage: Was ist dunkle Materie? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? Wie ist das Universum entstanden und was ist sein Schicksal?

Teilchen im Standardmodell. Der violette Teil sind Quarks. Quarks haben 6 Geschmacksrichtungen, jede Geschmacksrichtung hat 3 Farben und jedes Quark hat ein Antiquark, also insgesamt 36 Quarks. Der grüne Teil ist ein Lepton. Leptonen haben 6 Geschmacksrichtungen, sind farblos und haben Antiteilchen, sodass es insgesamt 12 Arten von Leptonen gibt. Im Bild sind Quarks und Leptonen in drei Spalten angeordnet, wobei jede Spalte eine Materiegeneration darstellt. Die Spalte rechts von Quarks und Leptonen sind die Eichbosonen, von denen Gluonen 8 Farben und keine Antiteilchen haben, Photonen und Z-Bosonen jeweils nur eine und W-Bosonen Antiteilchen haben, also insgesamt 2 Farben. Das Teilchen ganz rechts ist das Higgs-Boson, von dem es nur eines gibt. Das Standardmodell enthält 61 Elementarteilchen

Mal sehen, welche großen Neuigkeiten es in Zukunft geben wird.

Kupplung

Das Higgs-Teilchen verleiht anderen Teilchen Masse durch seine Wechselwirkung mit Teilchen, die Physiker als „Kopplung“ bezeichnen. Unterschiedliche Kopplungsstärken verleihen den Partikeln unterschiedliche Massen. Beispielsweise stimmen alle Messungen bisher mit dem Standardmodell überein, was für die Physiker eher Verwirrung als Trost bedeutet. Warum haben Teilchen die Masse, die sie haben?

Die Werte der Teilchenmassen im Standardmodell werden von Physikern sorgfältig festgelegt und nicht aus der Theorie abgeleitet. Die Teilchenphysik ist ein sehr anspruchsvolles Forschungsgebiet, dessen Ziel es ist, die grundlegendsten Gesetze aufzudecken, die die Funktionsweise der Welt bestimmen, und eine Theorie von allem zu entwickeln. Ist es nicht ironisch, dass die wichtigen Parameter sorgfältig ausgewählt werden? Genauso wie Sie eine Theorie der Schwerkraft entwickeln würden: Äpfel, Himmelskörper und Menschen unterliegen jeweils unterschiedlichen Anziehungsregeln. Dies ist keine Theorie der universellen Gravitation, sondern eine einzigartige Theorie der Gravitation.

Lassen Sie uns am Beispiel von Elektronen, Tauonen und Myonen über die Fragen sprechen, die Physiker beschäftigen.

Im Standardmodell unterscheiden sich diese drei Teilchen lediglich in ihrer Masse, was bedeutet, dass ihre Kopplung an das Higgs-Teilchen unterschiedlich stark ist. Einige Physiker spekulieren, dass die Teilchen eine tiefere Struktur haben und dass detaillierte Messungen der Kopplung zwischen dem Higgs-Teilchen und anderen Teilchen Ergebnisse liefern werden, die sich mit dem Standardmodell nicht erklären lassen. Auf Grundlage dieser Hinweise können dann grundlegendere Theorien entwickelt werden.

Die experimentelle Methode zur Messung der Kopplung besteht in der Beobachtung der Entstehung und des Zerfalls von Higgs-Teilchen.

Als das Higgs-Teilchen entdeckt wurde, wurde die Kopplung zwischen dem Higgs-Teilchen und anderen Bosonen bestimmt. Im Jahr 2016 wurde die Kopplung zwischen dem Higgs-Boson und dem Tau-Boson experimentell bestätigt. Keines dieser Experimente führte zu unerwarteten Ergebnissen.

Allerdings ist die Hoffnung nicht völlig verloren.

Im Jahr 2018 konnten Physiker die Kopplung von Top-Quarks, Anti-Top-Quarks und dem Higgs-Teilchen experimentell nachweisen. Das Top-Quark ist das schwerste Elementarteilchen und hat die stärkste Kopplung zum Higgs-Teilchen. Hier sind deutliche Abweichungen vom Standardmodell wahrscheinlicher. Leider brachten die Ergebnisse des Experiments von 2018 erneut keine Überraschungen.

Das nervt.

Es gibt keine unerwarteten Ergebnisse. Ein möglicher Grund hierfür ist, dass der Fehler in den experimentellen Ergebnissen noch relativ groß ist. Wenn die experimentelle Genauigkeit verbessert wird, werden möglicherweise unerwartete Phänomene entdeckt.

Allerdings haben die experimentellen Ergebnisse auch dazu geführt, dass Physiker zunehmend davon überzeugt sind, dass eine kühne Idee sehr glaubwürdig ist: Es könnte mehr als eine Art von Higgs-Teilchen geben, oder es könnte eine innere Struktur haben.

Einzelnes Teilchen

Teilchenphysiker haben eine besonders vielversprechende Lösung für die Mängel des Standardmodells: Supersymmetrie. In supersymmetrischen Theorien hat jedes Teilchen ein Partnerteilchen. Vor der Inbetriebnahme des LHC hofften die Physiker, dass der LHC in der Lage sein würde, ein solches Partnerteilchen zu entdecken. Bisher wurde jedoch nichts erreicht. Obwohl die Supersymmetrietheorie nicht völlig ausgeschlossen wurde, besteht für sie nicht mehr viel Hoffnung.

Es gibt neben dem Standardmodell noch weitere Theorien als nur die Supersymmetrie, und es ist noch nicht klar, welche Theorie die besten Erfolgschancen hat. Physiker hoffen, dass die Messung der Eigenschaften des Higgs-Teilchens Erkenntnisse über das Standardmodell hinaus liefert und den Weg zu neuer Physik weist.

Eine Eigenschaft des Higgs-Teilchens, die Physiker untersuchen, ist, ob es einzigartig ist.

Das Higgs-Teilchen scheint einsam

Während andere Elementarteilchen einen Spin haben, hat das Higgs-Teilchen den Spin Null. Bosonen mit Spin Null werden „Skalarteilchen“ genannt.

Andere Teilchen haben nahe Verwandte. Sollte das Higgs-Boson also nicht auch einen skalaren Verwandten haben? Die Supersymmetrie sowie einige andere Theorien sagen die Existenz mehrerer Higgs-Teilchen voraus. Einige Teilchenphysiker spekulieren, dass das Higgs-Boson möglicherweise nur das erste Skalarteilchen ist, das wir entdeckt haben, und dass es vielleicht eine ganze Familie von Skalarteilchen gibt, die darauf wartet, von uns entdeckt zu werden.

Es ist auch möglich, dass das Higgs-Teilchen kein Elementarteilchen ist, sondern aus mehreren Elementarteilchen besteht. Einige Teilchen können sich zu Teilchen mit Nullspin verbinden, wie etwa das Alphateilchen, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, oder das Pion, das aus Quarkteilchen besteht.

Einige der rätselhaftesten neueren experimentellen Ergebnisse in der Teilchenphysik könnten mit den Eigenschaften des Higgs-Teilchens zusammenhängen.

Im Jahr 2021 berichtete Fermilab über experimentelle Ergebnisse zu den magnetischen Eigenschaften von Myonen, die nicht mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmten. Im April 2022 berichtete Fermilab, dass die Masse des W-Bosons größer ist als vom Standardmodell vorhergesagt.

Die Antworten auf diese schwierigen Fragen könnten im Higgs-Boson liegen. Es ist das zuletzt entdeckte Teilchen im Standardmodell, das am wenigsten erforschte Teilchen und unsere Hoffnung, die letzten Geheimnisse der materiellen Welt zu lüften.

Selbstkupplung

Interagiert das Higgs-Teilchen mit sich selbst, ist es also selbstgekoppelt?

Die Selbstkopplung des Higgs-Teilchens wurde bisher noch nicht experimentell gemessen. Theoretische Physiker freuen sich auf entsprechende Messungen und glauben, dass diese zu neuer Physik führen werden.

Die Higgs-Selbstkopplung ist eng mit dem Higgs-Potenzial verbunden. Das Higgs-Potenzial ist eine Funktion, die die Energie des Higgs-Feldes beschreibt. Der Graph dieser Funktion sieht aus wie ein Hut mit gerollter Krempe, auch als Mexikanischer Hut bekannt.

Das Higgs-Potenzial hat die Form eines mexikanischen Hutes. In den frühen Tagen des Universums befand sich das Universum oben auf dem Hut und entwickelte sich dann langsam in die Rille der Krempe. Bei diesem Vorgang gewann jedes Elementarteilchen an Masse.

Im frühen Universum, als das Higgs-Feld erstmals erzeugt wurde, bestimmte das Higgs-Potenzial, wie Elementarteilchen Masse erlangten. Die Untersuchung, wie Teilchen von masselos zu massereich werden, hilft zu verstehen, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Welche Rolle spielte das Higgs-Feld in der Frühzeit des Universums? Die Antwort liegt im Higgs-Potenzial.

Gemäß dem Standardmodell kann das Ergebnis der Näherung erster Ordnung des Higgs-Potenzials durch die Massen des Higgs-Teilchens und des Top-Quarks bestimmt werden. Den aktuellen Ergebnissen zufolge erreichte das Universum vor Milliarden von Jahren eher einen lokalen als einen globalen Minimumpunkt des Higgs-Potenzials, was bedeutet, dass das Universum metastabil ist. in der Zukunft wird das Universum einen weiteren kleineren Minimumpunkt erreichen, das heißt, es wird ein Phasenübergang stattfinden, und die Masse der Elementarteilchen wird sich entsprechend ändern, und das Universum, das wir jetzt kennen, wird völlig unkenntlich sein.

Allerdings besteht jetzt kein Grund, pessimistisch zu sein. Einige Theorien jenseits des Standardmodells sagen bestimmte Teilchen und ihre Wechselwirkungen voraus, die dem Higgs-Feld ein anderes Aussehen verleihen und das Schicksal des Universums retten.

Die Stabilität des Universums wird durch das Standardmodell erreicht. Der schwarze Punkt in der Mitte ist das aktuelle Messergebnis und die Flächen der drei Ellipsen entsprechen jeweils 1, 2 und 3 Standardabweichungen.

Ein wichtiger Hinweis zum Verständnis der Vergangenheit und Zukunft des Universums liegt im Higgs-Potenzial. Experimente zur Selbstkopplung von Higgs-Teilchen werden uns ein genaueres Verständnis des Higgs-Potenzials ermöglichen.

Um das Experiment zur Selbstkopplung von Higgs-Teilchen durchzuführen, müssen Paare von Higgs-Teilchen erzeugt werden. Im LHC sind 1.000 einzelne Higgs-Teilchen erforderlich, um ein einzelnes Higgs-Teilchenpaar zu erzeugen. Selbstkopplungsexperimente sind äußerst schwierig.

Der LHC wird zum High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) aufgerüstet, die Datenmenge erhöht sich dadurch jedoch nur um das Zehnfache. Bei Selbstkopplungsexperimenten ist der Fehler immer noch groß, es ist jedoch möglich, einige damit verbundene Phänomene hervorzurufen.

Die Hochenergiephysik-Gemeinschaft drängt auf leistungsfähigere Collider-Projekte, wie etwa den Circular Electron Positron Collider (CEPC) in China, den International Linear Collider (ILC) in Japan, den Future Circular Collider (FCC) in Europa und den Compact Linear Collider (CLIC). Wenn es gelingt, einen dieser Kollider zu bauen, wird er in der Lage sein, die Eigenschaften des Higgs-Bosons und anderer Teilchen im Detail zu messen und möglicherweise Hinweise auf neue physikalische Phänomene jenseits des Standardmodells zu finden.

Es wird mindestens zehn Jahre dauern, bis eines davon fertiggestellt ist.

Schematische Darstellung der Standortwahl und Größe des zukünftigen Ringkolliders

Das ist Teilchenphysik, die nicht nur Einfallsreichtum und Geld, sondern auch Geduld erfordert.

Verweise

https://www.sciencenews.org/article/higgs-boson-particle-physics-standard-model-discovery-anniversary

https://www.symmetrymagazine.org/article/fünf-mysteries-the-standard-model-cant-explain

https://www.symmetrymagazine.org/article/four-things-physicists-still-wonder-about-the-higgs-boson

https://www.quantamagazine.org/the-physics-still-hiding-in-the-higgs-boson-20190304/

https://home.cern/science/physics/higgs-boson/ten-years

https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.4.20220630b/full/

Produziert von: Science Popularization China

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