Steht das Gebäude der Teilchenphysik wirklich kurz vor dem Einsturz? Das Science-Magazin enthüllt die größten Fortschritte der Physik der letzten Jahrzehnte

Am 7. April 2022 brachte der Titelartikel des Magazins Science eine große Neuigkeit, die die Physik-Community schockierte. In dem von fast 400 Wissenschaftlern gemeinsam verfassten Artikel heißt es, dass sie beispiellose hochpräzise Messungen der Masse des W-Bosons durchgeführt und festgestellt hätten, dass der gemessene Wert fast 0,1 Prozent höher sei als der vorhergesagte Wert des Standardmodells der Teilchenphysik. Dieser Unterschied mag sehr gering erscheinen, doch seine Bedeutung im System der Teilchenphysik ist äußerst groß. Sobald dieser Messwert bestätigt ist, könnte dies den Beginn einer neuen Ära der Physik bedeuten und die Grenzen der menschlichen Wahrnehmung der materiellen Welt dürften einen revolutionären Durchbruch erfahren.

(Quelle: Screenshot von der offiziellen Website von Science)

Die meisten Forschungsergebnisse der Teilchenphysik sind für normale Menschen wie uns nicht verständlich. Eine seiner größten Errungenschaften ist bislang die Etablierung des Standardmodells der Teilchenphysik. Was also genau besagt dieses Standardmodell? Ist es möglich, es anhand von Konzepten aus dem wirklichen Leben zu verstehen? Wie ist diese „große Neuigkeit“ aus der Perspektive des Standardmodells der Teilchenphysik zu verstehen?

Zunächst müssen wir zugeben, dass das Standardmodell die komplexeste und am schwierigsten zu verstehende physikalische Theorie in der Menschheitsgeschichte ist, wenn nicht sogar die einzige. Selbst wenn es sich um eine Beschreibung in Wikipedia oder der Baidu-Enzyklopädie handelt, verstehen normale Menschen möglicherweise kein einziges Wort. Damit jeder etwas Wissen „mitnehmen“ kann, können wir euch die Teilchenphysik und grundlegende Modelle möglichst nur anschaulich und bildlich näherbringen.

Welche Probleme will die Teilchenphysik lösen?

Die Teilchenphysik untersucht die Elementarteilchen, aus denen Materie besteht, und wie sie interagieren. Viele Strahlenarten (wie Elektronenstrahlen, Neutrinostrahlen usw.) können, obwohl sie für das bloße Auge unsichtbar sind, dennoch verschiedene Auswirkungen und Wechselwirkungen mit anderen materiellen oder immateriellen Substanzen haben. Tatsächlich gehören sie zur Kategorie der Materie im weiteren Sinne und fallen daher auch in den Forschungsbereich der Teilchenphysik.

Da viele Elementarteilchen in der Natur weder stabil existieren noch isoliert auftreten können, können Physiker sie nur mit Hilfe von Hochenergie-Teilchenbeschleunigern miteinander kollidieren lassen, sodass sie im Beobachtungsfeld erscheinen und dann untersucht werden können. Daher wird die Teilchenphysik auch Hochenergiephysik genannt. Die Frage ist also: Welche Antworten erhoffen sich die Wissenschaftler von der Teilchenphysikforschung, deren Durchführung enorme Summen an Geld kostet?

Der TeraelectronVolt-Beschleuniger (links) und der Large Hadron Collider (rechts)

(Quelle: Wikipedia „Teilchenbeschleuniger“)

Es gibt zwei Hauptfragen, die die Teilchenphysik beantworten möchte. Die erste Frage ist, woraus Materie besteht, und die zweite Frage ist, wie Materie miteinander interagiert. Die Materie umfasst hier die riesige materielle Welt von den kosmischen Sternen bis zum Inneren der Atome, und die Wirkungsformen umfassen auch die vier Grundkräfte: starke Kraft, schwache Kraft, elektromagnetische Kraft und Schwerkraft.

Mit anderen Worten: Die Teilchenphysik widmet sich der Suche nach Antworten auf eine Reihe grundlegender Fragen über die physikalische Welt. Es ist vielleicht nicht wie bei vielen angewandten Wissenschaften, die schnell einen Konvergenzpunkt mit dem täglichen Leben finden und der Menschheit schnell Nutzen bringen können. Doch die Teilchenphysik legt die Grenzen der menschlichen Sicht beim Verständnis der objektiven Welt fest und bestimmt tatsächlich auch die Obergrenze dessen, was das technologische Niveau des Menschen erreichen kann. Auch wenn es „nutzlos“ erscheint, können Sie die Regeln nur anwenden, wenn Sie sie zuerst verstehen. Genau wie beim Erlernen einer Fremdsprache kann man nie Wörter aussprechen, die einem vorher noch nie begegnet sind. Erkundung und Verständnis sind die Voraussetzungen für die Anwendung.

Was ist das Standardmodell der Teilchenphysik?

Nach mehr als 100 Jahren harter Arbeit der Physiker ist das menschliche Verständnis tief in den Atomkern vorgedrungen und hat sogar die Protonen und Neutronen, aus denen der Atomkern besteht, in einfachere Teilchen zerlegt. Darüber hinaus hat der Mensch entdeckt, dass die Wirkungsweisen der vier Grundkräfte tatsächlich mit bestimmten Medienpartikeln zusammenhängen, die diese Effekte übertragen. Beispielsweise ist die elektromagnetische Kraft eng mit Photonen verwandt. Das ist, als ob zwei Menschen, die keinen direkten Kontakt haben, die Kraft des anderen spüren, indem sie sich gegenseitig einen kleinen Ball zuwerfen.

Am Ende erhielten die Wissenschaftler eine riesige Familie aus Elementarteilchen, indem sie die Teilchen, aus denen die Materie besteht, unterteilten und nach verschiedenen Teilchen suchten, die für die Kraftübertragung zwischen Kräften verantwortlich sind. Der Stammbaum dieser Familie wird als Standardmodell der Teilchenphysik bezeichnet.

Die Grundteilchen des Standardmodells werden in zwei Haupttypen unterteilt: Quarks und Leptonen, die für die Zusammensetzung der Materie verantwortlich sind, und Mediatoren, die für die Übertragung von Wechselwirkungen zuständig sind. Diese Elementarteilchen haben auch ihre eigenen Eigenschaften, wie Masse, Ladung, Spin, Flavour, Farbe usw., was manchmal dazu führt, dass dieselbe Art von Elementarteilchen in mehrere Arten unterteilt wird. Beispielsweise gibt es sechs Arten von Quarks, jede Art von Quark ist in drei Farben unterteilt, plus positive und negative, insgesamt gibt es 36 Quarks. Letztendlich enthält das aktuelle Standardmodell 61 Elementarteilchen.

Das Standardmodell der Teilchenphysik

(Quelle: Wikipedia „Standardmodell“)

Sie werden auf jeden Fall spüren, dass das Standardmodell völlig anders ist als Ihre Vorstellung von der Physik. Die Physik ist in Ihrem Eindruck einfach und elegant, während das Standardmodell ein Gefühl von „erzwungener Trauer um neuer Wörter willen“ vermittelt. Tatsächlich herrschte auch bei vielen Wissenschaftlern zu Beginn eine solche Verwirrung. Wenn es beim Bau des Standardmodells darum geht, den Elementarteilchen ein Haus zu bauen, bestand der ursprüngliche Plan der Wissenschaftler eigentlich darin, eine Jurte zu bauen. Später stellten sie fest, dass sie ein Hofhaus bauen mussten. Später stellten sie fest, dass es nicht genügend Zimmer gab und waren gezwungen, kleine Wohnungen zu bauen. Am Ende bauten sie unwissentlich einen Wolkenkratzer.

Das Erstaunlichste aber ist, dass das Standardmodell, obwohl es sich bei seiner Entwicklung um einen Prozess von Versuch und Irrtum handelte, bislang die elektromagnetische Kraft, die starke Kraft und die schwache Kraft perfekt vereint hat und dass im Laufe der Zeit auch viele neue Teilchen entdeckt wurden, die es vorhergesagt hatte. Wir können den Bau eines Gebäudes als Analogie verwenden, um diesen Prozess zu erklären. Am Anfang hatte niemand eine Idee, wie das Gebäude gebaut werden sollte, und alle haben im Laufe der Zeit darüber nachgedacht. Manche meinen, wir sollten hier noch ein Stockwerk hinzufügen, andere meinen, wir sollten hier ein paar Räume stehen lassen. Unerwarteterweise war das Zimmer am Ende genau richtig und die Gäste waren zufrieden.

Bis zur Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 waren alle 61 Räume des aktuellen Standardmodells der Teilchenphysik belegt. Beim Bau dieses Gebäudes waren zahlreiche Wissenschaftler maßgeblich beteiligt und Dutzende Nobelpreisträger stehen in direktem Zusammenhang mit dem Gebäude. Sie leisteten entweder herausragende Beiträge bei der Suche nach „Gästen“, wie beispielsweise Ting Zhaozhong, der als Erster in Experimenten das schwere Flavour-Quark Charm-Quark c entdeckte; oder sie äußerten vernünftige Meinungen und Vorschläge zum „Bauplan des Gebäudes“, wie etwa Higgs, der das Higgs-Boson theoretisch vorhersagte, indem er den Higgs-Mechanismus konstruierte.

Wie kann man „Journey to the West“ zum Vergleich des Standardmodells verwenden?

Wenn Sie das Standardmodell immer noch nicht verstehen, lassen Sie es uns anhand des Beispiels „Die Reise nach Westen“ erklären. In der Welt von „Die Reise nach Westen“ herrschen der Drachenkönig und der Landgott über die Berge, Flüsse und Ozeane, Geister und Monster bringen Unheil über ihre jeweiligen Orte, die Götter im Himmel sind sorglos, Buddha rettet im Westen alle Lebewesen und der König der Hölle führt heimlich und sorgfältig im Untergrund das Buch von Leben und Tod.

Wenn Sie wissen möchten, was sie verbindet, dann sind es die vier Menschen und ein Pferd auf der Reise in den Westen. Wenn das Standardmodell „Die Reise nach Westen“ ist, dann besteht jede Kraft darin aus mehreren Mitgliedern. Beispielsweise sind verschiedene Quarks wie der Kleine Diamantwind, der Weiße Knochendämon und der Jadegesichtige Fuchs zusammen als Dämonen und Monster bekannt. und die vierköpfige Pilgergruppe kann mit dem Himmel und der Unterwelt kommunizieren, sodass sie die Rolle von Erdhörnchen spielen.

Was genau ist die „große Neuigkeit“?

Nachdem wir nun ein allgemeines Verständnis des Standardmodells haben, wollen wir einen Blick auf die wichtigsten Entdeckungen werfen, die die Welt der Physik „schockiert“ haben.

Das W-Boson nimmt im Standardmodell eine sehr zentrale Position ein und seit seiner Beobachtung im Jahr 1983 versuchen Wissenschaftler, seine Masse mit der höchstmöglichen Präzision zu bestimmen. Tatsächlich haben alle bisherigen experimentellen Ergebnisse W-Boson-Massen ergeben, die in hohem Maße mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmen, was auch einer der entscheidenden Beweise für die Richtigkeit des Standardmodells ist.

Aber in den neuesten Messungen beträgt die Masse des W-Bosons 80433,5±9 MeV (CDF Ⅱ in der unteren rechten Ecke der Abbildung unten), während der zuvor vom Standardmodell vorhergesagte Wert 80357 MeV beträgt (graue Spalte in der Abbildung). Interessanterweise stellten die Daten aus dieser Messung die Schlussfolgerung auf den Kopf, die 2012 am selben Beschleuniger gezogen wurde (der blaue CDF2012 in der unteren Abbildung unten) und verbesserten auch die Genauigkeit einer anderen Messung (CDF I in der oberen Abbildung unten) erheblich. Aufgrund der extrem hohen Präzision und der signifikanten statistischen Unterschiede kann man sagen, dass die Ergebnisse dieser Messung die größte Entdeckung in der Teilchenphysik der letzten drei Jahrzehnte darstellen. Welche Messmethode haben die Wissenschaftler also verwendet und ist sie zuverlässig?

Die Masse des W-Bosons, gemessen anhand experimenteller Daten verschiedener Beschleuniger

(Quelle: Science Magazine)

Die Bestimmung der Masse des W-Bosons ist keine leichte Aufgabe

Das W-Boson wird bei hochenergetischen Kollisionen erzeugt und zerfällt dann schnell. Während seines Zerfalls können Elektronen, Myonen oder Antineutrinos entstehen. Da Neutrinos in den derzeit verwendeten Detektoren keine Reaktion hervorrufen können, scheint es unmöglich, die tatsächliche Menge der produzierten Neutrinos zu kennen.

Normalerweise können wir die Masse von Elementarteilchen durch Messung der Energie und des Impulses der Zerfallsprodukte bestimmen. Da es jedoch unmöglich ist, die von W-Bosonen erzeugten Neutrinoprodukte direkt zu messen, ist die obige klassische Methode nicht anwendbar.

Daher entschieden sich die Wissenschaftler für einen Kompromiss. Anstatt die einzelnen Partikel zu messen, die bei einem einzigen Kollisionsereignis entstehen, haben sie das Gesamtergebnis des gesamten Kollisionsereignisses gemessen. Das heißt, insgesamt sind der Energie- und Impulsverlust den Neutrinos zuzuschreiben und daraus lässt sich dann auf die Masse des W-Bosons schließen.

Allerdings ergeben sich auch gewisse Schwierigkeiten, wenn das gesamte Kollisionsereignis gemessen wird – Teilchendetektoren können sehr kleine Impulsänderungen nicht messen. Allerdings sind die Wissenschaftler zu einem Kompromiss gekommen. Anhand der Impulsverteilung der Teilchen nach der Kollision können sie den Anteil der Teilchen berechnen, deren Impuls nicht gemessen werden kann, und die Impulsmessergebnisse entsprechend korrigieren.

Es ist ersichtlich, dass die genaue Messung der Masse des W-Bosons keine leichte Aufgabe ist. Fast 400 Wissenschaftler brauchten zehn Jahre, um diese Schlussfolgerung schließlich öffentlich zu machen. Insbesondere angesichts der Tatsache, dass die experimentellen Ergebnisse zwangsläufig einen starken Einfluss auf bestehende Theorien haben werden, wurde dieses Papier erst nach wiederholter Überprüfung veröffentlicht.

Die Liste der Autoren des Artikels umfasst eine Seite

(Quelle: Science Magazine)

Wird das Standardmodellgebäude wirklich zusammenbrechen?

Einer der am Projekt beteiligten Forscher sagte: „Die von uns verwendete Methode ist definitiv richtig … aber ein so großer Unterschied kann nur bedeuten, dass es in der Natur etwas Neues gibt, das nicht durch das ursprüngliche Standardmodell abgedeckt ist.“ Wie also sollen wir seine Worte anhand der Analogie des Hausbaus verstehen?

Zunächst müssen wir zugeben, dass das Standardmodell nicht perfekt ist. Es gibt noch immer viele unbeantwortete Fragen, etwa zur Natur der Schwerkraft, zu den Geheimnissen der dunklen Materie und der dunklen Energie im Universum und so weiter. Dies zeigt, dass das Standardmodellgebäude noch erweitert werden muss und dass einige Bewohner, die einziehen sollten, obdachlos sind, sich außerhalb des Gebäudes aussperren und keine eigenen Zimmer finden können.

Die Position des Standardmodells der Teilchenphysik im System der Physik

(Quelle: Wikipedia „Die Welttheorie“)

Zweitens glauben wir, dass das bisherige Standardmodell noch immer ausreichend selbstkonsistent ist. Wie bereits erwähnt, hat der Bau des Gebäudes zwar Jahrzehnte gedauert, das Endergebnis ist jedoch immer noch perfekt. Ob aus der Perspektive der „61 Bewohner“ oder der „Bausubstanz“ selbst: Es stimmt alles, und die Bewohner kommen harmonisch miteinander aus.

Diese neue Entdeckung erinnert uns jedoch daran, dass die Registrierungsinformationen eines „Einwohners“ nicht mit der tatsächlichen Situation übereinzustimmen scheinen. Wir wissen noch nicht, ob es ein Problem mit der Gestaltung des Zimmers oder der Existenz einiger „mysteriöser neuer Bewohner“ gibt. Natürlich ist es nicht unmöglich, dass mit den Versuchsergebnissen selbst etwas nicht stimmt. Derzeit liegt die Priorität darauf, Daten anderer Beschleuniger zu verwenden, um eine unabhängige Überprüfung durchzuführen.

Wenn die Richtigkeit der Schlussfolgerungen dieses Experiments bewiesen wird, müssen ähnliche Vorhersagen der Standardmodelltheorie, wie etwa die Masse des Z-Bosons, der Weinberg-Winkel, die Masse des Top-Quarks und die Masse des Higgs-Bosons, mit weiteren hochpräzisen Methoden überprüft werden. Sobald es tatsächlich eine generelle Abweichung zwischen den gemessenen Daten und den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells gibt, muss das bestehende Standardmodell möglicherweise überarbeitet werden.

In diesem Sinne ist diese Leistung auf die große Zahl der Experimente zurückzuführen, die in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten auf dem Gebiet der Teilchenphysik durchgeführt wurden, und kann als Höhepunkt der Arbeit zahlloser wissenschaftlicher Forscher angesehen werden. Die „neue Physik“, auf die sich theoretische Physiker seit Jahrzehnten freuen, könnte bald tatsächlich in die Sicht der Menschheit rücken.

(Quelle: Freepik.com)

Quellen:

Eine Herausforderung für das Standardmodell? Die neueste W-Boson-Massenmessung liegt 7 Standardabweichungen über dem theoretischen Wert

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

Hochpräzise Messung der W-Boson-Masse mit dem CDF II-Detektor

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

Die Qualität des W-Bosons ist ...

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

Das W-Boson-Massenexperiment des Fermilab widerspricht der Theorie und erscheint auf dem Cover von Science

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1729525697847274262&wfr=spider&for=pc

Dieser Artikel wurde von Science Popularization China Frontier Technology erstellt, von Zhang Hao produziert und von der China Science Popularization Expo betreut. „Science Popularization China“ ist eine maßgebliche wissenschaftliche Marke, bei der die China Association for Science and Technology und alle Bereiche der Gesellschaft Informationstechnologie zur wissenschaftlichen Kommunikation nutzen.