Der weltgrößte Atomzerstörer könnte erklären, woher die Masse kommt

Heute ist ein guter Tag für die Physik.

Zwei neue Ergebnisse, die heute (4. Juni) veröffentlicht wurden, haben ergeben, dass das Higgs-Boson zusammen mit dem schwersten Teilchen, das jemals entdeckt wurde, auftaucht. Und die Ergebnisse könnten uns helfen, eines der grundlegendsten Probleme der Physik besser zu verstehen - warum Materie Masse hat.

Die Ergebnisse wurden auf der Konferenz Large Hadron Collider Physics 2018 in Bologna, Italien, veröffentlicht. Die Entdeckung wurde unabhängig voneinander durch zwei Experimente (A Toroidal LHC Apparatus oder ATLAS und Compact Muon Solenoid oder CMS) unter Verwendung von Daten durchgeführt, die am Large Hadron Collider (LHC) im CERN-Labor in der Schweiz aufgezeichnet wurden. Diese Ergebnisse stehen der Öffentlichkeit in zwei Artikeln zur Verfügung, von denen einer gerade zur Veröffentlichung eingereicht und einer gerade veröffentlicht wurde.

Jagd nach Masse

Die Jagd nach den Higgs und die Ursprünge der Masse haben eine faszinierende Geschichte. 1964 sagten mehrere Gruppen von Wissenschaftlern, darunter der britische Physiker Peter Higgs und der belgische Physiker Francois Englert, voraus, dass die Masse der fundamentalen subatomaren Teilchen durch Wechselwirkungen mit einem Energiefeld entstanden ist, das heute als Higgs-Feld bezeichnet wird. Das Energiefeld durchdringt das Universum. Teilchen, die mehr mit dem Feld interagieren, sind massiver, während andere wenig mit dem Feld interagieren und einige überhaupt nicht. Eine Konsequenz dieser Vorhersage ist, dass ein subatomares Teilchen namens Higgs-Boson existieren sollte. [6 Implikationen der Suche nach dem Higgs-Boson]

Nach fast 50 Jahren der Suche fanden Forscher am LHC 2012 das Higgs-Boson. Für ihre erfolgreiche Vorhersage teilten sich Higgs und Englert den Nobelpreis für Physik 2013.

Das schwerste bekannte subatomare Grundpartikel ist der Top-Quark, der 1995 in Fermilab westlich von Chicago entdeckt wurde. Es sind sechs Quarks bekannt. Zwei sind stabil und befinden sich im Zentrum von Protonen und Neutronen. Die anderen vier sind instabil und werden nur in Beschleunigern mit großen Teilchen erzeugt. Ein einzelner Top-Quark hat eine Masse, die mit einem Wolframatom vergleichbar ist.

Schwer fassbare Messung

In der heutigen Ankündigung beschrieben Wissenschaftler eine Klasse von Kollisionen, bei denen gleichzeitig mit einem Higgs-Boson ein Top-Quark-Materie / Antimaterie-Paar erzeugt wurde. Diese Kollisionen ermöglichen es Wissenschaftlern, die Wechselwirkungsstärke zwischen Higgs-Bosonen und Top-Quarks direkt zu messen. Da die Wechselwirkung eines Teilchens mit dem Higgs-Feld einem Teilchen seine Masse verleiht und der obere Quark das massereichste grundlegende subatomare Teilchen ist, interagiert das Higgs-Boson am stärksten mit dem oberen Quark. Dementsprechend sind Wechselwirkungen dieser Art ein ideales Labor, um detaillierte Untersuchungen der Ursprünge der Masse durchzuführen.

Diese Messung war besonders schwierig. Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 beinhaltete nur eine Handvoll Kollisionen. Kollisionen, bei denen sowohl Higgs-Bosonen als auch Top-Quarks gleichzeitig erzeugt werden, treten nur bei 1 Prozent der Kollisionen auf, bei denen ein Higgs-Boson erzeugt wird. Wenn man die vielfältigen Möglichkeiten berücksichtigt, mit denen Top-Quarks zerfallen können, erforderte diese Analyse Dutzende unabhängiger Analysen, an denen Hunderte von Forschern beteiligt waren. Die Analysen wurden dann zu einer einzigen Messung zusammengefasst. Dies war eine sehr schwierige Leistung.

Vor dieser Messung war es nicht möglich, die Wechselwirkungsstärke eines Top-Quarks und von Higgs-Bosonen direkt zu messen. Higgs-Bosonen haben eine Masse von 125 GeV (Milliarden Elektronenvolt) und der obere Quark hat eine Masse von 172 GeV. Ein Top-Quark / Antiquark-Paar hat also eine Masse von 344 GeV, was größer ist als die Masse des Higgs-Bosons. Es ist daher für ein Higgs-Boson unmöglich, in ein Top-Quark / Antiquark-Paar zu zerfallen. Stattdessen wird ein Top-Quark / Antiquark-Paar erstellt und eines dieser beiden Partikel emittiert ein Higgs-Boson. Jeder obere Quark zerfällt in drei Teilchen und das Higgs-Boson in zwei Teilchen. Nach dem Zerfall der Partikel befinden sich also acht verschiedene Zerfallsprodukte im Detektor, die korrekt zugeordnet werden müssen. Es ist ein sehr komplexer Datensatz. [Seltsame Quarks und Myonen, oh mein Gott! Die kleinsten zerlegten Partikel der Natur]

Es ist auch eine sehr seltene Art der Interaktion. Wissenschaftler haben etwa eine Billiarde (10 auf 15 Potenzen erhöht) Kollisionen zwischen Protonenpaaren gesiebt, um nur eine Handvoll Kollisionen mit den erforderlichen Eigenschaften zu identifizieren.

Verbleibende Geheimnisse

Während die Entdeckung des Higgs-Bosons und nachfolgende Messungen die Forscher zu der Annahme veranlassen, dass die 1964 erstmals von Higgs und Englert und anderen niedergeschriebene Theorie korrekt ist, bleiben einige bedeutende verbleibende Rätsel offen. Unter ihnen: Warum hat das Higgs-Boson die Masse, die es hat? Und warum gibt es überhaupt ein Higgs-Feld? In erster Linie ist die Tatsache, dass die Higgs-Theorie nicht durch einen tieferen theoretischen Rahmen motiviert ist. Es wird einfach hinzugefügt. In seiner einfachsten Form sagt das Standardmodell (das die führende Theorie subatomarer Wechselwirkungen darstellt) voraus, dass alle grundlegenden subatomaren Teilchen masselos sind. Dies steht in direktem Widerspruch zu Messungen. Die Higgs-Theorie wird wie ein theoretisches Pflaster zum Standardmodell hinzugefügt. Da die Higgs-Theorie die Masse dieser Teilchen erklären kann, wurde die Higgs-Theorie nun im Standardmodell zusammengefasst.

Aber es ist immer noch ein Pflaster, und das ist ein unbefriedigender Zustand. Vielleicht werden wir durch die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Higgs-Bosonen und den Teilchen, mit denen sie am stärksten interagieren, ein Verhalten aufdecken, das auf eine tiefere und erklärendere zugrunde liegende Theorie hinweist.

Darüber hinaus ist der numerische Wert für die Masse des Higgs-Bosons ein Rätsel. Das Higgs-Feld gibt fundamentalen subatomaren Teilchen Masse, einschließlich des Higgs-Bosons selbst. Die Geschichte ist jedoch komplexer. Aufgrund quantenmechanischer Effekte kann sich das Higgs-Boson vorübergehend in andere subatomare Teilchen umwandeln, einschließlich des oberen Quarks. Während sich das Higgs-Boson in diesem umgewandelten Zustand befindet, können diese temporären Teilchen mit dem Higgs-Feld interagieren und dadurch indirekt die Masse des Higgs-Bosons verändern. Wenn diese Effekte berücksichtigt werden, ist die vorhergesagte und gemessene Masse des Higgs-Bosons in wilder Meinungsverschiedenheit. Dies ist ein dringendes Rätsel für die moderne Physik, und hoffentlich werden bessere Messungen der Wechselwirkungen von Higgs-Bosonen Licht in dieses Rätsel bringen.

Obwohl die heutige Ankündigung nur eine geringe Anzahl von Kollisionen beinhaltet, bei denen Top-Quarks und Higgs-Bosonen erzeugt werden, wird es in Zukunft möglich sein, diesen Prozess mit viel größerer Präzision zu untersuchen. Der LHC funktioniert hervorragend, aber bis Ende 2018 wird er nur 3 Prozent der Daten liefern, die er voraussichtlich liefern wird. Ende 2018 wird der LHC für zwei Jahre wegen Upgrades und Renovierungen geschlossen. Im Jahr 2021 wird der Collider den Betrieb bis 2030 mit aller Macht wieder aufnehmen. In diesem Zeitraum rechnen Wissenschaftler mit 30-mal mehr Daten als bis Ende dieses Jahres.

Es ist schwer zu wissen, was wir finden werden. Der LHC und die zugehörigen Detektoren sind außergewöhnliche Technologien, und es ist tatsächlich wahrscheinlich, dass sie noch mehr Daten liefern als vorhergesagt. Mit so vielen Daten ist es durchaus möglich, dass Wissenschaftler ein neues Phänomen aufdecken, das nicht entdeckt wurde, für das wir jedoch die Lehrbücher neu schreiben müssen. Das ist keine Garantie, aber eines ist sicher: Die heutige Ankündigung zeigt einen klaren Weg, um die Ursprünge der Masse besser zu verstehen.

Anmerkung des Herausgebers: Don Lincoln ist Physikforscher am Fermilab. Er ist Autor von "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die Sie umhauen werden" (Johns Hopkins University Press, 2014) und produziert eine Reihe von Videos zum naturwissenschaftlichen Unterricht. Folgen Sie ihm auf Facebook. Die in diesem Kommentar geäußerten Meinungen sind seine.