Higgs-Fieber: Überlaufmenge hört von neuem Partikel (mit Video)

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Anonim

Von Robert Sanders, Universität von Kalifornien - Berkeley

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Weltweite Begeisterung über die mögliche Entdeckung eines neuen fundamentalen Teilchens, des Higgs-Bosons. Am Freitag, dem 13. Juli, wurden Hunderte von Menschen auf den Campus verschüttet - mehr als das Chan Shun Auditorium des Valley Life Sciences Building und ein Überlaufraum fassen konnten - und sie hörten, wie Physiker der Universität von Berkeley den Reifen erklärten.

Ohne den Higgs-Boson „wäre unser Universum gar nicht so, wie es heute ist“, sagte Beate Heinemann der Menge, die von Teenagern bis zu Rentnern reichte. "Das Elektron wäre masselos, wir hätten keine Atome, keine Sterne, keine Galaxien, nichts."

Heinemann ist Mitglied des ATLAS-Experimentteams, einer von zwei großen Kooperationen, die ihre Ergebnisse am 4. Juli bekannt gaben.

Das 50 Jahre alte Standardmodell, die herrschende Theorie über die Wechselwirkung von Materie und Energie, sagt ein Higgs-Feld voraus, das den gesamten Raum durchdringt. Durch sie bewegte Teilchen interagieren und gewinnen an Masse, wie Schwimmer, die langsamer werden, wenn sie sich durch das Wasser bewegen, sagte Heinemann der Menge. Je mehr Teilchen mit dem Higgs-Feld interagieren oder es verlangsamen, desto größer ist ihre Masse.

Der theoretische Physiker Lawrence Hall bemerkte, dass das Feld nicht direkt detektiert werden kann, aber Peter Higgs wies 1964 darauf hin, dass dieses Feld ein assoziiertes Teilchen haben sollte, das Higgs-Boson, das detektierbar wäre. In einer klassischen Abhandlung von 1975 betrachteten die UC Berkeley-Physikerin Mary K. Gaillard und zwei Kollegen einen weiten Bereich von Massen für das vorgeschlagene Teilchen, und das neu entdeckte Boson wurde an der oberen Grenze dieses Bereichs gefunden.

„Dieses einflussreiche Papier hat die Suche nach dem Higgs-Boson gestartet. Dies waren die ersten Berechnungen, wie wir uns vorstellen können, das Higgs-Boson zu finden “, sagte Hall in einem Gruß an Gaillard, der im Publikum war.

Die Europäer schließen sich zusammen, um Collider zu bauen und Higgs-Boson zu finden

Der Traum von der Entdeckung des Higgs-Bosons veranlasste die europäischen Regierungen, fast 10 Milliarden US-Dollar zusammenzulegen, um in Genf (Schweiz) den Large Hadron Collider zu bauen, der 2008 von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) fertiggestellt wurde. In einer Entfernung von 25 km überragt der Teilchenbeschleuniger der neuesten Generation den ersten Teilchenbeschleuniger oder Atomzerstörer, ein Gerät mit einem Durchmesser von 5 Zoll, das 1932 von Ernest O. Lawrence von UC Berkeley gebaut wurde.

"Wir sind nur auf der Suche nach den Grundelementen der Naturtheorie", sagte Hall über das riesige 10-jährige Projekt zum Bau des Colliders. Und wenn die beiden Teams Recht haben, war der Large Hadron Collider ein Erfolg, der einen Nobelpreis verdient. Das Higgs-Boson ist in der Tat eine dritte Art von Elementarteilchen.

"Es gibt drei Arten von Dingen, nicht zwei Arten von Dingen", erklärte Hall und verriet sein Erstaunen über die erfolgreiche Entdeckung des neuen Partikels. Bis jetzt, fuhr er fort, gab es „die Materieteilchen - das erste, das Elektron, das 1897 entdeckt wurde - und die Kraftteilchen, das erste, das Photon, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts indirekt entdeckt wurden. Seitdem haben wir im Laufe des Jahrhunderts mehr Arten von Materieteilchen und einige Kraftteilchen entdeckt. Erraten Sie, was? Es sieht so aus, als hätten wir am Large Hadron Collider eine dritte Art von Elementarteilchen entdeckt, die… uns in den kommenden Jahrzehnten begleiten wird. “

Die große Frage sei nun, ob das neue Teilchen, das das ATLAS-Team und das konkurrierende CMS-Team entdeckt haben, wirklich das Higgs-Boson ist.

Higgs entsteht aus kollidierenden Protonenstrahlen

Das neue Teilchen wurde durch Auftreffen von zwei Protonenstrahlen erzeugt, wobei pro Sekunde eine halbe Milliarde Protonen-Protonen-Kollisionen erzeugt wurden, von denen sich jede in 3.500 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronvolt oder GeV) Energie auflöst, aus der ein Higgs-Boson hervorgehen könnte.

Allein das ATLAS-Experiment analysierte 800 Billionen Kollisionen zwischen dem Einschalten des Strahls im Jahr 2010 und Juni 2012. Von diesen scheinen acht Wechselwirkungen ein Higgs-Boson hervorgebracht zu haben, das auf charakteristische Weise zerfiel (ein Paar Z-Bosonen), während etwa 200 zerfiel in zwei Photonen. Laut Heinemann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, wenn es kein neues Teilchen gibt, 1 zu 3.500.000, was in der Welt der Teilchenphysik als Entdeckung eines neuen Teilchens gilt. Das CMS-Team zählte eine ähnliche Anzahl von Interaktionen mit der gleichen Sicherheit.

Die beobachtete Masse zwischen 125 und 126 Milliarden Elektronenvolt (125 bis 126 GeV) liegt innerhalb des für das Higgs-Boson vorhergesagten Massenbereichs, obwohl Heinemann einräumte, dass dieser Bereich mit bis zu 700 GeV sehr groß ist.

"Wir wissen, dass wir ein Higgs-ähnliches Teilchen entdeckt haben, aber wir wissen nicht, ob es das Higgs ist", sagte sie der Menge.

Der Large Hadron Collider sammelt rund um die Uhr weitere Daten, die den Experimentatoren Aufschluss darüber geben sollen, ob der Spin des Teilchens und andere Eigenschaften mit den Vorhersagen für das Higgs-Boson übereinstimmen. Wenn nicht, werden die Physiker nicht zu enttäuscht sein.

"Aus experimenteller Sicht hoffen wir, die Eigenschaften dieses neuen Partikels zu messen, und während wir sagen, wir wollen sehen, ob es mit dem Standardmodell von Higgs übereinstimmt, werden wir alle hoffen, dass dies nicht der Fall ist." sagte die Experimentalistin Marjorie Shapiro, ein Mitglied des ATLAS-Teams. "Wir alle hoffen, dass dies der Beginn vieler Entdeckungen ist und nicht die letzte Entdeckung in unserer Karriere."

Zum Teil sagten die Diskussionsteilnehmer, dies liege daran, dass das Standardmodell Higgs Probleme habe. Um sie zu beheben, wurden Alternativen vorgeschlagen, die ein zusammengesetztes Higgs beinhalten - eines, das aus anderen Materieteilchen besteht -, das über unsere drei bekannten multiplen Universen hinaus zusätzliche räumliche Dimensionen und etwas hat, das Supersymmetrie genannt wird.

„Das Higgs ist eine schreckliche, schreckliche Sache. Es ist nicht wie die Schönheit der Materieteilchen und Kraftteilchen, die durch Symmetrie verbunden sind; Das Higgs ist dieses schreckliche Objekt, das wir in die Standardmodelltheorie einbauen müssen, um Komplexität zu erreichen “, sagte Hall.

Multiple Universen und Supersymmetrie

Einige Varianten des Standardmodells sagen beispielsweise nicht ein, sondern fünf Higgs-Bosonen voraus. Wenn der Large Hadron Collider 2014 nach einem Jahr der Aufrüstung wieder geöffnet wird, verdoppelt sich seine Energie und andere Higgs-Partikel können sichtbar werden.

Die vorherrschende Variante ist jedoch die Supersymmetrie, die 1974 vom UC Berkeley-Physiker Bruno Zumino entdeckt und in den 1980er Jahren auf das Standardmodell angewendet wurde.

Hall schloss daraus, dass Theoretiker sich nun mit den Problemen des Higgs-Standardmodells auseinandersetzen und Verbesserungen der Theorie vornehmen müssen, wenn es sich um ein Higgs handelt. "Wenn ich raten müsste, würde ich vermuten, dass es Supersymmetrie sein wird", sagte er. Tatsächlich sagte die Supersymmetrie voraus, dass die Masse des Higgs-Bosons nicht mehr als 135 GeV betragen könnte, was knapp über den beobachteten 125 GeV liegt.

All diese Unsicherheiten sind eine gute Nachricht für die nächste Generation von Physikern, die von den Podiumskollegen Miller, dem Postdoktoranden Josh Ruderman, und der Doktorandin Louise Skinnari vertreten wird.

"Was für mich am aufregendsten ist, ist herauszufinden, ob dies mit dem Standardmodell vereinbar ist und ob dies ein Hinweis auf eine andere neue Physik ist", sagte Skinnari.

Und da der Large Hadron Collider immer mehr Daten produziert, haben junge Wissenschaftler wie Ruderman und Skinnari die Möglichkeit, neue Dinge zu entdecken.

"Eines der schönen Dinge für Doktoranden wie Louise ist, dass es viele verschiedene Suchanfragen gibt", sagte Shapiro. "Jeder Einzelne wird wahrscheinlich nichts finden, aber jemand wird Glück haben und im Lotto gewinnen."