Werbung

Über das Standardmodell hinaus? Das bedeutet ein schweres W-Boson für die Zukunft der Physik

Möglicherweise müssen wir die Natur der Realität überdenken.

Eine Luftaufnahme des Fermilab-Beschleunigerkomplexes. Fermilab

Das Cover der aktuellen Ausgabe von Wissenschaft, das 142 Jahre alte Flaggschiff-Journal der American Association for the Advancement of Science und eines der besten von Experten begutachteten akademischen Journale der Welt, schafft es, einen Blockbuster-Ergebnis auf seinen Seiten zu vermitteln.

Ein klobiges „W“ aus Beton sitzt auf den zerbrochenen Überresten eines Tisches, der das komplexe Schema von 17 Teilchen, von denen die meisten Physiker glauben, dass sie die Grundbausteine ​​der Materie sind, sauber zusammengefasst hatte.

Unter dem Bild stehen die Worte „Schwergewicht: Die Masse des W-Bosons ist höher als erwartet.“

Die Ausgabe vom 8. April von Wissenschaft.

Der Befund wird von Muhammad Ali behandelt, weil die Theorie, die der zerbrochene Tisch darstellt – das Standardmodell der Teilchenphysik – „in jeder Hinsicht die erfolgreichste wissenschaftliche Theorie aller Zeiten“ ist, so der theoretische Physiker David Tong von der Universität Cambridge„[Es] gibt die richtige Antwort auf Hunderttausende von Experimenten, in einigen Fällen mit einer in der Wissenschaft beispiellosen Genauigkeit.“

Aber diesmal nicht.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com setzte sich mit Teilchenphysiker zusammenAshutosh Kotwal, der leitende Autor des Artikels, um zu erfahren, warum der Fund so eine große Sache ist und wie sein Team eine solche technische Meisterleistung vollbracht hat.

Elementarphysik trieb die Spitzenforschung voran

Wenn Sie einen Hinweis darauf haben möchten, wie viel Zeit für das Zahlenknirschen und das doppelte Prüfen benötigt wird, das die moderne Physik erfordert, bedenken Sie dies. Die Daten, die diesem fantastisch provokativen neuen Artikel zugrunde liegen, wurden vor mehr als einem Jahrzehnt gesammelt.

Zwischen 2002 und 2011 schickten Forscher des Fermilab des Energieministeriums subatomare Teilchen durch einen Teilchenbeschleuniger namens Tevatron. Ihre Aufgabe war es, sehr genau darauf zu achten, was unmittelbar nach dem Zusammenprall der Teilchen geschah. Immer und immer wiederwieder.

Werbung

„Wenn Protonen und Antiprotonen kollidieren, fliegen viele Teilchen heraus“, sagt Kotwal. „Bei jeder Kollision fliegen vielleicht 30 Teilchen heraus, vielleicht 50 Teilchen. Sie möchten die Energie und die Position messenund die Richtung jedes einzelnen von ihnen“, erklärte er.

Während die Experimente liefen, war Tevatron der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Das war der absolute Stand der Wissenschaft, aber die Forscher verließen sich auf Konzepte aus der Elementarphysik.

„Wenn Sie ein Lehrbuch für Physik im Grundstudium öffnen, steht dort, dass geladene Teilchen sich im Kreis bewegen, wenn [sie] durch ein Magnetfeld gehen. Was Sie also tun können, ist … Schicht für Schicht Positionssensoren [im Teilchenbeschleuniger] anzubringen].Wenn also ein geladenes Teilchen durchkommt, zeichnet es auf, wohin das Teilchen gegangen ist“, sagt Kotwal.

Werbung

Diese Sensoren zeichneten Unmengen von Daten auf, die Computer interpretieren konnten, ähnlich wie High-Tech-Punkte verbinden. Aber anstelle einer zweidimensionalen Strichzeichnung eines coolen Frosches erzeugten diese Muster Kreise, deren genaue Abmessungen wertvolle Informationen enthielten.

„Es ist Lehrbuchphysik, dass man, wenn man den Radius dieses Kreises genau messen kann und wenn man die Stärke des Magnetfelds genau kennt, diese in einer einfachen Formel kombinieren kann, um die Energie des Teilchens zu bestimmen“, ererklärt.

Das Studium subatomarer Teilchen erfordert unglaubliche Präzision

Die Forscher verwendeten ungefähr 30.000 Sensoren, um die Radien dieser Kreise zu messen. Da die Messung von etwas so Winzigem wie einem subatomaren Teilchen davon abhängt, dass diese Messungen genau richtig sind, ist es absolut notwendig, es genau zu wissen – mit einem Maß an Präzision, das kaum ein anderes erreichtUmstand – wo sich jeder Sensor befindet.

Werbung

Kotwal und sein Team verließen sich auf eine natürliche Teilchenquelle – kosmische Strahlung – um ihnen dabei zu helfen, ihre Sensoren genauer als je zuvor auszurichten. Die Erde wird ständig von hochenergetischen Atomfragmenten bombardiert, die aus Supernova-Explosionen und vielleicht anderen stammenOrte, obwohl Wissenschaftler sich nicht ganz sicher sind. Einige dieser Teilchen sind Protonen. Wenn sie mit Atomen in der oberen Erdatmosphäre kollidieren, zerfallen die Protonen und bilden subatomare Teilchen, sogenannte Myonen, die zur selben Klasse wie Elektronen gehören, aberetwa 200-mal größer Sowohl Myonen als auch Elektronen gehören zu den 17 Bestandteilen des Standardmodells.

Diese Myonen bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit und sie sind unglaublich häufig. Wenn Sie Ihre Hand parallel zum Boden halten, wird durchschnittlich ein Myon jede Sekunde durch sie hindurchgehen. Das bedeutet, dass sie ständig durch Tevatron geflogen sind.

Werbung

„Wir behandeln sie wie gerade Linien [und] verwenden diese Linien, um unsere Sensoren auszurichten“, sagt Kotwal.

„Wir demonstrieren, dass wir sie mit einer Genauigkeit von jeweils einem Mikrometer ausrichten können. In der Vergangenheit waren es drei oder vier Mikrometer“, sagt er. Zum Vergleich: Eine Haarsträhne ist etwa 100 Mikrometer dick.

Die Forscher haben mehr als ein Dutzend solcher Verbesserungen vorgenommen, als sie diese Art von Experiment das letzte Mal durchgeführt haben. „Wir beschreiben jede einzelne von ihnen, welche Auswirkungen sie hatte und warum … im Vergleich zum letzten Mal“, sagt er.

Wie passt dieser Befund in das Gesamtbild?

Die Naturgesetze, an die die Physiker glaubten, hätten bis etwa 1900 auch für Nicht-Physiker mehr oder weniger Sinn gemacht. Dann brachen zwei völlig kontraintuitive Ideen auf – Quantenmechanik und Relativitätstheorie – und ermöglichten so genaue Vorhersagen, dassernsthafte Physiker hatten keine andere Wahl, als sie ernst zu nehmen.

Werbung

Mehr als ein Jahrhundert später suchen Forscher immer noch nach einer Möglichkeit, diese Theorien zu einer perfekten „Theorie von allem“ zusammenzufügen. Aber vor einem Jahrhundert kam der Physiker Paul Dirac nahe. Er „stellte eine gemeinsame Theorie zusammen“, die kombiniertePrinzipien der beiden Ansätze, sagt Kotwal.

Schon früh gab es Hinweise darauf, dass sich sein Ansatz, Mathematik zu verwenden, um tiefe Wahrheiten über die Natur der Materie zu finden, auszahlte.

„Eines der fantastischen Dinge, die aus Diracs Arbeit hervorgingen, war die Vorhersage, dass so etwas wie Antimaterie existieren sollte“, sagt er. Diese Vorhersage kam von Gleichungen, die implizierten, dass ein Teilchen ein entsprechendes Teilchen haben muss, das sein Spiegelbild ist.

„Und schon bald wurde das Antielektron – das Positron – entdeckt“, sagt er.

Im Laufe der Jahrzehnte wuchs Diracs grundlegende Theorie, da die Physiker weitere Fortschritte machten. Sie wurden durch die Tatsache unterstützt, dass ein bestimmter Zweig der Mathematik – die Gruppentheorie – vielen der unterschiedlichen Fäden zugrunde zu liegen schien, an denen sie zerrten.

Werbung

Die Theorie entwickelte sich zu einer Reihe selbstkonsistenter „Prinzipien, die alle uns bekannte Materie, alle Kräfte … und alle Wechselwirkungen zwischen der Materie und den Kräften kollektiv beschreiben“, sagt Kotwal. „So wurde es stetig mehr und mehrumfassender.

Das Standardmodell ist geboren

Aber es gab ein Problem.

„Eine Sache, die verhindert, dass [diese Theorie] funktioniert – ich werde eine starke Aussage machen – dass verhindert dass es nicht funktioniert, ist die Tatsache, dass Teilchen Massen haben“, sagt Kotwal. Das Hinzufügen von Massen zur Gleichung führte dazu, dass die Theorie „auseinanderbrach“.

Aber das war noch nicht das Ende der Gleichung. „Einige Leute haben herausgefunden, dass man nicht die ganze Theorie verwerfen muss, die bereits gut funktioniert hat. Man muss sie nur ein wenig modifizieren“, sagt Kotal.Diese Modifikation kam in Form eines neuen Teilchens: das damals unsichtbare Higgs-Boson.

„Es wurde zu dem, was wir heute das Standardmodell nennen, denn jetzt erklärte es ein weiteres Rätsel, nämlich, wie Massen in diesem ganzen Bild entstehen“, sagt er.

Diese Ansicht wurde später, im Jahr 2012, bestätigt, als das Higgs-Boson zum ersten Mal beobachtet wurde. Das geschah im Large Hadron Collider, nur zwei Jahre nachdem dieser Beschleuniger Tevatron als den leistungsstärksten der Welt an sich gerissen hatte.

Das Standardmodell erklärt nicht absolut alles. Es kann dunkle Materie, das Verhältnis von gewöhnlicher Materie zu Antimaterie, bestimmte Aspekte des Higgs-Bosons oder – am bemerkenswertesten – die Schwerkraft nicht erklären. Aber es erklärt so ziemlich allesanders.

Das Standardmodell in Form einer Lagrange-Funktion, geschrieben von einem italienischen Mathematiker und PhysikerMatilde Marcolli.

Also, was ist das W-Boson?

Protonen und Neutronen – die Teilchen, die wie Weintrauben im Kern eines Atoms gebündelt sind – gehören nicht zu den 17 Teilchen im Standardmodell. Das liegt daran, dass sie aus noch kleineren Teilchen bestehen, die Quarks genannt werden.

Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei Quarks also die Gesamtzahl der Quarks minus der Gesamtzahl der Antiquarks ist immer drei. Es ist jedoch das überaus wichtige dritte Quark, das bestimmt, ob ein Teilchen ein Proton oder ein Neutron ist. Dieser Unterschied ist enorm, denn Protonen brauchen Neutronen, um zusammenzuhalten und alles zu machen, was über eine subatomare Suppe hinausgeht.

„Alle Elemente, die wir kennen, enthalten sowohl Neutronen als auch Protonen“, sagt Kotwal. „Ohne [Neutronen] kann sich der Atomkern nicht bilden.“

Das W-Boson ist so wichtig, weil es dieses dritte Quark in ein Proton umwandelt und das Ganze in ein Neutron umwandelt. Es passiert nicht im Alltag, aber es ist absolut notwendig. Ohne das W-Boson würde nichts so existieren wie wires wissen.

Das Universum „wäre aus Protonen und Elektronen bestanden. Es wäre nur Wasserstoff gewesen, überall Wasserstoff. Nichts am Universum, das wir um uns herum sehen – all der Reichtum, all die Komplexität, uns – hätte passieren können … ohne den Austauschdes W-Bosons“, sagt er.

Steht der neue Befund dem Standardmodell zum Verhängnis?

Was die neuen Erkenntnisse letztlich für die Physik bedeuten, lässt sich nicht sagen. Zum einen müssen sie bestätigt werden. „Obwohl dies ein faszinierendes Ergebnis ist, muss die Messung durch ein anderes Experiment bestätigt werden, bevor sie vollständig interpretiert werden kann.“ sagt Joe Lykken, stellvertretender Direktor von Fermilab.

Dann liegt es an den theoretischen Physikern, die neue, etwas größere Masse zu verstehen. Es ist möglich, dass die neuen Erkenntnisse tatsächlich machen in die Gleichungen passen. Sie werden „sich die Berechnung des reinen Standardmodells genau ansehen, um festzustellen, ob es Spielraum gibt“, sagt Kotwal. Das klingt zwar unwahrscheinlich, aber das Standardmodell ist unglaublich komplex.

Andere Theoretiker werden sich wahrscheinlich „Erweiterungen“ der Theorie ansehen, die die Gleichungen aktualisieren würden, um die neuen Erkenntnisse widerzuspiegeln. Es wäre kaum das erste Mal, dass neue Informationen Physiker dazu veranlassten, diese Gleichung angesichts neuer Beweise neu zu erfinden.

Und schließlich wird es weitere Experimente geben. Der Large Hadron Collider zum Beispiel verfolgt genau diese Fragen.

„Dies ist ein Auslöser für uns alle, breit zu denken“, sagt Kotwal. „Ich sage gerne, lasst nichts unversucht. Dafür sind wir dabei. Also lasst uns alles tun, was wir tun können. EinmalIn einer Weile wird uns die Natur das nächste Mysterium zeigen. Vielleicht ist das um die Ecke ... das war die Geschichte des Standardmodells. Neue Mysterien tauchten auf [und] die Leute fanden heraus, was sie meinten."

Folgen Sie uns auf

ERHALTEN SIE IHRE TÄGLICHEN NACHRICHTEN DIREKT IN IHREM INBOX

Bleiben Sie kostenlos mit den neuesten Nachrichten aus Wissenschaft, Technologie und Innovation auf dem Laufenden :

Durch das Abonnieren stimmen Sie unseren zuNutzungsbedingungen und Datenschutzerklärung. Sie können sich jederzeit abmelden.