Ist das Standardmodell der Teilchenphysik wirklich Kaput?

In letzter Zeit wurde das Internet mit Geschichten über das gebrochene Standardmodell der Teilchenphysik überflutet.

Diese Geschichten stammen aus einem kürzlich von Physikern am durchgeführten Experiment. Fermilab in Illinois, wo eine Gruppe von Wissenschaftlern entdeckte, dass Myonen "twerk" sind. Nun, irgendwie. Mach dir keine Sorgen, wenn du nicht weißt, was ein Myon ist, wirst du es gleich herausfinden und wenn du es nicht tust.Wenn Sie nicht wissen, was Twerking ist, versuchen Sie, Miley Cyrus zu googeln.

Myonen sind elektrisch geladene Teilchen, dh wenn sie sich in einem Magnetfeld befinden, beginnen sie sich zu drehen. Ihre Rotationsfrequenz wird durch die Wechselwirkungen des Myons mit anderen Teilchen und Kräften bestimmt - dies wird als g-Faktor bezeichnet.

So wie die Erde um ihre Achse wackelt, während sie sich dreht, wackelt auch die Spinachse eines Myons. Vor zwanzig Jahren haben Wissenschaftler an der Brookhaven National Laboratory Zuerst wurden der g-Faktor und das Wackeln von Myonen gemessen, und es wurden Werte ermittelt, die nicht mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmten. Brookhavens Daten lagen bei 3-Sigma oder drei Standardabweichungen.

Letzte Woche kam das noch laufende G-2-Experiment von Fermilab zu dem Schluss, dass die Myonen, die sich um ihren magnetisierten Ring bewegten, ursprünglich theoretisch wackelten. Die Ergebnisse der Gruppe stiegen auf das Niveau von 4,2-Sigma, was der Magie 5 sehr nahe kommt-Sigma, das einer 1: 3,5-Millionen-Wahrscheinlichkeit entspricht, dass die Daten ein statistischer Zufall sind. Physiker betrachten 5-Sigma als unwiderlegbaren Beweis für eine Entdeckung.

Die Frage ist dann: "Was gibt den Myonen diesen zusätzlichen Schub, der sie zum Wackeln bringt?" Eine Erklärung ist, dass sie von virtuellen Teilchen geschoben werden, die aufgrund von Quantenfluktuationen in die Existenz hinein- und aus ihr herausspringen.

Virtuelle Teilchen entstehen paarweise - eines aus Materie und eines aus Antimaterie. Ein Beispiel ist ein Elektron und sein Gegenstück zur Antimaterie, ein Positron. Wenn die Myonen von virtuellen Teilchenpaaren geschoben werden, die Teil des Standardmodells sind,schön und gut, aber was ist, wenn die Myonen von einem Paar virtueller Teilchen beeinflusst werden, die unbekannt sind? Diese Frage ist, was Physiker nachts wach hält.

Was ist das Standardmodell?

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist ein Satz von Gleichungen, die alle 17 bekannten Elementarteilchen beschreiben. Elementarteilchen sind Teilchen, die nicht aus anderen Teilchen bestehen.

Bevor sie entdeckt wurden, sagte das Standardmodell die Existenz und Eigenschaften der W- und Z-Bosonen, des Gluons sowie der Top- und Charm-Quarks voraus. Das Standardmodell sagte auch die Existenz des Higgs-Bosons voraus, das wir 'Ich werde mich in einer Minute treffen.

Das Standardmodell nahm erstmals 1897 Gestalt an, als der englische Physiker JJ Thomson entdeckte das Elektron und wurde erst 2012 als vollständig angesehen, als Wissenschaftler des Large Hadron Collider am CERN das Higgs-Boson entdeckten.

Die folgende Tabelle zeigt die Partikel des Standardmodells. Sie sind in Fermionen und Bosonen unterteilt, wobei die 12 Fermionen in sechs Quarks und sechs Antiquarks sowie sechs Leptonen und Antileptonen unterteilt sind.

Quarks

Was Quarks auszeichnet, ist, dass sie eine sogenannte Farbladung haben, die sie über die starke Kraft interagieren lässt. Quarks können auf zwei Arten kombiniert werden :

1. Ein Quark und ein Antiquark, genannt a Meson.
2. Drei Quarks, genannt a Baryon. Die leichtesten Baryonen sind das Proton und das Neutron.

Quarks haben auch eine elektrische Ladung und schwaches Isospin, was bedeutet, dass sie über Elektromagnetismus und die schwache Wechselwirkung miteinander interagieren können.

Leptonen

Leptonen tragen keine Farbladung und reagieren daher nicht auf die starke Kraft. Drei der Leptonen, Elektron, Myon und Tau, tragen eine elektrische Ladung und interagieren so elektromagnetisch mit anderen Partikeln. Drei der Leptonen, die Neutrinos, tragen keine elektrische Ladung, was bedeutet, dass sie nur auf die schwache Kraft reagieren. Dies macht sie sehr schwer zu erkennen.

Generationen von Fermionen

Genau wie die Generationen von Menschen aus Großeltern, Eltern und Kindern bestehen, kommen die Fermionen auch in Generationen vor, wobei alle zwei Mitglieder einer nachfolgenden Generation eine größere Masse haben als eine frühere Generation.

In der obigen Tabelle besteht die erste Generation von Quarks aus den Auf- und Ab-Quarks, die zweite Generation aus dem Charme und den seltsamen Quarks und die dritte Generation aus den oberen und unteren Quarks.

Geladene Teilchen der ersten Generation zerfallen nicht, was gut ist, da Protonen und Neutronen aus nach oben und nach unten Quarks, die Quarks der ersten Generation sind. Fermionen der zweiten und dritten Generation zerfallen, was bedeutet, dass sie sehr kurze Halbwertszeiten haben. Eine Halbwertszeit ist die Zeit, die eine Hälfte einer Probe benötigt, um zu zerfallen.

Fermionen der späteren Generation können nur in Umgebungen mit sehr hoher Energie wie dem Large Hadron Collider beobachtet werden. Neutrinos durchdringen unser Universum und alle drei Generationen zerfallen nicht. Neutrinos sind jedoch sehr schwer zu erkennen, da sie kaum jemals entdeckt werden könnenmit Materie interagieren.

Messbosonen

Unser Universum hat vier grundlegende Kräfte: Elektromagnetismus, starke Kraft, schwache Kraft und Schwerkraft. Nun, für einige schlechte Nachrichten kann das Standardmodell die Schwerkraft nicht berücksichtigen, daher werden wir sie vorerst ignorieren.

Das Standardmodell erklärt die anderen drei Kräfte, die sich aus dem Austausch anderer Partikel durch Partikel ergeben, mit dem Effekt, dass die Kraft beide Partikel beeinflusst. Aus diesem Grund werden die Messbosonen als kraftvermittelnde Partikel bezeichnet.

Die elektromagnetische Kraft wird zwischen elektrisch geladenen Teilchen vom Photon übertragen, das keine Masse hat. Die schwache Kraft wird zwischen Quarks und Leptonen von den Bosonen der Stärke W +, W– und Z übertragen. Dies sind massive Teilchen mit dem Z-Bosonmassiver sein als das W ±.

Bereiten Sie sich jetzt darauf vor, dass Ihr Kopf schmerzt: W ± Bosonen wirken entweder auf linkshändige Partikel oder auf rechtshändige Antiteilchen, während das elektrisch neutrale Z-Boson sowohl mit linkshändigen Partikeln als auch mit Antiteilchen interagiert.

Die W ± -Bosonen tragen eine elektrische Ladung von +1 und -1 und koppeln an die elektromagnetische Wechselwirkung. Wenn sie also mit Photonen gruppiert werden, vermitteln sie gemeinsam die sogenannte elektroschwache Wechselwirkung.

Es gibt acht Gluonen, die die starke Kraft zwischen den sechs Quarks übertragen. Gluonen sind masselos und weil sie selbst eine Farbladung haben, können sie miteinander interagieren.

Das Higgs-Boson

Das Video des 83-jährigen Peter Higgs, der sein Taschentuch herausnimmt und sich am CERN am 4. Juli 2012 die Augen abwischt, dass das Higgs-Boson endlich gefunden wurde, ist wirklich bewegend. Higgs hatte das Teilchen theoretisiertzurück im Jahr 1964.

Das Higgs-Boson erzeugt die Massen der Leptonen, des Elektrons, des Myons und des Tau sowie die Massen der Quarks. Es erzeugt keine Masse für das Photon und das Gluon, und weil das Higgs-Boson selbst massiv ist, bedeutet diesdass es mit sich selbst interagieren muss.

Das Higgs-Boson ist nicht nur massereich, hat eine Masse von etwa 125 GeV / c2 oder etwa 133 Protonenmassen, sondern zerfällt fast sofort, wenn es einmal erzeugt wurde. Das bedeutet, dass das Higgs nur in einem sehr hohen Ausmaß erzeugt und beobachtet werden kann.Bevor es am CERN beobachtet wurde, hatten Wissenschaftler am Fermilab nach den Higgs gesucht.

Ein Jahr nach der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2013 wurde Peter Higgs zusammen mit François Englert endlich mit einem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Am Tag der Ankündigung wollte Higgs die Aufmerksamkeit der Medien vermeiden, also ging er ausEr besaß kein Handy und fand erst heraus, dass er den Nobelpreis gewonnen hatte, als er auf einen Nachbarn stieß.

Ist das Standardmodell wirklich kaputt?

Erst letzten Monat neuer Wissenschaftler gemeldet Wissenschaftler des Large Hadron Collider haben eine Abweichung von den vorhergesagten Raten festgestellt, mit denen Partikel, die den unteren Quark enthalten, in ein Elektron und ein Myon zerfallen. Die Produktion von Elektronen und Myonen sollte zwar gleich sein, ist es aber nicht.

Andere Probleme, die vom Standardmodell nicht erklärt werden, sind :

• Gibt das Higgs-Boson auch Neutrinos Masse?
• Rund 95 Prozent des Universums bestehen nicht aus gewöhnlicher Materie, sondern bestehen aus dunkler Energie und dunkler Materie, die nicht in das Standardmodell passen.
• Gluonen, die die Schwerkraft übertragen, wurden nie gefunden.
• Baryonenasymmetrie.
• Neutrinoschwingungen und Massen ungleich Null.
• Warum expandiert das Universum immer schneller?
• Warum besteht das Universum aus mehr Materie als Antimaterie?

In den nächsten Jahren wird bestimmt, ob das Standardmodell immer noch eine korrekte Darstellung unseres Universums ist oder ob es modifiziert oder komplett verschrottet werden muss. Was auch immer passiert, es wird eine harte Fahrt.