"Wir sind aus Sternenstoff gemacht“, wie der große Carl Sagan einmal prägnant formulierte. Alles, was du weißt, sogar du selbst, besteht aus den gleichen fundamentalen Teilchen.
Aber zu Beginn des Universums hatte keines dieser Teilchen Masse; sie bewegten sich alle mit Lichtgeschwindigkeit. Das liegt nur daran, dass Teilchen ihre Masse aus einem fundamentalen Feld bezogen, das mit dem Higgs-Boson verbunden ist, das Sterne, Planeten und Leben ermöglichen kannbilden.
So zumindest die Theorie. Aber diese Idee erhielt tatsächlich ernsthafte Unterstützung, als das Higgs-Boson-Teilchen 2012 am CERN gefunden wurde, was schließlich bewies, dass dieses Feld Materie, also Masse, liefert.
Unnötig zu erwähnen, dass dies eine große Sache in der Welt der Physik war! Warum dies so eine große Sache war, ist, dass das Standardmodell dazu später mehr alle 17 Elementarteilchen und drei der vier Grundkräfte berücksichtigtdie unser Universum ausmachen.
Das sind eigentlich die LEGO-Steine des Universums! Aber sie würden ohne das sogenannte Higgs-Boson nicht existieren.
Also, was ist es? Lass es uns herausfinden.
Was ist das Higgs-Boson?
1964, englischer PhysikerPeter Higgs reichte einen Artikel bei einer wissenschaftlichen Zeitschrift ein, in dem behauptet wurde, dass der gesamte Raum mit einem Feld gefüllt ist, das Higgs-Feld genannt wird, das vermittelt Masse auf Objekte. Wissenschaftlich ist Masse definiert als der Widerstand, den ein Materiekörper einer Geschwindigkeits- oder Positionsänderung bei Krafteinwirkung entgegensetzt.
Für einige herausragende Wissenschaftler der damaligen Zeit, einschließlich des verstorbenen, großartigen Stephen Hawking, erschien das Konzept eines Feldes, das Masse verleiht, lächerlich.
Er hat tatsächlich a gemacht Einsatz von 100 $ mit dem Physiker Gordon Kane dass Physiker das Higgs-Boson nicht finden würden. Als Physiker das Teilchen 2012 fanden, verlor Hawking seine Wette und sagte, dass die Entdeckung die Physik weniger interessant mache.
Er hatte nicht nur seine Wette verloren, sondern die Entdeckung brachte ihn zu einer sehr düsteren Schlussfolgerung über das Teilchen. Er erklärte es in einem Buch mit Essays und Vorträgen mit dem Titel „ Starmus,", dass das Teilchen eines Tages das Ende des Universums, wie wir es kennen, herbeiführen könnte.
Wissenschaftler außer Hawking stimmen dem zu. Die Theorie von a Higgs-Boson Weltuntergang gibt es schon eine Weile. Es besagt, dass eine Quantenfluktuation eine Vakuum-"Blase" verursachen könnte, die sich durch den Weltraum ausdehnt und das Universum zerstört. Wissenschaftler glauben jedoch nicht, dass dies in absehbarer Zeit passieren wird.
Aber warum? Und wie?
Sie können sich das Higgs-Feld so vorstellen: Schieben Sie einen Tischtennisball durch die Luft und er bewegt sich fast ohne Widerstand, aber schieben Sie denselben Tischtennisball durch Wasser, und es wird viel schwieriger sein, ihn zu schieben. Das HiggsFeld ist ein bisschen wie Wasser.
Als die wissenschaftliche Zeitschrift Higgs' Artikel ursprünglich ablehnte, überarbeitete er ihn mit dem bedeutsamen Zusatz, dass seine Theorie die Existenz eines schweres Boson.
In den 1970er Jahren erkannten Physiker, dass es sehr enge Verbindungen zwischen der schwachen Kraft und der elektromagnetischen Kraft gibt. Sie entwickelten die Grundgleichungen einer einheitlichen Theorie, die vorschlug, dass Elektrizität, Magnetismus, Licht und einige Arten von Radioaktivität alle Manifestationen von sindeine einzelne Kraft, die als elektroschwache Kraft bekannt ist. Diese Kraft wird vom Photon getragen, und die W und Z Bosonen.
Aber es gab ein Problem. Die Gleichungen sagen voraus, dass diese Teilchen keine Masse haben, und Physiker wussten bereits, dass die W- und Z-Bosonen Masse haben. Glücklicherweise machten die Theoretiker Robert Brout, François Englert und Peter Higgs einen Vorschlag zur Lösung dieses ProblemsSie schlugen vor, dass die W- und Z-Bosonen mit einer Kraft namens „Higgs-Feld“ wechselwirken.Das Feld verleiht den bei schwachen Wechselwirkungen ausgetauschten Teilchen Masse, nicht aber den bei elektromagnetischen Wechselwirkungen ausgetauschten Photonen. Je stärker ein Teilchen mit dem Higgs-Feld wechselwirkt, desto schwerer wird das Teilchen.
Allmählich erkannten andere Physiker, dass die Idee von Higgs perfekt zu den Gleichungen des Standardmodells passte. Das einzige Problem war, dass es keine experimentellen Beweise gab, um die Theorie zu untermauern. Wenn das Higgs-Feld existierte, sollte es ein Messgerät beinhaltenBoson ein „Kraftträger“-Teilchen, das die elektromagnetische Kraft vermittelt oder überträgt, das als Higgs-Boson bezeichnet wurde, und Berechnungen von Physikern zeigten, dass das Higgs-Boson sehr massiv sein und fast sofort zerfallen sollte.
Wie bringt man ein so massives und vergängliches Teilchen dazu, aufzutauchen? Es würde weitere 30 Jahre dauern, bis Teilchenbeschleuniger, Detektoren und Computer entwickelt wurden, die in der Lage waren, nach Higgs-Bosonen zu suchen.
Betritt den Large Hadron Collider.
Was ist das Standardmodell in der Physik?
Das Standardmodell nahm erstmals 1897 Gestalt an, als der englische Physiker JJ Thomson entdeckte das Elektron, und es wurde erst 2012 mit der Entdeckung des Higgs-Bosons als "vollständig" angesehen.
Wie die obige Grafik zeigt, besteht unser Universum aus sechs Quarks und sechs Leptonen. Dies sind die Teilchen, aus denen Atome bestehen – Quarks in Protonen und Neutronen und Elektronen, die die Kerne umgeben.
In unserem Universum wirken vier fundamentale Kräfte: Elektromagnetismus, die starke Kraft, die schwache Kraft und die Schwerkraft. Leider kann das Standardmodell die Schwerkraft nicht erklären wenn es tatsächlich eine echte Kraft ist, also müssen wir es vorerst ignorieren.
Die verbleibenden tdrei Kräfte resultieren aus dem Austausch von "Kraftträger"-Teilchen oder Eichbosonen. Teilchen übertragen diskrete Energiemengen, indem sie Bosonen untereinander austauschen. Jede fundamentale Kraft hat ihr eigenes entsprechendes Boson.
Die elektromagnetische Kraft wird zwischen elektrisch geladenen Teilchen durch das masselose Photon übertragen. Die schwache Kraft wird zwischen Quarks und Leptonen durch die Eichbosonen W+, W− und Z übertragen, die massive Teilchen sind, wobei das Z-Boson massereicher ist alsdas W±.
Die starke Kraft wird zwischen Quarks durch acht Gluonen übertragen, die masselos sind. Quarks und Gluonen sind „farbgeladen“. Farbgeladene Teilchen tauschen Gluonen in starken Wechselwirkungen aus. Zwei Quarks können Gluonen austauschen und erzeugen ein sehr starkes Farbfeld, das die Quarks bindetzusammen. Quarks ändern ständig ihre Farbladungen, wenn sie Gluonen mit anderen Quarks austauschen. Da Gluonen selbst eine Farbladung haben, können sie miteinander wechselwirken.
Das Higgs-Boson steht für sich allein auf der rechten Seite des Standardmodell-Diagramms, wie ein König oder eine Königin. Es ist vielleicht nicht weit hergeholt, es als königlich zu bezeichnen. Tatsächlich ist der Physiker Leon Lederman einst bekannt als "The God Particle". Lederman prägte diesen Ausdruck für den Titel seines Buches von 1993, Das Gottesteilchen: Wenn das Universum die Antwort ist, was ist dann die Frage?
Was hat der Large Hadron Collider mit dem Higgs-Boson zu tun?
Die Large Hadron Collider LHC, der im September 2008 eröffnet wurde, befindet sich beim CERN oder dem European Council for Nuclear Research. Es ist ein 17 Meilen langer 27,35 km Ring, der hauptsächlich unter Genf in der Schweiz verläuft und rundherum genutzt wird9.000 supraleitende Magnete, um Millionen von Protonen einzuschließen, die den Ring in beiden Richtungen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umkreisen.
An bestimmten Punkten entlang des Rings kollidieren die beiden Protonenstrahlen und erzeugen Teilchensprays, die von riesigen Detektoren beobachtet werden. Am 4. Juli 2012 versammelten sich Physiker auf der ganzen Welt in Besprechungsräumen, um eine Pressekonferenz am CERN zu hören und zu sehen.
Der Zweck der Pressekonferenz war es, die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt zu geben, und im Publikum war der 83-jährige Peter Higgs. Das Video, in dem Higgs sein Taschentuch herausholt und sich die Augen wischt, ging viral.
Im Jahr 2013, ein Jahr nach der Entdeckung des Higgs-Bosons, wurde Peter Higgs zusammen mit François Englert endlich mit einem Nobelpreis für Physik geehrt. Am Tag der Nobelverkündung, Higgs, der kein Handy besitzt oder keine E-Mail hat, ging in den Laden und erfuhr erst, als er einen seiner Nachbarn traf, dass er den Preis gewonnen hatte.
Was ist das Higgs-Feld?
Das Higgs-Feld unterscheidet sich von anderen Feldern wie elektromagnetischen oder Gravitationsfeldern dadurch, dass es unveränderlich ist. Die Stärke eines elektromagnetischen Feldes nimmt mit der Entfernung zu und ab. Die Stärke eines Gravitationsfeldes wird auch durch die Entfernung bestimmt — standneben einem schwarzen Loch und Sie werden ein viel stärkeres Gravitationsfeld erleben, als Sie auf der Erde stehen würden.
Im Gegensatz dazu scheint das Higgs-Feld überall im Universum gleich zu sein, und es scheint eine grundlegende Komponente des Raum-Zeit-Gefüges zu sein. Die Eigenschaft der „Masse“ ist eine Manifestation potentieller Energieauf Elementarteilchen übertragen, wenn sie mit dem Higgs-Feld interagieren, das diese Masse in Form von Energie enthält.
Spin ist der intrinsische Drehimpuls eines Elementarteilchens. In der Quantenfeldtheorie hängt der Spin eines Teilchens von seinem Verhalten ab. Beispielsweise haben Bosonen einen ganzzahligen Spin 0, 1, 2 usw. und so kann es auch seindenselben Quantenzustand gleichzeitig besetzen, Teilchen mit halbzahligem Spin 1/2, 3/2 usw. dagegen nicht.Im Standardmodell sind es die Bestandteile der Materie Elektron, Quarks usw..halbzahlige Spinteilchen, während die Kraft übertragenden Teilchen Photon, W/Z, Gluon ganzzahlige Spinteilchen sind.
Das Higgs-Feld ist das einzige Skalar- oder Spin-0-Feld. Das Higgs-Feld verleiht den W- und Z-Bosonen große Massen. Ihre Massen beeinflussen, wie weit die W- und Z-Bosonen reisen können, was bestätigt, dass die schwache Kraft extrem kurz istAngebot.
Das Higgs-Boson ist ein massives Skalarboson mit null Spin, ohne elektrische Ladung und ohne Farbladung. Wie vorhergesagt, hat es eine gewaltige Masse von 125 GeV und eine vorhergesagte mittlere Lebensdauer von 1,56 × 10−22 Sekunden. Es wurde beobachtet, dass das Higgs-Boson in ein Paar Bottom-Antibottom-Quarks, zwei W-Bosonen, ein Tau-Antitau-Paar, zwei Z-Bosonen und zwei Photonen zerfällt. Es wird auch vorhergesagt, dass es in zwei Gluonen, ein Myon, zerfällt-Antimyonpaar und möglicherweise andere Teilchen.
Während das Higgs-Feld die Massen der Leptonen – Elektron, Myon und Tau – und die Massen der Quarks erzeugt, erzeugt es keine Masse für das Photon und das Gluon. Und weil das Higgs-Boson selbst massereich ist,das bedeutet, dass es selbst mit dem Higgs-Feld interagieren muss.
Die Zukunft des Higgs-Feldes
Gegenwärtig versuchen Wissenschaftler festzustellen, ob die Das Higgs-Feld gibt den drei "Geschmacksrichtungen" Masse von Neutrinos – Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos. Es wurde lange angenommen, dass Neutrinos masselos sind, aber heute weiß man, dass jedes Neutrino seine eigene Masse hat.
Außerdem glauben Physiker jetzt, dass 95 Prozent unseres Universums nicht aus gewöhnlicher Materie bestehen, sondern aus dunkler Energie und dunkler Materie. Wissenschaftler am CERN versuchen herauszufinden, ob dunkle Energie und dunkle Materie mit dem Higgs-Feld interagieren.
nach CERN, dunkle Materie hat Masse, und Physiker haben vorgeschlagen, dass Teilchen dunkler Materie mit dem Higgs-Boson interagieren könnten, wobei ein Higgs-Boson in Teilchen dunkler Materie zerfällt.
Obwohl die Entdeckung des Higgs-Bosons das Standardmodell zu vervollständigen schien in der Tat, haben Wissenschaftler nicht aufgehört, sich mit diesem schwer fassbaren Teilchen zu befassen. Seit 2012 ist eines der wichtigsten Erkenntnisse, dass das Higgs-Teilchen zusammenbricht.
Und mehr über dieses schwer fassbare Teilchen wird während Lauf 3 des LHC und insbesondere beim Upgrade der hohen Leuchtkraft auf den erfahren.Teilchenbeschleuniger wird 2029 fertiggestellt.
Dies wird es dem LHC ermöglichen, mehr Kollisionen zu haben, was Wissenschaftlern mehr Möglichkeiten gibt, seltsame Physik zu erforschen, wie Dinge, die nicht in das Standardmodell passen.
Nach dem Upgrade geht CERN davon aus, dass der Beschleuniger jedes Jahr 15 Millionen dieser Teilchen produzieren wird. Dies ist ein großer Unterschied zu 2017, als der LHC 3 Millionen Higgs-Bosonen produzierte. Dies könnte der Schlüssel zum Auffinden anderer Arten von Higgs-Bosonen sein.
Theorien, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen, sagen auch voraus, dass es bis zu fünf verschiedene Arten von Higgs-Bosonen geben könnte, die jeweils seltener vorkommen als das Haupt-Higgs-Boson. Schon vor den Upgrades hatten uns Wissenschaftler Hinweise gegebeneines "magnetischen Higgs-Bosons".
Aufregende Zeiten liegen vor Ihnen, wenn Sie ein Teilchenphysiker sind.