Zusammen mit Dutzenden anderer Verkaufsstellen wir haben kürzlich berichtet zu den Ergebnissen einer neuen Studie, die möglicherweise zeigt, dass das Standardmodell der Teilchenphysik unwiederbringlich gebrochen ist. Andererseits haben andere Studien gezeigt, dass es möglicherweise überhaupt nicht gebrochen ist.
Warum dies so wichtig war, ist, dass das Standardmodell alle 17 Elementarteilchen und die vier Grundkräfte, aus denen unser Universum besteht, berücksichtigt. Elementarteilchen sind Teilchen, die nicht aus anderen Teilchen bestehen.
Das Standardmodell nahm erstmals 1897 Gestalt an, als der englische Physiker JJ Thomson entdeckte das Elektron und wurde erst 2012 mit der Entdeckung des Higgs-Bosons als vollständig angesehen.
Wie die obige Tabelle zeigt, besteht unser Universum aus sechs Quarks und sechs Leptonen. Dies sind die Teilchen, aus denen Atome bestehen - Quarks in Protonen und Neutronen sowie Elektronen, die die Kerne umgeben.
In unserem Universum wirken vier fundamentale Kräfte: Elektromagnetismus, starke Kraft, schwache Kraft und Schwerkraft. Leider kann das Standardmodell die Schwerkraft nicht berücksichtigen, daher werden wir sie vorerst ignorieren. Das verbleibende t Drei Kräfte resultieren aus dem Austausch von "Kraftträger" -Partikeln oder Messbosonen. Partikel übertragen diskrete Energiemengen durch Austausch von Bosonen untereinander. Jede Grundkraft 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 Bosonen der Stärke W +, W– und Z übertragen, die massive Teilchen sind, wobei das Z-Boson istmassiver als das W ±.
Die starke Kraft wird zwischen Quarks von acht masselosen Gluonen übertragen. Quarks und Gluonen sind "farbgeladen". Farbgeladene Partikel tauschen Gluonen in starken Wechselwirkungen aus. Zwei Quarks können Gluonen austauschen und ein sehr starkes Farbfeld erzeugenbindet die Quarks zusammen. Quarks ändern ständig ihre Farbladungen, wenn sie Gluonen mit anderen Quarks austauschen. Da Gluonen selbst eine Farbladung haben, können sie miteinander interagieren.
Ganz rechts auf der Standardmodellkarte steht wie ein König oder eine Königin das Higgs-Boson. Es ist möglicherweise nicht weit hergeholt, es seit dem berühmten Physiker als königlich zu bezeichnen. Leon Lederman hatte es "The God Particle" genannt. Lederman prägte diesen Satz für den Titel seines Buches von 1993 Der Gott-Teilchen: Wenn das Universum die Antwort ist, was ist die Frage?
Das Higgs-Boson
1964 englischer Physiker Peter Higgs reichte ein Papier bei einer wissenschaftlichen Zeitschrift ein, in der behauptet wurde, dass der gesamte Raum mit einem Feld gefüllt ist, das als Higgs-Feld bezeichnet wurde und vermittelt Masse für Objekte. Wissenschaftlich ist Masse definiert als der Widerstand, den ein Materiekörper gegen eine Änderung der Geschwindigkeit oder Position bei Anwendung von Kraft bietet.
Sie können sich das Higgs-Feld folgendermaßen vorstellen: Schieben Sie einen Ping-Pong-Ball durch die Luft und er bewegt sich fast ohne Widerstand, aber schieben Sie denselben Ping-Pong-Ball durch Wasser, und es wird viel schwieriger, ihn zu schieben. Die HiggsFeld ist wie das Wasser.
Als die wissenschaftliche Zeitschrift Higgs 'Artikel zunächst ablehnte, überarbeitete er ihn mit dem signifikanten Zusatz, dass seine Theorie die Existenz eines schweren voraussagte. Boson
In den 1970er Jahren erkannten die Physiker, dass es sehr enge Verbindungen zwischen der schwachen Kraft und der elektromagnetischen Kraft gibt. Sie entwickelten die Grundgleichungen einer einheitlichen Theorie, die besagte, dass Elektrizität, Magnetismus, Licht und einige Arten von Radioaktivität Manifestationen sindeiner einzelnen 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 die Physiker wussten bereits, dass die W- und Z-Bosonen Masse haben. Glücklicherweise machten die Theoretiker Robert Brout, François Englert und Peter Higgs einen Vorschlag, um dieses Problem zu lösen.Sie schlugen vor, dass die W- und Z-Bosonen mit einer Kraft interagieren, die als "Higgs-Feld" bezeichnet wird. Je mehr ein Teilchen mit diesem Feld interagiert, desto mehr Masse hat es.
Allmählich stellten andere Physiker fest, dass Higgs 'Idee perfekt zu den Gleichungen des Standardmodells passte. Das einzige Problem war, dass es keine experimentellen Beweise gab, die die Theorie stützen könnten. Wenn das Higgs-Feld existierte, sollte es ein Messgerät habenDas Boson, das Higgs-Boson genannt wird, und die Berechnungen der Physiker zeigten, dass das Higgs-Boson sehr massiv sein und fast sofort zerfallen sollte.
Wie kann man ein so massives und nachdrückliches Teilchen zum Erscheinen bringen? Es würde über 30 Jahre dauern, bis Teilchenkollider, Detektoren und Computer erstellt wurden, die nach Higgs-Bosonen suchen können. Geben Sie den Large Hadron Collider ein.
Der LHC
Der Large Hadron Collider, der im September 2008 eröffnet wurde, befindet sich am CERN oder beim Europäischen Rat für Kernforschung. Es handelt sich um einen 27,35 km langen Ring, der hauptsächlich unter Genf in der Schweiz verläuft und verwendet wirdrund 9.000 supraleitende Magnete, um Millionen von Protonen zu korralieren, die den Ring in beide Richtungen nahe der Lichtgeschwindigkeit umkreisen.
An bestimmten Punkten entlang des Rings kollidieren die beiden Protonenstrahlen und erzeugen Partikelsprays, 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 sehenDer Zweck der Pressekonferenz war es, die Entdeckung des Higgs-Bosons anzukündigen. Im Publikum war der 83-jährige Peter Higgs. Das Video, in dem Higgs sein Taschentuch herausnahm und sich die Augen abwischte, wurde viral.
2013, ein Jahr nach der Entdeckung des Higgs-Bosons, wurde Peter Higgs zusammen mit François Englert endlich mit einem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Am Tag der Nobel-Ankündigung erhielt Higgs, der keinen besitztHandy, ging in den Laden und erst als er auf einen seiner Nachbarn stieß, stellte er fest, dass er den Preis gewonnen hatte.
Das Higgs-Feld
Das Higgs-Feld unterscheidet sich von anderen Feldern wie elektromagnetischen Feldern oder Gravitationsfeldern dadurch, dass es sich nicht ändert. Ein elektromagnetisches Feld wächst und sinkt, je nachdem, wie nahe Sie daran sind. Die Stärke eines Gravitationsfelds hängt auch davon ab, wo Sie sich befindenWenn Sie neben einem Schwarzen Loch stehen, erleben Sie ein viel stärkeres Gravitationsfeld als auf der Erde.
Im Gegensatz dazu scheint das Higgs-Feld das gleiche zu sein, egal wo Sie sich im Universum befinden, und es scheint ein grundlegender Bestandteil des Gefüges der Raum-Zeit zu sein. Die Eigenschaft der "Masse" ist eine Manifestation potentieller Energieübertragen auf Elementarteilchen, 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 mit seinem Verhalten zusammen. Beispielsweise haben Bosonen einen ganzzahligen Spin 0, 1, 2 usw. und können dies auchnehmen gleichzeitig den gleichen Quantenzustand ein. Im Gegensatz dazu können Teilchen mit halb-ganzzahligem Spin 1/2, 3/2 usw. dies nicht. Im Standardmodell sind die Komponenten der Materie Elektronen, Quarks usw.Spin 1/2 Partikel, während die Partikel, die Kraft übertragen Photon, W / Z, Gluon, Spin 1 Partikel sind.
Das Higgs-Feld ist das einzige Skalarfeld oder Spin-0-Feld. Das Higgs-Feld verleiht den Bosonen der W- und Z-Spur große Massen. Ihre Massen beeinflussen, wie weit sich die W- und Z-Bosonen bewegen können, was die extrem kurze Schwäche bestätigtReichweite.
Das Higgs-Boson ist ein massives skalares Boson mit null Spin, keiner elektrischen Ladung und keiner Farbladung. Wie vorhergesagt hat es eine kräftige Masse von 125 GeV und eine 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 vorausgesagt, dass es in zwei Gluonen, ein Myon, zerfällt-Antimuonenpaar und möglicherweise andere Partikel.
Während das Higgs-Feld die Massen der Leptonen - des Elektrons, des Myons und des Tau - und die Massen der Quarks erzeugt, erzeugt es keine Masse für das Photon und das Gluon. Und weil das Higgs-Boson selbst massiv ist,das bedeutet, dass es mit dem Higgs-Feld interagieren muss.
Die Zukunft des Higgs-Feldes
Derzeit versuchen Wissenschaftler festzustellen, ob das Higgs-Feld den drei "Aromen" von Neutrinos - Elektronenneutrinos, Myonneutrinos und Tau-Neutrinos - Masse verleiht. Es wurde lange angenommen, dass Neutrinos masselos sind, aber es ist jetzt bekannt, dassJedes Neutrino hat seine eigene Masse.
Außerdem glauben Physiker heute, dass 95 Prozent unseres Universums nicht aus gewöhnlicher Materie besteht, sondern aus dunkler Energie und dunkler Materie besteht. Wissenschaftler am CERN versuchen festzustellen, ob dunkle Energie und dunkle Materie mit dem Higgs-Feld interagieren. Laut CERN Dunkle Materie hat Masse, und Physiker haben vorgeschlagen, dass Teilchen der Dunklen Materie mit dem Higgs-Boson interagieren könnten, wobei ein Higgs-Boson in Teilchen der Dunklen Materie zerfällt.
In Zukunft wird das Higgs-Boson ein unschätzbares Werkzeug für die Suche nach Zeichen der Physik sein, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen.