Was ist das Higgs-Boson und warum ist es so wichtig?

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Das Higgs-Boson ist zumindest das teuerste Teilchen aller Zeiten. Es ist ein unfairer Vergleich. Die Entdeckung des Elektrons zum Beispiel erforderte kaum mehr als eine Vakuumröhre und ein echtes Genie, während das Auffinden des Higgs-Bosons die Erzeugung experimenteller Energien erforderte, die zuvor auf dem Planeten Erde selten zu sehen waren. Der Large Hadron Collider braucht kaum eine Einführung, da er eines der bekanntesten und erfolgreichsten wissenschaftlichen Experimente aller Zeiten ist, aber die Identität seines Hauptzielpartikels bleibt einem Großteil der Öffentlichkeit ein Rätsel. Es wurde das Gott-Teilchen genannt, aber dank der Bemühungen von buchstäblich Tausenden von Wissenschaftlern müssen wir uns nicht mehr auf seine Existenz verlassen.

Warum waren die Higgs Gegenstand so vieler Werbung, Finanzierung und (schlechter) Informationen? Aus zwei Gründen. Erstens war es das letzte Widerstandsteilchen, das während der Suche verborgen blieb, um die Genauigkeit des Standardmodells der Physik zu überprüfen. Dies bedeutete, dass seine Entdeckung mehr als eine Generation wissenschaftlicher Veröffentlichungen bestätigen würde. Zweitens ist das Higgs das Teilchen, das anderen Teilchen ihre Masse verleiht, was es von zentraler und scheinbar magischer Bedeutung macht. Wir neigen dazu, Masse als eine intrinsische Eigenschaft aller Dinge zu betrachten, aber Physiker glauben, dass Masse ohne das Higgs-Boson grundsätzlich nicht existiert.

Einige haben behauptet, Homer Simpson habe das Higgs-Boson durch Matt Groenings Neigung vorhergesagt, hoch glaubwürdige Physik in den Simpsons zu verbergen.

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Der Grund geht auf das sogenannte Higgs-Feld zurück. In Wirklichkeit wurde dieses Feld vor dem Higgs-Boson selbst theoretisiert, da die Physiker berechneten, dass es notwendig war, sich ein neues Feld vorzustellen, das überall im Universum existiert, damit ihre Theorien und Beobachtungen übereinstimmen. Bestehende Theorien durch die Erfindung neuer theoretischer Komponenten des Universums zu untermauern, ist gefährlich und führte in der Vergangenheit dazu, dass Physiker einen universellen Äther vermuteten. Je mehr Mathematik sie taten, desto mehr wurde ihnen klar, dass das Higgs-Feld einfach real sein musste. Das einzige Problem? So wie sie es definiert hatten, wäre das Higgs-Feld praktisch unmöglich zu beobachten.

Es wurde angenommen, dass das Higgs-Feld für die Tatsache verantwortlich ist, dass einige Teilchen, die keine Masse haben sollten, dies tun. In gewissem Sinne ist es das universelle Medium, das masselose Teilchen in verschiedene Massen trennt. Dies wird als Symmetrieunterbrechung bezeichnet und oft in Analogie zum Licht erklärt: Alle Wellenlängen des Lichts bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit in der Mitte eines Vakuums, aber in der Mitte eines Prismas kann jede Wellenlänge vom homogenen Weiß getrennt sein. Licht in Bändern unterschiedlicher Wellenlängen. Dies ist natürlich eine fehlerhafte Analogie, da alle Wellenlängen des Lichts in weißem Licht existieren, unabhängig davon, ob wir diese Tatsache sehen können oder nicht, aber das Beispiel zeigt, wie angenommen wird, dass das Higgs-Feld durch Aufbrechen der Symmetrie Masse erzeugt. Ein Prisma bricht die Geschwindigkeitssymmetrie verschiedener Lichtwellenlängen und trennt sie so, und es wird angenommen, dass das Higgs-Feld die Massensymmetrie einiger Teilchen bricht, die ansonsten symmetrisch masselos sind.

Die (a) Mündung des Large Hadron Collider.

Die (a) Mündung des Large Hadron Collider.

Erst später erkannten die Physiker, dass die Existenz des Higgs-Feldes die Existenz eines entsprechenden Trägerteilchens erfordern würde, und die Eigenschaften dieses hypothetischen Teilchens waren so, dass wir es tatsächlich beobachten konnten. Es wurde angenommen, dass dieses Teilchen zu einer Klasse gehört, die Bosonen genannt wird; Um die Dinge einfach zu halten, nannten sie das Higgs-Boson das Boson, das das Higgs-Feld begleitete. Es ist ein sogenannter “Kraftträger” für das Higgs-Feld, ebenso wie Photonen ein Kraftträger für das elektromagnetische Feld des Universums sind; Photonen sind in gewissem Sinne lokale Anregungen des EM-Feldes, und in demselben Sinne ist das Higgs-Boson eine lokale Anregung des Higgs-Feldes. Der Nachweis der Existenz des Teilchens mit den Eigenschaften, die Physiker aufgrund ihres Verständnisses des Feldes erwarteten, war praktisch der gleiche wie der direkte Nachweis der Existenz des Feldes.

Geben Sie nach vielen Jahren der Planung den Large Hadron Collider (LHC) ein, ein Experiment, das massiv genug ist, um die Higgs-Boson-Theorie möglicherweise zu verfälschen. Die 17-Meilen-Schleife aus superstarken Elektromagneten kann geladene Teilchen auf signifikante Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, was zu Kollisionen führt, die heftig genug sind, um diese Teilchen in grundlegende Komponenten zu zerlegen und den Raum um den Aufprallpunkt zu verziehen. Mit einer ausreichend hohen Kollisionsenergie wurde berechnet, dass Wissenschaftler das Higgs-Boson grundsätzlich überlasten und es in einen Energiezustand versetzen könnten, in dem es sich auf eine Weise zersetzen würde, die wir haben kann beobachten. Diese Energien waren so groß, dass einige sogar in Panik gerieten und sagten, dass der LHC die Welt zerstören würde, während andere so weit gingen, eine Higgs-Beobachtung als einen Blick in eine andere Dimension zu beschreiben.

Wie Sie aus dieser Tabelle der Zusammensetzung des Universums ersehen können, ist das Verständnis der Dunklen Materie und der Dunklen Energie entscheidend für das Verständnis unseres Universums.

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Erste Beobachtungen schienen wirklich verfälschen Vorhersagen und kein Higgs-Signal konnten gefunden werden, was einige Forscher, die sich für Milliarden von Dollar eingesetzt hatten, dazu veranlasste, ins Fernsehen zu gehen und sanftmütig das wahre, aber unbefriedigende Argument vorzulegen, dass die Fälschung einer wissenschaftlichen Theorie ebenso wichtig ist wie die Bestätigung. Mit etwas mehr Zeit summierten sich die Messungen jedoch und am 14. März 2013 CERN offiziell angekündigt die Bestätigung des Higgs-Bosons. Es gibt sogar einige Hinweise auf die Existenz von mehrere Higgs-Bosonen, aber diese Idee muss weiter untersucht werden.

Was kommt als nächstes für das Gottteilchen? Nun, der LHC wurde kürzlich mit bedeutenden Verbesserungen wiedereröffnet und hat ein Auge für die Untersuchung von Antimaterie bis Dunkler Energie. Es wird angenommen, dass dunkle Materie ausschließlich über das Medium der Schwerkraft mit regulärer Materie interagiert. Bei der Erzeugung von Masse könnte das Higgs-Boson entscheidend sein, um genau zu verstehen, wie. Der Hauptfehler des Standardmodells besteht darin, dass es die Schwerkraft nicht erklären kann, die als Grand Unified Theory bezeichnet werden könnte, und einige theoretisieren, dass das Higgs-Teilchen / -Feld die Brücke sein könnte, die Physiker so dringend wollen.

In jedem Fall wird bestätigt, dass das Higgs wirklich nur existiert; immer noch nicht aus der Ferne verstanden. Werden zukünftige Experimente die Supersymmetrie und die Idee bestätigen, dass das Higgs-Boson zerfallen könnte? dunkle Materie selbst? Oder werden sie jede kleine Standardmodellvorhersage über die Eigenschaften des Higgs-Bosons bestätigen und paradoxerweise das gesamte Untersuchungsgebiet ein für alle Mal beenden?

Weitere Informationen finden Sie in unserer ExtremeTech Explains-Serie.

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