Die Entdeckung des Higgs im Alter von 10 Jahren

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Die Entdeckung des Higgs im Alter von 10 Jahren

Vor zehn Jahren, am 4. Juli 2012, gaben die ATLAS- und CMS-Kollaborationen am Large Hadron Collider (LHC) die Entdeckung eines neuen Teilchens bekannt, dessen Eigenschaften mit denen des Higgs-Bosons übereinstimmen, die vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wurden. Die Entdeckung markierte einen Wendepunkt in der Geschichte der Wissenschaft und erregte die Aufmerksamkeit der Welt. Ein Jahr später gewannen François Englert und Peter Higgs den Nobelpreis für Physik für ihre Jahrzehnte zuvor mit dem verstorbenen Robert Brout gemachte Vorhersage eines neuen fundamentalen Feldes, bekannt als das Higgs-Feld, das das Universum durchdringt und sich als das manifestiert Higgs-Boson und verleiht Elementarteilchen Masse.

„Die Entdeckung des Higgs-Bosons war ein monumentaler Meilenstein in der Teilchenphysik. Es markierte sowohl das Ende einer jahrzehntelangen Erkundungsreise als auch den Beginn einer neuen Ära der Studien zu diesem ganz besonderen Teilchen“, sagte Fabiola Gianotti, CERN-Generaldirektorin und Projektleiterin („Sprecherin“) des ATLAS-Experiments. zum Zeitpunkt der Entdeckung. „Ich erinnere mich gerne an den Tag der Bekanntgabe, ein Tag großer Freude für die globale Teilchenphysik-Community und für alle Menschen, die jahrzehntelang unermüdlich daran gearbeitet haben, diese Entdeckung zu ermöglichen.“

Die Suche nach dem Higgs-Boson war eine internationale Anstrengung, an der Wissenschaftler von Forschern aus der ganzen Welt, einschließlich der UC Santa Barbara, teilnahmen. Die Physikprofessoren Claudio Campagnari, Joe Incandela, Jeffrey Richman und David Stuart – Mitglieder der High Energy Physics Group der UCSB – und ihre Teams aus Studenten, Postdocs und Ingenieuren gehörten zu den Wissenschaftlern, die die Entdeckung des Higgs-Bosons einleiteten. Incandela fungierte zum Zeitpunkt der Entdeckung auch als Projektmanager für die CMS-Kollaboration.

In nur zehn Jahren haben Physiker große Fortschritte in unserem Verständnis des Universums gemacht und nicht nur früh bestätigt, dass es sich bei dem 2012 entdeckten Teilchen tatsächlich um das Higgs-Boson handelt, sondern es Forschern auch ermöglicht, ihm einen Sinn zu geben wie sich die allgegenwärtige Präsenz eines Higgs-Feldbosons im gesamten Universum eine Zehntel-Milliardstel-Sekunde nach dem Urknall etablierte.

Die neue Reise so weit
Das neue Teilchen, das 2012 von den internationalen Kollaborationen ATLAS und CMS entdeckt wurde, sah dem vom Standardmodell vorhergesagten Higgs-Boson sehr ähnlich. Aber war es wirklich so ein begehrtes Teilchen? Unmittelbar nach der Entdeckung machten sich ATLAS und CMS daran, im Detail zu untersuchen, ob die Eigenschaften des entdeckten Teilchens wirklich mit den vom Standardmodell vorhergesagten übereinstimmen. Unter Verwendung von Daten aus dem Zerfall oder „Zerfall“ des neuen Teilchens in zwei Photonen, Träger der elektromagnetischen Kraft, zeigten die Experimente, dass das neue Teilchen keinen intrinsischen Drehimpuls oder Quantenspin hat – genau wie das Higgs-Boson. vom Standardmodell bereitgestellt. Im Gegensatz dazu haben alle anderen bekannten Elementarteilchen Spin: Materieteilchen wie „up“- und „down“-Quarks, die Protonen und Neutronen bilden, und krafttragende Teilchen wie W-Bosonen und Z.

Durch die Beobachtung der Produktion und des Zerfalls von Higgs-Bosonen aus Paaren von W- oder Z-Bosonen haben ATLAS und CMS bestätigt, dass diese ihre Masse durch ihre Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld erhalten, wie vom Standardmodell vorhergesagt. Die Stärke dieser Wechselwirkungen erklärt die kurze Reichweite der schwachen Kraft, die für eine Form von Radioaktivität verantwortlich ist und die Kernfusionsreaktion auslöst, die die Sonne antreibt.

Die Experimente zeigten auch, dass das Top-Quark, das Bottom-Quark und das Tau-Lepton – die die schwersten Fermionen sind – ihre Masse aus ihren Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld beziehen, wiederum wie vom Standardmodell vorhergesagt. Sie taten dies, indem sie beim Top-Quark die Entstehung des Higgs-Bosons mit Paaren von Top-Quarks und beim Bottom-Quark und dem Tau-Lepton den Zerfall des Bosons in Paare von Bottom-Quarks und von beobachteten Tau-Leptonen bzw. . Diese Beobachtungen bestätigten die Existenz einer Wechselwirkung oder Kraft namens Yukawa-Wechselwirkung, die Teil des Standardmodells ist, sich aber von allen anderen Kräften des Standardmodells unterscheidet: Sie wird durch das Higgs-Boson vermittelt und seine Kraft nicht quantisiert, d.h. sie sind keine Vielfachen einer bestimmten Einheit.

ATLAS und CMS haben die Masse des Higgs-Bosons bei 125 Milliarden Elektronenvolt (GeV) gemessen, mit einer beeindruckenden Genauigkeit von fast eins zu tausend. Die Masse des Higgs-Bosons ist eine Naturkonstante, die vom Standardmodell nicht vorhergesagt wird. Darüber hinaus kann die Masse des Higgs-Bosons zusammen mit der Masse des schwersten bekannten Elementarteilchens, dem Top-Quark, und anderen Parametern die Vakuumstabilität des Universums bestimmen.

Dies sind nur einige der konkreten Ergebnisse der zehnjährigen Erforschung des Higgs-Bosons im größten und leistungsstärksten Collider der Welt, dem einzigen Ort der Welt, an dem dieses einzigartige Teilchen produziert und im Detail untersucht werden kann.

„Die vom LHC bereitgestellten großen Datenproben, die hervorragende Leistung der ATLAS- und CMS-Detektoren und neue Analysetechniken haben es beiden Kollaborationen ermöglicht, die Empfindlichkeit ihrer Higgs-Boson-Messungen über das hinaus zu erweitern, was bei der Entwicklung der Experimente für möglich gehalten wurde. sagte ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker.

Seit der LHC 2010 damit begann, Protonen mit Rekordenergien zu kollidieren, und dank der beispiellosen Empfindlichkeit und Präzision der vier Hauptexperimente, haben die LHC-Kollaborationen außerdem mehr als 60 vorhergesagte zusammengesetzte Teilchen durch das Standardmodell entdeckt, von denen einige exotisch sind. Tetraquarks“ und „Pentaquarks“. Die Experimente enthüllten auch eine Reihe faszinierender Hinweise auf Abweichungen vom Standardmodell, die weiter untersucht werden müssen, und untersuchten das Quark-Gluon-Plasma, das das frühe Universum mit beispiellosen Details erfüllte. Sie beobachteten auch viele seltene Teilchenprozesse, führten immer genauere Messungen von Phänomenen des Standardmodells durch und betraten neue Wege bei der Suche nach neuen Teilchen, die über die vom Standardmodell vorhergesagten hinausgehen, einschließlich Teilchen, die dunkle Materie darstellen könnten, die den größten Teil der Masse ausmacht von das Weltall.

Die Ergebnisse dieser Forschung fügen unserem Verständnis der Grundlagenphysik wichtige Elemente hinzu. „Entdeckungen in der Teilchenphysik bedeuten nicht unbedingt neue Teilchen“, sagte CERN-Direktor für Forschung und Datenverarbeitung, Joachim Mnich. „Die LHC-Ergebnisse, die wir über ein Jahrzehnt des Maschinenbetriebs erhalten haben, haben es uns ermöglicht, ein viel breiteres Netzwerk in unserer Forschung zu erweitern, den möglichen Erweiterungen des Standardmodells feste Grenzen zu setzen und neue Forschungs- und Datenanalysetechniken vorzuschlagen. ”

Bemerkenswerterweise basieren alle bisher erzielten LHC-Ergebnisse auf nur 5 % der gesamten Datenmenge, die der Collider während seiner Lebensdauer liefern wird. „Mit dieser ‚kleinen‘ Probe hat der LHC große Fortschritte in unserem Verständnis der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen gemacht“, sagte CERN-Theoretiker Michelangelo Mangano. „Und obwohl alle bisher erzielten Ergebnisse mit dem Standardmodell übereinstimmen, gibt es noch viel Raum für neue Phänomene, die über das hinausgehen, was diese Theorie vorhersagt.“

„Das Higgs-Boson selbst könnte auf neue Phänomene hinweisen, von denen einige für die dunkle Materie im Universum verantwortlich sein könnten“, sagte CMS-Sprecher Luca Malgeri. „ATLAS und CMS betreiben eine Menge Forschung, um alle Formen unerwarteter Prozesse zu untersuchen, an denen das Higgs-Boson beteiligt ist.“

Die Reise, die uns noch erwartet
Was bleibt zehn Jahre später über das Higgs-Feld und das Higgs-Boson zu lernen? Viel. Verleiht das Higgs-Feld auch leichteren Fermionen Masse oder könnte ein anderer Mechanismus im Spiel sein? Ist das Higgs-Boson ein Elementar- oder ein zusammengesetztes Teilchen? Kann es mit dunkler Materie interagieren und die Natur dieser mysteriösen Form von Materie enthüllen? Was erzeugt die Masse und die Selbstwechselwirkung des Higgs-Bosons? Hat er Zwillinge oder Eltern?

Die Antworten auf diese und andere faszinierende Fragen zu finden, wird nicht nur unser Verständnis des Universums in den kleinsten Maßstäben vertiefen, sondern kann auch dazu beitragen, einige der größten Geheimnisse des Universums als Ganzes zu lüften, beispielsweise wie er so wurde, wie er ist. und was sein endgültiges Schicksal sein könnte. Insbesondere die Selbstwechselwirkung des Higgs-Bosons könnte den Schlüssel zum besseren Verständnis des Ungleichgewichts zwischen Materie und Antimaterie und der Stabilität des Vakuums im Universum enthalten.

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons vor zehn Jahren haben Mitglieder der High Energy Physics-Gruppe der UCSB einige der Eigenschaften dieses Teilchens untersucht, wie etwa seine Lebensdauer und seine Wechselwirkungen mit Top- und Charmed-Quarks. Sie verwendeten auch Higgs-Bosonen als Werkzeug, um nach neuen physikalischen Phänomenen zu suchen. Die Bemühungen an der UCSB sind breit gefächert, mit vielen Postdocs, Doktoranden und Studenten, die an den Bemühungen beteiligt sind, den Detektor zu bauen, zu betreiben und zu aktualisieren, die Softwarealgorithmen zu entwickeln, die Daten zu analysieren und die Ergebnisse zu veröffentlichen. Die UCSB-Bemühungen wurden während der gesamten Entdeckung des Higgs und seitdem vom Office of Science des US-Energieministeriums und der National Science Foundation finanziert.

Während die Antworten auf einige der neuen Fragen durch Daten aus dem bevorstehenden dritten LHC-Lauf oder dem großen Collider-Upgrade, dem High-Luminosity LHC, ab 2029 geliefert werden könnten, werden die Antworten auf andere Rätsel als außerhalb der Reichweite des LHC betrachtet und erfordern eine zukünftige „Higgs-Fabrik“. Aus diesem Grund untersuchen CERN und seine internationalen Partner die technische und finanzielle Machbarkeit einer viel größeren und leistungsstärkeren Maschine, des zukünftigen Circular Collider, als Reaktion auf eine Empfehlung, die in der neuesten Aktualisierung der europäischen Strategie für Teilchenphysik ausgesprochen wurde.

„Hochenergiebeschleuniger bleiben die leistungsstärksten Mikroskope, die uns zur Verfügung stehen, um die Natur im kleinsten Maßstab zu erforschen und die grundlegenden Gesetze aufzudecken, die das Universum regieren“, sagte Gian Giudice, Leiter der Theorieabteilung des CERN. „Darüber hinaus bringen diese Maschinen auch enorme gesellschaftliche Vorteile.“

In der Vergangenheit hatten die Beschleunigungs-, Sensor- und Computertechnologien im Zusammenhang mit Hochenergie-Collidern einen großen positiven Einfluss auf die Gesellschaft, mit Erfindungen wie dem World Wide Web, Detektorentwicklungen, die zum PET-Scanner (Positronen-Emissions-Tomographie) führten, und dem Design von Beschleuniger für die Hadrontherapie in der Krebsbehandlung. Darüber hinaus haben Design, Bau und Betrieb von Collidern und Teilchenphysik-Experimenten zur Ausbildung neuer Generationen von Wissenschaftlern und Fachleuten auf anderen Gebieten und zu einem einzigartigen Modell internationaler Zusammenarbeit geführt.

-Sarah Charley, CERN