Wir alle kennen und lieben das Higgs-Boson, das zum Leidwesen der Physiker in den Medien fälschlicherweise als "Gott-Teilchen" bezeichnet wurde - ein subatomares Teilchen, das 2012 erstmals im Large Hadron Collider (LHC) entdeckt wurde. Dieses Teilchen ist ein Stück eines Feldes, das die gesamte Raumzeit durchdringt; Es interagiert mit vielen Teilchen wie Elektronen und Quarks und versorgt diese Teilchen mit Masse, was ziemlich cool ist.
Aber die Higgs, die wir entdeckten, waren überraschend leicht. Nach unseren besten Schätzungen hätte es viel schwerer sein sollen. Dies wirft eine interessante Frage auf: Sicher, wir haben ein Higgs-Boson entdeckt, aber war das das einzige Higgs-Boson? Schweben da draußen mehr herum und machen ihre eigenen Sachen?
Obwohl wir noch keine Beweise für einen schwereren Higgs haben, beschäftigt sich ein Forscherteam des LHC, des weltweit größten Atomzerstörers, mit dieser Frage, während wir sprechen. Und es ist die Rede davon, dass beim Zusammenschlagen von Protonen im ringförmigen Kollider kräftige Higgs und sogar Higgs-Partikel aus verschiedenen Arten von Higgs aus dem Versteck kommen könnten.
Wenn das schwere Higgs tatsächlich existiert, müssen wir unser Verständnis des Standardmodells der Teilchenphysik mit der neu entdeckten Erkenntnis neu konfigurieren, dass das Higgs viel mehr beinhaltet, als man denkt. Und innerhalb dieser komplexen Wechselwirkungen könnte es einen Hinweis auf alles geben, von der Masse des geisterhaften Neutrinoteilchens bis zum endgültigen Schicksal des Universums.
Alles über den Boson
Ohne das Higgs-Boson stürzt so ziemlich das gesamte Standardmodell ab. Um jedoch über das Higgs-Boson zu sprechen, müssen wir zunächst verstehen, wie das Standardmodell das Universum betrachtet.
In unserer besten Vorstellung von der subatomaren Welt unter Verwendung des Standardmodells ist das, was wir als Partikel betrachten, eigentlich nicht sehr wichtig. Stattdessen gibt es Felder. Diese Felder durchdringen und saugen den gesamten Raum und die gesamte Zeit auf. Für jede Art von Teilchen gibt es ein Feld. Es gibt also ein Feld für Elektronen, ein Feld für Photonen und so weiter und so fort. Was Sie als Partikel betrachten, sind wirklich lokale kleine Schwingungen in ihren jeweiligen Bereichen. Und wenn Teilchen interagieren (indem sie beispielsweise voneinander abprallen), sind es wirklich die Schwingungen auf den Feldern, die einen sehr komplizierten Tanz machen.
Das Higgs-Boson hat ein besonderes Feld. Wie die anderen Felder durchdringt es den gesamten Raum und die Zeit und kann mit den Feldern aller anderen sprechen und spielen.
Aber das Higgs-Feld hat zwei sehr wichtige Aufgaben zu erledigen, die von keinem anderen Feld erreicht werden können.
Seine erste Aufgabe ist es, mit den W- und Z-Bosonen (über ihre jeweiligen Felder), den Trägern der schwachen Atomkraft, zu sprechen. Durch das Gespräch mit diesen anderen Bosonen können die Higgs ihnen Masse geben und sicherstellen, dass sie von den Photonen, den Trägern elektromagnetischer Kraft, getrennt bleiben. Ohne die Higgs-Boson-Interferenz würden alle diese Träger zusammengeführt und diese beiden Kräfte würden zusammengeführt.
Die andere Aufgabe des Higgs-Bosons besteht darin, mit anderen Teilchen wie Elektronen zu sprechen. durch diese Gespräche gibt es ihnen auch Masse. Das alles funktioniert gut, weil wir keine andere Möglichkeit haben, die Massen dieser Teilchen zu erklären.
Leicht und schwer
Dies alles wurde in den 1960er Jahren durch eine Reihe komplizierter, aber sicherlich eleganter Mathematik herausgearbeitet, aber die Theorie hat nur einen winzigen Haken: Es gibt keine wirkliche Möglichkeit, die genaue Masse des Higgs-Bosons vorherzusagen. Mit anderen Worten, wenn Sie in einem Partikelkollider nach dem Partikel suchen (das ist die kleine lokale Schwingung des viel größeren Feldes), wissen Sie nicht genau, was und wo Sie es finden werden.
Im Jahr 2012 kündigten Wissenschaftler am LHC die Entdeckung des Higgs-Bosons an, nachdem sie herausgefunden hatten, dass einige der Teilchen, die das Higgs-Feld darstellen, erzeugt worden waren, als Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ineinander geschlagen wurden. Diese Teilchen hatten eine Masse von 125 Gigaelektronvolt (GeV) oder ungefähr das Äquivalent von 125 Protonen - es ist also ziemlich schwer, aber nicht unglaublich groß.
Auf den ersten Blick klingt alles gut. Die Physiker hatten keine feste Vorhersage für die Masse des Higgs-Bosons, also könnte es sein, was immer es sein wollte; Wir fanden zufällig die Masse im Energiebereich des LHC. Brechen Sie das Sprudeln aus und fangen wir an zu feiern.
Abgesehen davon, dass es einige zögernde Halbvorhersagen über die Masse des Higgs-Bosons gibt, die auf der Art und Weise basieren, wie es mit einem weiteren Teilchen, dem Top-Quark, interagiert. Diese Berechnungen sagen eine Zahl voraus, die weit über 125 GeV liegt. Es könnte einfach sein, dass diese Vorhersagen falsch sind, aber dann müssen wir zur Mathematik zurückkehren und herausfinden, wohin die Dinge gehen. Oder die Nichtübereinstimmung zwischen allgemeinen Vorhersagen und der Realität dessen, was im LHC gefunden wurde, könnte bedeuten, dass die Higgs-Boson-Geschichte mehr beinhaltet.
Riesige Higgs
Es könnte eine ganze Vielzahl von Higgs-Bosonen geben, die zu schwer sind, als dass wir sie mit unserer aktuellen Generation von Partikelkollidern sehen könnten. (Die Masse-Energie-Sache geht auf Einsteins berühmte E = mc ^ 2-Gleichung zurück, die zeigt, dass Energie Masse und Masse Energie ist. Je höher die Masse eines Teilchens ist, desto mehr Energie hat es und desto mehr Energie wird benötigt, um dieses Gewicht zu erzeugen Sache.)
Tatsächlich sagen einige spekulative Theorien, die unser Wissen über Physik über das Standardmodell hinaus treiben, die Existenz dieser schweren Higgs-Bosonen voraus. Die genaue Art dieser zusätzlichen Higgs-Zeichen hängt natürlich von der Theorie ab und reicht von ein oder zwei extra schweren Higgs-Feldern bis hin zu zusammengesetzten Strukturen aus mehreren verschiedenen Arten von zusammengeklebten Higgs-Bosonen.
Theoretiker arbeiten hart daran, einen möglichen Weg zu finden, um diese Theorien zu testen, da die meisten von ihnen für aktuelle Experimente einfach nicht zugänglich sind. In einem kürzlich im Journal of High Energy Physics eingereichten und online im Preprint-Journal arXiv veröffentlichten Artikel hat ein Team von Physikern einen Vorschlag unterbreitet, nach der Existenz weiterer Higgs-Bosonen zu suchen, basierend auf der besonderen Art und Weise, in die die Teilchen zerfallen könnten leichtere, leichter erkennbare Teilchen wie Elektronen, Neutrinos und Photonen. Diese Zerfälle sind jedoch äußerst selten, so dass wir sie zwar im Prinzip mit dem LHC finden können, die Suche jedoch noch viele Jahre dauern wird, um genügend Daten zu sammeln.
Wenn es um die schweren Higgs geht, müssen wir nur geduldig sein.
