Teilchen

Higgs-Partikel wissen, warum es Materie gibt

Der 14.000-Tonnen-Detektor Compact Muon Solenoid, CMS, wird umgebaut, um bessere Einsparungen zu erzielen.

© Michael Hoch / Maximilien Brice

Ein Netzwerk von Higgs-Teilchen umschließt das Universum, von fernen Galaxien bis hin zu menschlichen Zellen. Obwohl es nicht sichtbar oder direkt messbar ist, ist das Hochfeld mit Sicherheit stabil - sonst würde die Erde von Zeit zu Zeit schwerelos.

Seit der Erschaffung des Universums ist das Hochfeld ständig eingeschaltet und sorgt dafür, dass alle Bausteine ​​der Atome, wie Quarks und Elektronen, Masse haben.

Die Physik war jedoch besorgt darüber, wie das Massenfeld funktioniert, seit das Higgs-Teilchen 2012 zum ersten Mal in den Detektoren auftrat.

Das CERN möchte das Geheimnis des Higgs-Feldes aufdecken, indem es paarweise Higgs-Partikel erzeugt und untersucht, wie sie miteinander reagieren.

Die Produktion beginnt, sobald der große Large Hadron Collider, LHC, nach zweijähriger Aufrüstung im Jahr 2021 fertig ist.

Dann können die Physiker herausfinden, warum alles Masse hat - und große Paare können die Tür in die Welt der dunklen Materie öffnen.

Der 14.000-Tonnen-Detektor Compact Muon Solenoid, CMS, wird umgebaut, um bessere Einsparungen zu erzielen.

© Michael Hoch / Maximilien Brice

Partikel pflegen das Feld

Obwohl noch niemand die Natur des Feldes untersucht hat, haben Physiker eine Theorie darüber, wie es funktioniert.

Es gibt den Teilchen tatsächlich Energie und nach Albert Einsteins bekannter Gleichung E = mc2 ist Energie gleich Masse.

Das Hochfeld kann mit einem elektrischen Feld zwischen einer positiv und negativ geladenen Elektrode verglichen werden - obwohl ein elektrisches Feld verschwindet, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden beseitigt wird.

Das Massenfeld hingegen funktioniert im Universum für immer, weil die Higgs-Teilchen ständig miteinander reagieren. Die Reaktionen behalten die Ladung des Feldes bei, wodurch die Elementarteilchen ihre Masse erhalten.

Alle Teile von Atomen mit Masse haben eine unterschiedliche Wechselwirkung mit dem Hochfeld. Zum Beispiel sind Quarks stark feldgebunden und daher schwer.

Die Kopplung der Elektronen ist schwach, so dass sie leichter sind. Der LHC wird untersuchen, wie die Reaktionen der Higgs-Partikel das Feld aufrechterhalten.

Ablehnen gibt einen Hinweis

Der LHC hat vielleicht bereits 1000 Paare von Higgs gebildet, aber sie sind so selten, dass sie im Rauschen aller Partikel abfallen, die sich während der Milliarden von Kollisionen seit Beginn der Experimente im Jahr 2010 gebildet haben. Aber eine neue Entdeckung führt zu Optimismus.

Das Higgs-Teilchen wurde 2012 gefunden, weil es in zwei energiereiche Gammaphotonen zerfiel.

Im vergangenen Jahr fiel ein Higgs-Teilchen jedoch in zwei schwere Bottom-Quarks, die nur aus den energiereichen Protonenkollisionen beispielsweise im LHC stammen. Diese Art von Zerfall tritt wahrscheinlich in 60 Prozent der Fälle auf, in denen der LHC ein loses Higgs-Teilchen findet.

Gleiches gilt, wenn Higgs-Partikel paarweise erzeugt werden. Deshalb wissen Physiker jetzt, wonach sie bei der Datenmenge suchen müssen: die gleichzeitige Bildung von vier Bodenquarks.

Diese Anzeige erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass der LHC während seiner Lebensdauer erhebliche Einsparungen erzielt und bestimmen kann, wie er das ewige, universelle Massenfeld erzeugt.

Accelerator ist für die Suche nach hohen Einsparungen ausgestattet

Wenn die Protonen (Diagonalrohre, siehe Foto) im Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider mit einer Energie von 13 Billionen Elektronenvolt miteinander kollidieren, entsteht theoretisch auf 2000 losen Higgs-Teilchen ein Higg-Paar (gelbe Zahlen).

Die großen Paare kommen dank der vier Quarks (graue Kegel) zum Vorschein, die die Paare oft fallen lassen.

Da dies so selten vorkommt, kann die Paarproduktion nicht mit Sicherheit bestimmt werden. 2016 hat der große ATLAS-Detektor ein mögliches Higg-Paar gefunden, das den Physikern eine Vorstellung davon gibt, wonach sie suchen müssen.

Der LHC wird in zwei Phasen verbessert. Vor den Experimenten im Jahr 2021 werden die Detektoren aufgerüstet, damit sie mehr Higgsparen finden.

Der Beschleuniger selbst wird 2024 und 2025 angepasst und kann dann zehnmal so viele Protonen kollidieren lassen: 10 Milliarden pro Sekunde. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, ein Higg-Paar zu erzeugen.

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Higg-Paare kochen eine Ursuppe

Der LHC hat bereits die Ursuppe des Universums erschaffen, die etwa eine Mikrosekunde nach der Erschaffung existierte. Higg-Paare können jedoch einen Schritt zurückgehen und die Entstehung der Ursuppe selbst nachbilden, aus der das Higg-Feld entstand, eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall.

Zuvor wurde das frühe Universum während einer ultrakurzen Zeitspanne aufgrund der (hypothetischen) Inflatons schnell erweitert.

Als das Higg-Feld entstand, vollzog sich ein Phasenübergang wie beim Abkühlen des Dampfes zu flüssigem Wasser, und das Feld wandelt die Energie der Inflatons sofort in Masse um: die Quarks und Antiquarks der Ursuppe.

Wenn es gelingt, genügend Higg-Paare zu erzeugen und zu lernen, wie diese Teilchen zusammenwirken, können Physiker die Energiedichte des ursprünglichen Higgs-Feldes berechnen und herausfinden, wie intensiv der Phasenübergang war.

Wenn die Bildung des ursprünglichen Higg-Feldes einen extrem heftigen Phasenübergang zur Folge hatte, könnte die daraus resultierende Instabilität erklären, warum alle Systeme des Universums aus Materie bestehen.

Es ist seit vielen Jahren ein Rätsel, warum die Materie die Antimaterie besiegt hat. Theoretisch sind genauso viele Quarks wie Antiquarks entstanden, aber wenn dies der Fall wäre, würden die Galaxien nicht existieren.

Wenn Materie und Antimaterie zusammentreffen, verschwinden die Partikel. Aus diesem Grund muss für jede Milliarde Antiquarks ungefähr 1 Milliarde Quarks plus 1 erzeugt worden sein. Die überlebenden Quarks bildeten dann die ersten Atome.

Higgsveld schuf die Angelegenheit gleich nach dem Urknall

Eine Milliardstelsekunde nach dem Urknall versetzte das Higg-Feld Materie und Antimaterie in Masse. Jetzt wollen Physiker den Moment rekonstruieren, in dem das Feld entstanden ist, um zu erfahren, warum Antiteilchen verloren gehen und alles aus Materie besteht.

1. Das Universum wächst

Nach dem Urknall beginnt die Inflation, und das neu geschaffene Universum dehnt sich schneller aus als die Lichtgeschwindigkeit.

Wenn die Inflation eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall aufhört, endet die Energie aus der Expansion in einem Phasenübergang, den die Ursuppe erzeugt.

2. Higg-Feld wird erstellt

Der Phasenübergang schaltet sich im gesamten fußballgroßen Universum in das Hochfeld ein.

Dieses Feld gibt Quarks und ihren Antiteilchen, Antiquarks, Masse, die zusammen mit masselosen Kraftteilchen, Gluonen, die Ursuppe bilden.

Bei einer Kollision löschen sich Quarks und Antiquarks gegenseitig aus.

3. Materie gewinnt

Wenn der Phasenübergang heftig ist, erzeugt er eine Instabilität, die mehr Quarks als Antiquarks erzeugt.

Gluonen binden die überflüssigen Quarks drei bis drei in Protonen und Neutronen, die Atome und Galaxien bilden.

Reaktionen von Paaren von Higgs-Partikeln müssen zeigen, wie der Phasenübergang verlief.

Teilchen erzeugen ein dunkles Feld

Die Higgs-Teilchen und ihr Massenfeld wurden dem Standardmodell der Physik hinzugefügt, um zu erklären, wie alle atomaren Bausteine ​​Masse gewinnen.

Als der LHC das Higgs-Teilchen fand, wurde dieses Modell definitiv bewiesen. Aber es gibt Löcher - es erklärt nicht die dunkle Materie, die laut Astronomen 85 Prozent der gesamten Masse in den Galaxien ausmacht.

Higg-Paare können jedoch die Tür zur Welt der Dunklen Materie öffnen. Nach neuen "Theorien von allem" gibt es unbekannte Zwillinge des Higgs-Teilchens, und einer von ihnen würde ein dunkles Massenfeld erzeugen, das der dunklen Materie Masse verleiht.

Wenn diese Zwillinge wirklich da sind, werden Physiker mit dem aktualisierten LHC bis zu sechsmal so viele Einsparungen erzielen, wie das Standardmodell vorausgesehen hat.

Diese Abweichung wird ein starker indirekter Beweis für die Existenz dunkler Materie sein.

Gigantischer Beschleuniger bereit in den 2040er Jahren

Wenn der LHC nicht genügend hohe Einsparungen erzielen kann, wird der Future Circular Collider in den 2040er Jahren die Kontrolle übernehmen. Dieser enorme Beschleuniger kann dazu führen, dass Protonen sieben Mal so schnell wie der LHC kollidieren und mindestens 40 Mal so viele Higg-Paare bilden.

Damit lassen sich alle Arten von Rätseln lösen: Warum gibt es Materie, ob dunkle Materie existiert und warum haben die Teile der Atome Masse - in der Sonne, in Galaxien und in Menschen.

Video: Das Higgs-Boson Gottes Teilchen? Harald Lesch (March 2020).

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