Hat der LHC praktische Anwendungen für das Higgs-Boson gefunden?

Aus nur einem Blick auf die atemlose Berichterstattung in den Medien und die Bilder von Physikern in der Schweiz, die Champagner knallten, konnte der Laie leicht erkennen, dass es eine große Sache war, das Higgs zu finden. Aber was genau dieser große Deal mit unseren kleinen Leben zu tun hatte, war etwas schwieriger zu beantworten. Was genau bedeutet es im praktischen Sinne?

Lassen Sie uns zunächst einen kleinen Hintergrund über den Large Hadron Collider (LHC) und die Experimente im Allgemeinen schaffen, die bei der Europäischen Organisation für Kernforschung durchgeführt wurden. (Wir werden es mit dem Akronym CERN identifizieren , was ehrlich gesagt Sinn macht, wenn Sie den alten Namen der Organisation verwenden und Französisch sprechen.) Kurz gesagt, der LHC beschleunigt Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und stürzt dann ab Sie zusammen. Die Kollision erzeugt keinen Big Bang , sondern einen Teeny Tiny Bang – eine extrem kleine Version dessen, wie es Sekunden nach Beginn des Universums aussah.

In diesen Momenten unmittelbar nach dem Zusammenprall der Protonen prallen sie nicht einfach aneinander ab. Die Energie der resultierenden Explosion ermöglicht es uns, viel schwerere Partikel zu sehen. Sie sind extrem flüchtig und zerfallen innerhalb von Mikrosekunden in noch andere Teilchen. Aber es sind diese klitzekleinen Trümmerstücke, die beginnen können, große große physikalische Fragen zu beantworten. Das Higgs-Boson ist ein solches Teilchen und hat Wissenschaftler in die Knie gezwungen.

Das Higgs-Boson „erklärt“ weder die Physik noch ist es der Schlüssel zum Verständnis des Universums. Wenn die Physik ein gigantisches Puzzle wäre, könnte uns das Finden des Higgs dabei helfen festzustellen, dass das Puzzle ein Bild eines Bootes enthält – aber es passt immer noch nicht alle Teile zusammen oder lässt uns sogar wissen, ob das Boot das Thema ist oder wie viele Teile es gibt. Vielleicht erscheint das ein wenig antiklimaktisch für etwas, das gelegentlich als „das Gottesteilchen“ bezeichnet wird, was erklären könnte, warum Physiker den Begriff hören und zusammenzucken. Das Higgs ist vielleicht die wichtigste physikalische Entdeckung unserer Generation, aber es bedeutet nicht, dass wir herausgefunden haben, warum wir hier sind oder was das Sagen hat.

Aber genug darüber, was das Higgs nicht ist. Lassen Sie uns auf die coolen Dinge eingehen, die uns das Higgs sagt, bevor wir uns mit den praktischen "Nutzungen" befassen, die sich aus seiner Entdeckung ergeben könnten.

Die offensichtlichste Antwort auf das, was das Higgs bisher für uns getan hat, ist, dass es Beweise dafür liefert, dass das Higgs-Feld existiert. Und bevor Sie die Stirn runzeln, beschweren Sie sich bitter über diese Copout-Antwort und laden Sie uns ein, Ihrem Tautologie-Club beizutreten, hören Sie uns zu. Physiker hatten lange Mühe zu erklären, warum ihre Gleichungen nur dann Sinn machten, wenn bestimmte Teilchen keine Masse hatten – obwohl die fraglichen Teilchen tatsächlich eine beobachtbare Masse hatten.

Ihre Theorie war, dass das Higgs-Feld existierte: eine Suppe aus Higgs-Bosonen, die Elementarteilchen Masse verlieh. Es ist nicht so, dass die Bosonen den Partikeln jede Menge Stärke und Fette zuführten; Das Feld selbst – das das Universum vollständig durchdringt – ließ die Partikel sich langsamer bewegen, sodass sie zusammenklumpen und Materie erzeugen konnten. Denken Sie an eine Murmel, die schnell um eine gekippte Kuchenform peitscht. Fügen Sie eine dicke Schicht Mehl in die Pfanne, und plötzlich arbeitet sich der Marmor durch die Körner, während er geht.

Sie werden vielleicht sehen, warum diese Lösung ansprechend war. Die hübschen Gleichungen mussten nicht geändert werden, da die Teilchen immer noch masselos sein konnten, während gleichzeitig anerkannt wurde, dass sie tatsächlich auf irgendeine Weise an Masse zunahmen.

Hier kamen Theorie und Experiment zusammen. Indem sie die Protonen auseinanderbrachen, um ein Urknall-ähnliches Ereignis zu untersuchen, konnten Wissenschaftler ein Teilchen finden, das sich ähnlich verhielt, wie sie es von Higgs vorhergesagt hatten. Mit anderen Worten, für einen Zeitraum, den wir großzügigerweise nur den Bruchteil einer Sekunde nennen können, konnten Physiker einen Teil der Trümmer der Explosion sehen, die einem bestimmten Weg folgten, der darauf hinwies, dass sich ihr Verhalten von dem der bekannten Teilchen unterschied. Es hatte ein Massen- und Zerfallsmuster, das es in einer Reihe möglicher Higgs-Verdächtiger hervorhob.

Wie wir bereits gesagt haben, bedeutete die Entdeckung des Higgs-Bosons in erster Linie, dass wir jetzt Beweise für das Higgs-Feld hatten. (Schließlich braucht man mindestens ein Sandkorn, um zu beweisen, dass ein Strand existiert.) Und der Beweis, dass das Higgs-Feld existiert, war ein großer Schritt, um zu erklären, wie das Universum an Masse gewinnt.

Es ist zwar wichtig, sich daran zu erinnern, dass das Higgs nur Elementarteilchen wie Elektronen und Quarks Masse verleiht, aber das bedeutet nicht, dass es für Sie und mich gleich ist [Quelle: CERN ]. Der Kern der Sache ist: Ohne die Existenz des Higgs wäre das Universum nicht in der Lage, Atome und Moleküle zu bilden. Stattdessen würden Elektronen und Quarks wie Photonen einfach mit Lichtgeschwindigkeit vorbeiblitzen. Sie würden niemals in der Lage sein, irgendeine Art von zusammengesetzter Materie zu bilden. Das Universum wäre also masselos. Wir würden nicht existieren, und auch nichts in irgendeiner Form, das wir erkennen.

Das Finden des Higgs trägt auch viel dazu bei, zu erklären, warum das Standardmodell – die führende Theorie der Physik, die die kleinsten Teile des Universums beschreibt – richtig ist. Jedes im Standardmodell vorhergesagte Teilchen war gefunden worden, abzüglich des Higgs. Die Entdeckung des Higgs trägt also wesentlich dazu bei, zu bestätigen, dass die Theorie auf dem richtigen Weg ist.

Aber erinnern Sie sich, was wir darüber gesagt haben, dass wir nur eine Vorstellung vom Thema unseres Puzzles haben? Das Vervollständigen des Standardmodells ermöglicht es uns vielleicht, mehr Teile des Puzzles zusammenzufügen, aber es bedeutet nicht, dass das Puzzle selbst fertig ist. Das liegt daran, dass das Standardmodell uns weder eine Beschreibung der Schwerkraft gibt noch eine unserer Fragen zu dunkler Materie und dunkler Energie beantwortet – und diese machen satte 96 Prozent unseres Universums aus [Quelle: Jha ]. Einfach zu sagen, dass wir herausgefunden haben, dass Higgs existiert – was das Standardmodell bestätigt – gibt uns nicht wirklich viel mehr als eine ganze Reihe neuer Ideen darüber, was darüber hinaus existiert.

Schlimmer noch, einer dieser Ideen – der Supersymmetrie – geht aufgrund der Higgs-Entdeckung schnell die Puste aus. Supersymmetrie besagt, dass jedes fundamentale Teilchen einen Superpartner hat, der Kraft und Materie vereint und möglicherweise sogar die Basis von Dunkler Materie oder Energie ist. Leider findet der LHC diese Superpartner nicht, wenn die Vorhersagen darauf hindeuten, dass er in der Lage sein sollte, sie zu erkennen [Quelle: Jha ]. Eine praktische "Nutzung" des Higgs ist also, dass es Wissenschaftler dazu bringen könnte, Theorien zu überdenken, die über das Standardmodell hinausgehen.

Aber fühlen Sie sich noch nicht wie ein Glückspilz. Denken Sie daran, dass wir damals, als elektromagnetische Wellen im 19. Jahrhundert zum ersten Mal entdeckt wurden, nicht wussten, dass sie uns letztendlich helfen würden, das Baseballspiel zu hören, einen gefrorenen Burrito zu atomisieren oder es uns ermöglichen würden, den ganzen Tag auf unsere iPhones zu starren. Während die Entdeckung des Higgs vielleicht noch keine erkennbaren Anwendungen hat, könnten sie nur ein "Heureka!" Weg.

Anmerkung des Autors: Hat der LHC praktische Anwendungen für das Higgs-Boson gefunden?

Ich würde gerne glauben, dass die Entdeckung des Higgs wirklich mehr bewirkt, als nur das Standardmodell zu bestätigen. Es wäre cool, wenn wir einen Weg für das Higgs finden würden, um beispielsweise anderen Dingen Masse hinzuzufügen, von denen wir glauben, dass sie etwas Masse brauchen. Wie zu dünne Marinara-Saucen. Alles ist möglich!

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