Was genau ist das Higgs-Boson?

Die Teilchenphysik hat es normalerweise schwer, mit Politik und Promi-Klatsch um Schlagzeilen zu konkurrieren, aber das Higgs-Boson hat ernsthafte Aufmerksamkeit erregt. Genau das geschah jedoch am 4. Juli 2012, als Wissenschaftler des CERN bekannt gaben, dass sie ein Teilchen gefunden hatten, das sich so verhielt, wie sie es vom Higgs-Boson erwarten. Vielleicht hat der großartige und umstrittene Spitzname des berühmten Bosons, das „Gottesteilchen“, die Medien in Atem gehalten. Andererseits regt auch die faszinierende Möglichkeit, dass das Higgs-Boson für die gesamte Masse im Universum verantwortlich ist, die Fantasie an. Oder vielleicht sind wir einfach nur aufgeregt, mehr über unsere Welt zu erfahren, und wir wissen, dass wir das Geheimnis ein wenig mehr lüften werden, wenn das Higgs-Boson existiert.

Um wirklich zu verstehen, was das Higgs-Boson ist, müssen wir jedoch eine der prominentesten Theorien untersuchen, die die Funktionsweise des Kosmos beschreiben: das Standardmodell . Das Modell kommt uns über die Teilchenphysik , ein Gebiet voller Physiker, die sich der Reduzierung unseres komplizierten Universums auf seine grundlegendsten Bausteine ​​verschrieben haben. Es ist eine Herausforderung, der wir uns seit Jahrhunderten stellen, und wir haben große Fortschritte gemacht. Zuerst entdeckten wir Atome, dann Protonen, Neutronen und Elektronen und schließlich Quarks und Leptonen (dazu später mehr). Aber das Universum enthält nicht nur Materie; es enthält auch Kräfte, die auf diese Materie einwirken. Das Standardmodell hat uns mehr Einblick in die Arten von Materie und Kräften gegeben als vielleicht jede andere Theorie, die wir haben.

Hier ist der Kern des Standardmodells, das in den frühen 1970er Jahren entwickelt wurde: Unser gesamtes Universum besteht aus 12 verschiedenen Materieteilchen und vier Kräften [Quelle: Europäische Organisation für Kernforschung ]. Unter diesen 12 Teilchen treffen Sie auf sechs Quarks und sechs Leptonen. Quarks bilden Protonen und Neutronen, während Mitglieder der Lepton -Familie das Elektron und das Elektron Neutrino , sein neutral geladenes Gegenstück, umfassen. Wissenschaftler glauben, dass Leptonen und Quarks unteilbar sind; dass man sie nicht in kleinere Teilchen zerlegen kann. Neben all diesen Teilchen erkennt das Standardmodell auch vier Kräfte an: Schwerkraft , elektromagnetische, starke und schwache.

Theorien zufolge war das Standardmodell sehr effektiv, abgesehen davon, dass es nicht in die Schwerkraft passt. Damit bewaffnet, haben Physiker die Existenz bestimmter Teilchen Jahre vorhergesagt, bevor sie empirisch bestätigt wurden. Leider fehlt dem Modell noch ein weiteres Teil – das Higgs-Boson. Was ist das und warum ist es notwendig, dass das Universum, das das Standardmodell beschreibt, funktioniert? Lass es uns herausfinden.

Wie sich herausstellt, glauben Wissenschaftler, dass jede dieser vier fundamentalen Kräfte ein entsprechendes Trägerteilchen oder Boson hat, das auf Materie einwirkt. Das ist ein schwer zu fassendes Konzept. Wir neigen dazu, uns Kräfte als mysteriöse, ätherische Dinge vorzustellen, die die Grenze zwischen Existenz und Nichts überspannen, aber in Wirklichkeit sind sie so real wie die Materie selbst.

Einige Physiker haben Bosonen als Gewichte beschrieben, die durch mysteriöse Gummibänder an den Materieteilchen verankert sind, die sie erzeugen. Wenn wir diese Analogie verwenden, können wir uns vorstellen, dass die Teilchen ständig in einem Augenblick aus der Existenz zurückkehren und dennoch gleichermaßen in der Lage sind, sich mit anderen Gummibändern zu verheddern, die an anderen Bosonen befestigt sind (und dabei Kraft übertragen).

Wissenschaftler glauben, dass jedes der vier grundlegenden Bosonen seine eigenen spezifischen Bosonen hat. Elektromagnetische Felder sind zum Beispiel darauf angewiesen, dass das Photon elektromagnetische Kraft auf Materie überträgt. Physiker vermuten, dass das Higgs-Boson eine ähnliche Funktion hat – aber selbst Masse überträgt.

Kann Materie nicht einfach von Natur aus Masse haben, ohne dass das Higgs-Boson die Dinge verwirrt? Nicht nach dem Standardmodell. Doch Physiker haben eine Lösung gefunden. Was wäre, wenn alle Teilchen keine eigene Masse haben, sondern stattdessen Masse gewinnen, indem sie ein Feld passieren? Dieses als Higgs-Feld bekannte Feld könnte verschiedene Teilchen auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Photonen könnten unbeeinflusst hindurchgleiten, während W- und Z-Bosonen mit Masse stecken bleiben würden. Unter der Annahme, dass das Higgs-Boson existiert, erhält alles, was Masse hat, diese durch Wechselwirkung mit dem allmächtigen Higgs-Feld, das das gesamte Universum einnimmt. Wie die anderen vom Standardmodell abgedeckten Felder würde das Higgs-Teilchen ein Trägerteilchen benötigen, um andere Teilchen zu beeinflussen, und dieses Teilchen ist als Higgs-Boson bekannt.

Am 4. Juli 2012 gaben Wissenschaftler des Large Hadron Collider (LHC) ihre Entdeckung eines Teilchens bekannt, das sich so verhält, wie sich das Higgs-Boson verhalten sollte. Die Ergebnisse werden zwar mit einem hohen Maß an Sicherheit veröffentlicht, sind aber noch etwas vorläufig. Einige Forscher nennen das Teilchen „Higgslike“, bis die Ergebnisse – und die Daten – einer eingehenderen Prüfung standhalten. Ungeachtet dessen könnte dieser Befund eine Zeit der schnellen Entdeckung unseres Universums einleiten.

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