Wie sieht das Higgs-Boson aus?

Während die Physiker vor Freude in die Luft sprangen, als sie das Higgs-Boson „sehen“ wollten – jenes schwer fassbare Teilchen, das das Higgs-Feld bildet, das es Teilchen ermöglicht, an Masse zu gewinnen – sahen sie in Wahrheit eine ganze Reihe von Zahlen, Grafiken und allgemeinen Daten, die es aussagten dass das Higgs-Boson entdeckt wurde. Und selbst zu sagen, dass es "entdeckt" wurde, verdient eine Erklärung.

Wie berichtet, lagen die gesammelten Daten auf einem Sicherheitsniveau von 5 Sigma. Sie haben vielleicht gehört, dass „5-Sigma“ darauf hinweist, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das berühmte Boson nicht existiert, bei 1 zu 3,5 Millionen liegt. Aber nicht so schnell. Wie bei vielen Nachrichten aus der Physik ist es komplizierter. Das Konfidenzniveau von fünf Sigma bedeutete tatsächlich, dass die Wahrscheinlichkeit bei 1 zu 3,5 Millionen bestand, dass CERN-Mitarbeiter dieselben Ergebnisse gesehen hätten, selbst wenn kein Higgs-Teilchen existierte. Mit anderen Worten, es besteht eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 3,5 Millionen, dass ein Experiment zum Auffinden des Higgs zu Ergebnissen führen würde, die dies zu bestätigen schienen, selbst wenn kein solches Teilchen existierte.

Wenn Wissenschaftler am CERN (der Europäischen Organisation für Kernforschung ) also nicht erwartet hatten, etwas zu sehen, das einer Requisite in einer Bühnenproduktion von „Peter Pan“ ähnelte, wonach suchten sie dann? Dass Teilchen wie Elektronen und Quarks eine Masse haben, hat Physiker lange Zeit verwundert. Sie beschämten nicht die kleinen Kerlchen, aus denen Atome und Moleküle bestehen; Es war nur so, dass ihre mathematischen Darstellungen eines symmetrischen Universums nicht wirklich funktionierten, es sei denn, die Teilchen waren masselos [Quelle: Greene ].

Peter Higgs und einige seiner Physikerkollegen hatten eine Idee. Anstatt zu versuchen herauszufinden, wie all diese Gleichungen modifiziert und entworfen werden könnten, um mit massebeladenen Partikeln zu funktionieren, warum nicht die Mathematik beibehalten und die Annahme hinzufügen, dass die Partikel in einem Feld arbeiten, das einen Widerstand auf sie ausübt? Wenn das der Fall wäre, könnten wir in diesem "Feld" eine Substanz finden, die einem Teilchen Masse hinzufügt, indem sie Widerstand erzeugt. Stellen Sie sich eine Fliege vor, die durch die Luft schwirrt; es zischt ganz gut dahin, bis es auf starken Gegenwind trifft. Plötzlich fühlt sich unsere flinke kleine Fliege ganz schwer an. So würde es mit unseren Teilchen sein, wenn sie durch das Higgs-Feld stapften.

Natürlich suchten die Physiker nicht gerade nach einer Art universellem Ahornsirup, in dem wir alle unbemerkt geschwommen waren. Vielmehr suchten sie nach Teilchen, die ein Higgs-Feld bilden könnten, und sie dachten, ihre Suche könnte erfolgreich sein, wenn sie einfach die Bedingungen direkt nach dem Urknall reproduzieren könnten . Unter diesen Bedingungen können wir sehen, wie Dinge wie Quarks und Leptonen herumflogen und ob auch so etwas wie das Higgs-Boson geschaffen wurde, um die Masse bereitzustellen, die es ihnen ermöglicht, sich zu zusammengesetzten Teilchen wie Protonen zu verklumpen [Quelle: STFC ].

Der Large Hadron Collider ist wie eine NASCAR-Strecke für Schwärme von rasenden Protonen (und auch einige schwere Ionen). Diese Protonen rasen in entgegengesetzte Richtungen um den fast 27 Kilometer langen Kreis herum und treffen millionenfach pro Sekunde aufeinander [Quelle: Greene ]. Wenn sie kollidieren, zerfallen die Kompositpartikel in ihre kleineren Teile – Quarks und Leptonen. Die erzeugte Energie kann es uns ermöglichen, wirklich, wirklich schwere Partikel zu sehen, die bei der Kollision entstehen.

Hier beginnen wir, Dinge wie das Higgs-Boson zu „sehen“. Die Detektoren im LHC messen die Energie und Ladung der Teilchen, die bei den Protonenkollisionen explodieren. Die Detektoren sind keine schrumpfenden Veilchen – der größte am LHC ist 82 Fuß (25 Meter) hoch und ebenso breit. Sie müssen so groß sein, weil riesige Magnete verwendet werden, um den Weg der Teilchen zu krümmen

Wenn wir den Weg der Teilchen innerhalb eines Magnetfelds krümmen, können wir sehen, wie sie unterschiedlich reagieren – einige mit wirklich hohem Impuls gehen immer noch in einer geraden Linie, solche mit geringerem Impuls werden eng spiralförmig [Quelle: CERN ]. Impuls ist also eine hilfreiche Information, die Forscher und Physiker untersuchen können, wenn sie über die Identität eines bestimmten Teilchens rätseln.

Ortungsgeräte in Detektoren sind ebenfalls praktisch. Ein Tracking-Gerät zeichnet elektronische Signale auf, die Partikel hinterlassen, wenn sie durch den Detektor sausen, was es wiederum einem Computer ermöglicht, eine grafische Darstellung des Partikelpfads zu erstellen.

Auch Kalorimeter in den Detektoren helfen bei der Identifizierung. Ein Kalorimeter misst die Energie, die das Teilchen nach der Kollision verliert, und absorbiert die Teilchen im Detektor. Physiker können dann die von den Partikeln emittierte Strahlung untersuchen, was ihnen hilft, einige eindeutigere Identifikatoren für bestimmte Partikel zu bestimmen [Quelle: CERN ].

Wie sieht also das Higgs-Boson aus? Nun, ich hasse es zu enttäuschen, aber der springende Punkt ist, dass wir es nicht sehen können. Es ist ein kleines Teilchen, Mann. Sei nicht verrückt. Was wir stattdessen sehen, sind Graphen. Und Daten. All diese verrauschten Daten, die Teilchenpfad, Energie, Zerfallsprodukte und mehr detailliert beschreiben, wurden in den Detektoren zusammengefegt und zu kalten, harten Zahlen synthetisiert. Diese Zahlen deuteten darauf hin, dass ein „Übermaß an Ereignissen“ stattfand, das auf die Existenz von Higgs hinweist [Quelle: CERN ].

Seien Sie jetzt nicht zu enttäuscht. Die netten Leute am CERN wissen, was wir wollen: hübsche Bilder, die eine Darstellung des Higgs-Bosons zeigen. Wenn Sie eine grafische Simulation der Kollisionen sehen möchten, besuchen Sie die CERN-Website für einige (sehr zufriedenstellende) Darstellungen dessen, wie Higgs in Aktion „aussieht“ [Quelle: CERN ].

Anmerkung des Autors: Wie sieht das Higgs-Boson aus?

Wenn ich mir das Higgs vorstelle, denke ich, dass es fair ist zu sagen, dass ich mir ziemlich genau einen Tropfen Ahornsirup vorstelle, der das sirupartige Higgs-Feld ausmacht. Es ist nicht genau, aber es bringt mich dazu, jedes Wochenende beim Frühstück viel über Teilchenphysik nachzudenken.

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