Was ist das Higgs-Boson?

Worüber hören wir immer wieder – das Higgs-Boson, und warum ist es wichtig?

Es wurde gesagt, dass der beste Weg zu lernen das Lehren ist. Und wenn ich das richtig mache, verstehe ich es vielleicht am Ende der Episode ein bisschen besser.

Ich möchte klarstellen, dass dieses Video für die Person gedacht ist, deren Augen jedes Mal glasig werden, wenn Sie den Begriff Higgs-Boson hören. Sie wissen, es ist eine Art Partikel, Nobelpreis, Masse, bla bla. Aber Sie verstehen nicht wirklich, was es ist und warum es wichtig ist.

Beginnen wir zunächst mit dem Standardmodell. Dies sind im Wesentlichen die Gesetze der Teilchenphysik, wie Wissenschaftler sie verstehen. Sie erklären alle Materie und Kräfte, die wir überall um uns herum sehen. Nun, die meiste Zeit gibt es ein paar große Rätsel, die wir diskutieren werden, wenn wir uns näher damit befassen.

Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass es zwei Hauptkategorien gibt: die Fermionen und die Bosonen.

Fermionen sind Materie. Es gibt die Protonen und Neutronen, die aus Quarks bestehen, und es gibt die Leptonen, die wie Elektronen und Neutrinos unteilbar sind. Bisher bei mir? Alles, was Sie berühren können, sind diese Fermionen.

Die Bosonen sind die Teilchen, die die Kräfte des Universums kommunizieren. Das Photon, mit dem Sie wahrscheinlich vertraut sind, ist das Photon, das die elektromagnetische Kraft überträgt. Dann gibt es das Gluon, das die starke Kernkraft kommuniziert, und die W- und Z-Bosonen, die die schwache Atomkraft kommunizieren.

Geheimnis Nummer 1, Schwerkraft. Obwohl es eine der fundamentalen Kräfte des Universums ist, hat niemand ein Bosonenteilchen entdeckt, das diese Kraft kommuniziert. Wenn Sie also nach einem Nobelpreis suchen, suchen Sie sich ein Schwerkraftboson und es gehört Ihnen. Beweisen Sie, dass die Schwerkraft kein Boson hat und Sie auch einen Nobelpreis erhalten können. In jedem Fall gibt es einen Nobelpreis für Sie.

Auch dies ist das Standardmodell und es beschreibt genau die Naturgesetze, wie wir sie um uns herum sehen.

Eines der größten ungelösten Rätsel der Physik war das Konzept der Masse. Warum hat irgendetwas überhaupt Masse oder Trägheit? Warum definiert die Menge an physischem „Zeug“ in einem Objekt, wie einfach es ist, sich zu bewegen, oder wie schwer es ist, es zum Stoppen zu bringen?

In den 1960er Jahren sagte der Physiker Peter Higgs voraus, dass es eine Art Feld geben muss, das den gesamten Raum durchdringt und mit Materie interagiert, ähnlich wie ein Fisch, der durch Wasser schwimmt. Je mehr Masse ein Objekt hat, desto mehr interagiert es mit diesem Higgs-Feld.

Und genau wie die anderen fundamentalen Kräfte im Universum sollte das Higgs-Feld ein entsprechendes Boson haben, um die Kraft zu kommunizieren – dies ist das Higgs-Boson.

Das Feld selbst ist nicht nachweisbar, aber wenn Sie die entsprechenden Higgs-Partikel irgendwie erkennen könnten, könnten Sie die Existenz des Feldes annehmen.

Und hier kommt der Large Hadron Collider ins Spiel. Die Aufgabe eines Teilchenbeschleunigers besteht darin, Energie über die Formel e = mc2 in Materie umzuwandeln. Indem sie Teilchen – wie Protonen – auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigen, geben sie ihnen eine enorme Menge an kinetischer Energie. Tatsächlich bewegt der LHC in seiner aktuellen Konfiguration Protonen auf 0,999999991c, was etwa 10 km / h langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ist.

Wenn Teilchenstrahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, zusammenstoßen, konzentriert sich eine enorme Energiemenge auf ein winziges Raumvolumen. Diese Energie muss irgendwohin, damit sie als Materie gefriert (danke Einstein). Je mehr Energie Sie kollidieren können, desto massereichere Partikel können Sie erzeugen.

Und so ermöglichte der LHC 2013 den Physikern, das Vorhandensein des Higgs-Bosons endlich zu bestätigen, indem sie die Energie der Kollisionen auf genau das richtige Niveau abstimmten und dann die Kaskade von Partikeln erfassten, die beim Zerfall von Higgs-Bosonen auftreten.

Da die richtigen Partikel erkannt werden, können Sie das Vorhandensein des Higgs-Bosons annehmen, und aus diesem Grund können Sie das Vorhandensein des Higgs-Feldes annehmen. Nobelpreise für alle.

Ich sagte, es seien noch ein paar Geheimnisse übrig. Die Schwerkraft war natürlich eine, aber es gibt noch ein paar mehr. Die Realität ist, dass Physiker jetzt wissen, dass die von mir beschriebene Materie wirklich nur ein Bruchteil des gesamten Universums ist. Kosmologen schätzen, dass nur 4% des Universums die normale baryonische Materie sind, mit der wir vertraut sind.

Weitere 23% sind dunkle Materie und weitere 73% sind dunkle Energie. Es gibt also immer noch viele Rätsel, die die Physiker jahrelang beschäftigen.

Und so hat der Large Hadron Collider 2013 endlich das Teilchen aufgedeckt, das die Physiker seit 50 Jahren vorhergesagt hatten. Es wurde endlich nachgewiesen, dass das letzte Stück des Standardmodells existiert, und wir sind näher dran zu verstehen, was 4% des Universums sind. Die anderen 96% (oh, und die Schwerkraft) sind immer noch ein Rätsel.

Physiker drehen den LHC auf immer höhere Energieniveaus, um nach anderen Teilchen zu suchen, dunkle Materie zu verstehen und zu sehen, ob sie mikroskopisch kleine Schwarze Löcher erzeugen können. Dieses mächtige Instrument hat viel mehr Wissenschaft zu enthüllen, also bleiben Sie dran.

Das ist das Higgs-Boson auf den Punkt gebracht. Lassen Sie mich wissen, ob es in der Teilchenphysik andere Konzepte gibt, über die Sie sprechen möchten. Tragen Sie Ihre Ideen in die folgenden Kommentare ein.

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