Vor zehn Jahren, am 4. Juli 2012, gaben die ATLAS- und CMS-Kollaborationen am Large Hadron Collider (LHC) die Entdeckung eines neuen Teilchens bekannt, dessen Merkmale mit denen des Higgs-Bosons übereinstimmen, die vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wurden. Die Entdeckung war ein Meilenstein in der Geschichte der Wissenschaft und erregte die Aufmerksamkeit der Welt. Ein Jahr später gewann es François Englert und Peter Higgs den Nobelpreis für Physik für ihre Jahrzehnte zuvor zusammen mit dem verstorbenen Robert Brout gemachte Vorhersage eines neuen fundamentalen Feldes, bekannt als das Higgs-Feld, das das Universum durchdringt, als das sich manifestiert Higgs-Boson und verleiht den Elementarteilchen Masse.
„Die Entdeckung des Higgs-Bosons war ein monumentaler Meilenstein in der Teilchenphysik. Sie markierte sowohl das Ende einer jahrzehntelangen Erkundungsreise als auch den Beginn einer neuen Ära der Erforschung dieses ganz besonderen Teilchens“, sagt Fabiola Gianotti, Direktorin des CERN -General und Projektleiter („Sprecher“) des ATLAS-Experiments zum Zeitpunkt der Entdeckung. „Ich erinnere mich mit Bewegtheit an den Tag der Bekanntgabe, ein Tag großer Freude für die weltweite Gemeinschaft der Teilchenphysiker und für all die Menschen, die über Jahrzehnte unermüdlich daran gearbeitet haben, diese Entdeckung zu ermöglichen.“
In nur zehn Jahren haben Physiker enorme Fortschritte in unserem Verständnis des Universums gemacht, indem sie nicht nur früh bestätigten, dass das 2012 entdeckte Teilchen tatsächlich das Higgs-Boson ist, sondern es den Forschern auch ermöglichten, ein Bild davon zu erstellen, wie die allgegenwärtige Präsenz eines Higgs Feld im ganzen Universum wurde ein Zehntel einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall aufgebaut.
Quelle: (c) 2022 CERN
Die neue Reise so weit
Das neue Teilchen, das 2012 von den internationalen Kollaborationen ATLAS und CMS entdeckt wurde, sah dem vom Standardmodell vorhergesagten Higgs-Boson sehr ähnlich. Aber war es tatsächlich das lang ersehnte Teilchen? Unmittelbar nach der Entdeckung machten sich ATLAS und CMS daran, im Detail zu untersuchen, ob die Eigenschaften des entdeckten Teilchens wirklich mit den vom Standardmodell vorhergesagten übereinstimmen. Durch die Verwendung von Daten aus dem Zerfall oder „Zerfall“ des neuen Teilchens in zwei Photonen, die Träger der elektromagnetischen Kraft, der
Experimente haben gezeigt, dass das neue Teilchen keinen intrinsischen Drehimpuls oder Quantenspin hat – genau wie das vom Standardmodell vorhergesagte Higgs-Boson. Im Gegensatz dazu haben alle anderen bekannten Elementarteilchen einen Spin: die Materieteilchen wie die „up“- und „down“-Quarks, die Protonen und Neutronen bilden, und die krafttragenden Teilchen wie die W- und Z-Bosonen.
Durch die Beobachtung, dass die Higgs-Bosonen aus Paaren von W- oder Z-Bosonen erzeugt werden und in diese zerfallen, bestätigten ATLAS und CMS, dass diese ihre Masse durch ihre Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld gewinnen, wie vom Standardmodell vorhergesagt. Die Stärke dieser Wechselwirkungen erklärt die kurze Reichweite der schwachen Kraft, die für eine Form von Radioaktivität verantwortlich ist und die Kernfusionsreaktion auslöst, die die Sonne antreibt.
Die Experimente haben auch gezeigt, dass das Top-Quark, das Bottom-Quark und das Tau-Lepton – die die schwersten Fermionen sind – ihre Masse aus ihren Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld erhalten, wiederum wie vom Standardmodell vorhergesagt. Dabei beobachteten sie beim Top-Quark die Entstehung des Higgs-Bosons zusammen mit Paaren von Top-Quarks und beim Bottom-Quark und Tau-Lepton den Zerfall des Bosons in Paare von Bottom-Quarks bzw. Tau-Leptonen . Diese Beobachtungen bestätigten die Existenz einer Wechselwirkung oder Kraft namens Yukawa-Wechselwirkung, die Teil des Standardmodells ist, sich aber von allen anderen Kräften im Standardmodell unterscheidet: Sie wird durch das Higgs-Boson vermittelt und ihre Stärke ist nicht quantisiert. das heißt, es kommt nicht in Vielfachen einer bestimmten Einheit vor.
ATLAS und CMS haben die Masse des Higgs-Bosons auf 125 Milliarden Elektronenvolt (GeV) gemessen, mit einer beeindruckenden Genauigkeit von fast einem Promille. Die Masse des Higgs-Bosons ist eine fundamentale Naturkonstante, die vom Standardmodell nicht vorhergesagt wird. Darüber hinaus kann die Masse des Higgs-Bosons zusammen mit der Masse des schwersten bekannten Elementarteilchens, dem Top-Quark, und anderen Parametern die Stabilität des Vakuums im Universum bestimmen.
Dies sind nur einige der konkreten Ergebnisse der zehnjährigen Erforschung des Higgs-Bosons am größten und leistungsstärksten Collider der Welt – dem einzigen Ort auf der Welt, an dem dieses einzigartige Teilchen produziert und im Detail untersucht werden kann.
„Die vom LHC bereitgestellten großen Datenproben, die außergewöhnliche Leistung der ATLAS- und CMS-Detektoren und neue Analysetechniken haben es beiden Kollaborationen ermöglicht, die Empfindlichkeit ihrer Higgs-Boson-Messungen über das hinaus zu erweitern, was bei der Konzeption der Experimente für möglich gehalten wurde.“ sagt ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker.
Seit der LHC 2010 begann, Protonen mit Rekordenergien zu kollidieren, und dank der beispiellosen Empfindlichkeit und Präzision der vier Hauptexperimente, haben die LHC-Kollaborationen mehr als 60 vom Standardmodell vorhergesagte Kompositpartikel entdeckt, von denen einige exotisch sind „Tetraquarks“ und „Pentaquarks“. Die Experimente haben auch eine Reihe faszinierender Hinweise auf Abweichungen vom Standardmodell enthüllt, die weitere Untersuchungen erforderlich machen, und haben das Quark-Gluon-Plasma, das das Universum in seinen frühen Momenten erfüllte, in beispielloser Detailgenauigkeit untersucht. Sie haben auch viele seltene Teilchenprozesse beobachtet, Phänomene des Standardmodells immer präziser gemessen und bei der Suche nach neuen Teilchen, die über die vom Standard vorhergesagten hinausgehen, neue Wege beschritten
Modell, einschließlich Teilchen, aus denen möglicherweise die dunkle Materie besteht, die den größten Teil der Masse des Universums ausmacht.
Die Ergebnisse dieser Recherchen tragen wesentlich zu unserem Verständnis der Grundlagenphysik bei. „Entdeckungen in der Teilchenphysik müssen keine neuen Teilchen bedeuten“, sagt Joachim Mnich, Direktor für Forschung und Datenverarbeitung am CERN. „Die LHC-Ergebnisse, die wir über ein Jahrzehnt des Betriebs der Maschine erhalten haben, haben es uns ermöglicht, ein viel breiteres Netz in unseren Suchen zu spannen, starke Grenzen für mögliche Erweiterungen des Standardmodells zu setzen und neue Such- und Datenanalysetechniken zu entwickeln. „
Bemerkenswerterweise basieren alle bisher erzielten LHC-Ergebnisse auf nur 5 % der gesamten Datenmenge, die der Collider während seiner Lebensdauer liefern wird. „Mit dieser ‚kleinen‘ Probe hat der LHC große Fortschritte in unserem Verständnis der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen ermöglicht“, sagt CERN-Theoretiker Michelangelo Mangano. „Und obwohl alle bisher erzielten Ergebnisse mit dem Standardmodell übereinstimmen, gibt es noch viel Raum für neue Phänomene, die über das hinausgehen, was von dieser Theorie vorhergesagt wird.“
„Das Higgs-Boson selbst könnte auf neue Phänomene hinweisen, darunter auch solche, die für die dunkle Materie im Universum verantwortlich sein könnten“, sagt CMS-Sprecher Luca Malgeri. „ATLAS und CMS führen viele Suchen durch, um alle Formen unerwarteter Prozesse zu untersuchen, die das Higgs-Boson betreffen.“
Die Reise, die noch vor uns liegt
Was bleibt zehn Jahre später über das Higgs-Feld und das Higgs-Boson zu lernen? Viel. Verleiht das Higgs-Feld auch den leichteren Fermionen Masse oder könnte ein anderer Mechanismus im Spiel sein? Ist das Higgs-Boson ein Elementar- oder ein zusammengesetztes Teilchen? Kann es mit dunkler Materie interagieren und die Natur dieser mysteriösen Form von Materie enthüllen? Was erzeugt die Masse und die Selbstwechselwirkung des Higgs-Bosons? Hat es Zwillinge oder Verwandte?
Die Antworten auf diese und andere faszinierende Fragen zu finden, wird nicht nur unser Verständnis des Universums in den kleinsten Maßstäben erweitern, sondern kann auch dazu beitragen, einige der größten Geheimnisse des Universums als Ganzes zu entschlüsseln, z. B. wie es dazu kam, wie es ist und was sein endgültiges Schicksal sein könnte. Insbesondere die Selbstwechselwirkung des Higgs-Bosons könnte den Schlüssel zu einem besseren Verständnis des Ungleichgewichts zwischen Materie und Antimaterie und der Stabilität des Vakuums im Universum enthalten.
Während Antworten auf einige dieser Fragen durch Daten aus dem bevorstehenden dritten Lauf des LHC oder aus dem großen Upgrade des Colliders, dem LHC mit hoher Leuchtkraft, ab 2029, gegeben werden könnten, wird angenommen, dass Antworten auf andere Rätsel außerhalb der Reichweite des liegen LHC, der eine zukünftige „Higgs-Fabrik“ benötigt. Aus diesem Grund untersuchen CERN und seine internationalen Partner die technische und finanzielle Machbarkeit einer viel größeren und leistungsstärkeren Maschine, des Future Circular Collider, als Reaktion auf eine Empfehlung in der neuesten Aktualisierung der Europäischen Strategie für Teilchenphysik.
„Hochenergiebeschleuniger bleiben die leistungsstärksten Mikroskope, die uns zur Verfügung stehen, um die Natur im kleinsten Maßstab zu erforschen und die grundlegenden Gesetze zu entdecken, die das Universum regieren“, sagt Gian Giudice, Leiter der Theorieabteilung des CERN. „Darüber hinaus bringen diese Maschinen auch enorme gesellschaftliche Vorteile.“
In der Vergangenheit hatten die mit Hochenergie-Collidern verbundenen Beschleuniger-, Detektor- und Computertechnologien einen großen positiven Einfluss auf die Gesellschaft, mit Erfindungen wie dem World Wide Web, den Detektorentwicklungen, die zum PET-Scanner (Positronen-Emissions-Tomographie) führten, und dem Entwurf von Beschleunigern für die Hadronentherapie bei der Behandlung von Krebs. Darüber hinaus haben Design, Bau und Betrieb von Teilchenphysik-Beschleunigern und -Experimenten zur Ausbildung neuer Generationen von Wissenschaftlern und Fachleuten auf anderen Gebieten und zu einem einzigartigen Modell internationaler Zusammenarbeit geführt.