Diese Woche vor zehn Jahren bestätigten zwei internationale Kollaborationen von Wissenschaftlergruppen, darunter ein großes Kontingent von Caltech, dass sie schlüssige Beweise für das Higgs-Boson gefunden hatten, ein schwer fassbares Elementarteilchen, das erstmals in einer Mitte des 20. Jahrhunderts veröffentlichten Artikelserie vorhergesagt wurde. 1960er Jahren, der Elementarteilchen Masse verleihen soll.
Fünfzig Jahre zuvor, als theoretische Physiker sich bemühten, die sogenannte elektroschwache Theorie zu verstehen, die sowohl den Elektromagnetismus als auch die schwache Kernkraft (beteiligt am radioaktiven Zerfall) beschreibt, wurde es Peter Higgs, der in Großbritannien arbeitete, und unabhängig davon François Englert klar und Robert Brout in Belgien sowie der US-Physiker Gerald Guralnik und andere, dass ein zuvor nicht identifiziertes Feld, das das Universum erfüllt, erforderlich war, um das Verhalten der Elementarteilchen zu erklären, aus denen Materie besteht. Dieses Feld, das Higgs-Feld, würde zu einem Teilchen mit Null-Spin, signifikanter Masse führen und die Fähigkeit haben, spontan die Symmetrie des frühesten Universums zu brechen, wodurch das Universum sich materialisieren könnte. Dieses Teilchen wurde als Higgs-Boson bekannt.
In den folgenden Jahrzehnten erdachten und entwickelten Experimentalphysiker zunächst die Instrumente und Methoden zum Nachweis des Higgs-Bosons. Das ehrgeizigste dieser Projekte war der Large Hadron Collider (LHC), der von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) betrieben wird. Seit der Planung des LHC Ende der 1980er Jahre haben das US-Energieministerium und die National Science Foundation mit dem CERN zusammengearbeitet, um Finanzmittel und technologisches Know-how bereitzustellen und Tausende von Wissenschaftlern bei der Suche nach dem Higgs zu unterstützen.
Quelle: (c) 2022 CERN
Der LHC ist ein 27 Kilometer langer unterirdischer Ring, durch den Protonen von supraleitenden Magneten auf knapp unter Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Zwei Protonenstrahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, werden fokussiert und so ausgerichtet, dass sie an bestimmten Punkten miteinander kollidieren, wo Detektoren die durch diese Kollisionen erzeugten Teilchen beobachten können. Die Verwendung von großen Detektoreinrichtungen mit unterschiedlichen Designs – hauptsächlich dem Compact Muon Solenoid (CMS) und dem A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) – ermöglicht es den Wissenschaftlern, eine Vielzahl von Experimenten durchzuführen, um die Vorhersagen des Standardmodells zu testen, dessen Higgs-Boson Teil ist, nach neuen Teilchen und Wechselwirkungen zu suchen, die jenseits des Standardmodells liegen, und die Ergebnisse gegenseitig zu verifizieren. Der am 4. Juli 2012 angekündigte Nachweis des Higgs-Bosons basierte auf der Analyse einer beispiellosen Datenmenge, die von CMS und ATLAS gesammelt wurde.
Harvey Newman, der Marvin-L.-Goldberger-Professor für Physik am Caltech und einer der Leiter des Caltech-Teams, das Teil der CMS-Kollaboration ist, nennt die Entdeckung des Higgs-Bosons „einen Meilenstein in der Menschheitsgeschichte“, der „sich nachhaltig verändert hat wie wir das Universum sehen.“
Das Higgs-Boson, das 1993 in einem gleichnamigen Buch der Autoren Leon Lederman und Dick Teresi humorvoll als „Gottesteilchen“ bezeichnet wurde, spielt eine entscheidende Rolle im Standardmodell der Physik: Es liefert den Mechanismus, durch den Elementarteilchen Masse erlangen. Während Partikel das Higgs-Feld durchqueren und mit Higgs-Bosonen interagieren, gleiten einige über die Oberfläche, ohne sich überhaupt zu verändern. Aber andere verfangen sich sozusagen im Unkraut und gewinnen an Masse.
Das Standardmodell muss dunkle Materie oder Gravitation noch angemessen erklären, aber immer wieder wurden seine Vorhersagen experimentell bestätigt. „Es ist ein auffälliges und überraschendes Ergebnis, dass sich durch die Analyse immer größerer Datenmengen mit immer sensibleren Methoden die Übereinstimmung mit dem Standardmodell in allen Details immer weiter verbessert hat, auch als erste Anzeichen für das, was dahinter liegt Begriffe wie neue Teilchen und neue Wechselwirkungen, ist uns weiterhin entgangen“, sagt Newman.
Jede Abweichung von den vom Standardmodell vorhergesagten Ergebnissen deutet auf das Vorhandensein anderer Teilchen oder Dynamiken hin, die eines Tages die Grundlage für ein neues, umfassenderes Modell der Physik bilden könnten.
Kollisionen, die Higgs-Bosonen produzieren, sind sehr selten. Für jede Milliarde Proton-Proton-Kollisionen entsteht nur ein Higgs-Boson. Um dieses Bild noch komplizierter zu machen, zerfallen Higgs-Bosonen sehr schnell in andere Teilchen, und nur durch Messung der Eigenschaften dieser Teilchen kann auf die vorherige Existenz des Higgs-Bosons geschlossen werden. Maria Spiropulu vom Caltech, die Shang-Yi Ch’en Professorin für Physik und die andere Leiterin des ursprünglichen Teams von Caltech-Forschern, die halfen, das Higgs zu entdecken, beschreibt es als die „sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen“.
Technologische Verbesserungen des LHC und seiner Detektoren haben eine höhere Energie und größere Präzision in den Collidern und ihren Detektoren ermöglicht. Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 haben Experimente am LHC weitere Informationen über das Higgs-Boson und seine Masse und Zerfallsprozesse ans Licht gebracht. Zum Beispiel arbeiteten Newman, Spiropulu und andere Caltech-Forscher im Jahr 2018 mit einem internationalen Team zusammen, das Beweise dafür lieferte, dass das Higgs-Boson in Paare fundamentaler Teilchen namens Bottom-Quarks zerfällt, eine Arbeit, die Spiropulu damals als „Herkulesarbeit“ bezeichnete. Vor dieser Entdeckung machte das CMS-Team die erste Beobachtung des Higgs-Bosons, das direkt mit dem schwersten Standardmodellteilchen, dem Top-Quark, gekoppelt ist.
Im Jahr 2020 dokumentierten Spiropulu und ihre Kollegen einen seltenen Zerfallsprozess für das Higgs-Boson, der zu zwei Myonen führt. „Die Untersuchung der Eigenschaften des Higgs-Bosons ist gleichbedeutend mit der Suche nach neuer Physik, von der wir wissen, dass sie vorhanden sein muss“, sagte Spiropulu.
„Ich machte gerade meinen Highschool-Abschluss, als ich von der Higgs-Entdeckung am LHC hörte“, sagt Caltech-Doktorandin und CMS-Teammitglied Irene Dutta (MS ’20), die an der Myonenforschung arbeitete. „Es ist demütigend zu wissen, wie gut das Standardmodell Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen so genau beschreiben kann.“
Kürzlich hat ein von Caltech geleitetes Forscherteam, das an dem CMS-Experiment arbeitet, maschinelle Lernalgorithmen auf der Grundlage neuronaler Netze verwendet, um eine neue Methode zur Jagd nach einer möglicherweise noch schwer fassbareren Beute als dem Higgs selbst zu entwickeln: einem äußerst seltenen “ Paar“ wechselwirkender Higgs-Bosonen, die der Theorie zufolge bei Protonenkollisionen entstehen könnten.
Nach einem dreijährigen Stillstand zur weiteren Aufrüstung des LHC-Beschleunigers und der Experimente begann der LHC Anfang 2022 mit den letzten Vorbereitungen für einen dritten Lauf (Lauf 3). Der Start von Lauf 3, der bis Ende 2025 andauern soll, wird erfolgen am 5. Juli und erzeugte die ersten Kollisionen mit der neuen Energie von 13,6 Tera-Elektronenvolt.
„Die Higgs-Entdeckung ist ein Meilenstein auf einem langen Weg“, sagt Barry Barish vom Caltech, Ronald und Maxine Linde Professor of Physics, Emeritus, ehemaliger Leiter der Hochenergiephysik-Gruppe des Caltech (und Mitgewinner des Nobelpreises für Physik). im Jahr 2017 für seine Arbeit an einem anderen großen Physikprojekt, dem Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory oder LIGO, das 2016 zum ersten Mal die als Gravitationswellen bekannten Kräuselungen in Raum und Zeit entdeckte). „Die Teilchenphysik schreitet voran, wenn man bedenkt, dass das Standardmodell nur einen winzigen Bruchteil dessen beschreibt, was wir wissen, und mehr Fragen unbeantwortet als beantwortet sind; ja, wir haben eine großartige einfache Parametrisierung im Standardmodell, aber den tatsächlichen Ursprung der elektroschwachen Symmetriebrechung ist unbekannt. Wir haben noch viel Arbeit vor uns“, sagt Barish.
Newman blickt auf ein Jahrzehnt der Erforschung des Higgs-Bosons zurück und stellt fest, dass die Forschung „uns weiterhin dazu motiviert, intensiver nachzudenken und verbesserte Detektoren und Beschleunigerverbesserungen zu entwickeln, die es uns ermöglichen, unsere Reichweite jetzt und in den nächsten zwei Jahrzehnten erheblich zu erweitern“. Dazu gehört die zweite große Phase des LHC-Programms, bekannt als High Luminosity LHC, die von 2029 bis 2040 laufen soll. Sie wird erhebliche Verbesserungen des Beschleunigerkomplexes und der Detektoren vorsehen, die zu einer prognostizierten Zunahme der gesammelten Daten um a führen werden Faktor 20 im Vergleich zu dem, was CMS und ATLAS heute haben.
Zum Caltech-Team gehören auch Si Xie, wissenschaftlicher Assistenzprofessor für Physik, sowie die Forscher Adi Bornheim und Ren-Yuan Zhu, die sich alle jahrzehntelang der Entdeckung und dem Verständnis des Higgs-Bosons gewidmet haben. Die Caltech-Gruppe führt neuartige Ultrapräzisions-Timing-Detektor-Upgrades für den High Luminosity LHC an und entwickelt neuartige KI-basierte Datenanalyseansätze, die eine beschleunigte Entdeckung nahezu in Echtzeit ermöglichen. Die Gruppe hat mehr als ein Dutzend Ph.D. Dissertationen und ermöglichte ungefähr 100 Studenten und Praktikanten, sich seit der Entdeckung des Higgs mit Analyse-, Instrumentierungs- und Computerforschung zu beschäftigen.