Nach Higgs jagt hochgefahren-Up Collider für das nächste Rätsel

Don Lincoln ist ein senior Scientist bei der US-Department of Energy Fermilab, Amerikas größte Forschungseinrichtung für Large Hadron Collider. Er schreibt auch über die Wissenschaft für die Öffentlichkeit, einschließlich seines jüngsten "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of das Higgs-Boson und andere Dinge, dass wird Blow Your Mind" (Johns Hopkins Universitätspresse, 2014). Sie können folgen Sie ihm auf Facebook. Lincoln trug dieses Artikels auf Live Science Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Irgendwo unter der französisch-schweizerischen Grenze haben zwei Protonen eine Verabredung mit dem Schicksal. Gefangen in der Large Hadron Collider (LHC), der weltweit größten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, folgen sie eine Kreisbahn in entgegengesetzte Richtungen mit Geschwindigkeiten in der Nähe von der Geschwindigkeit des Lichts.

Wenn sie einander nähern, ihr Schicksal ist klar: ein Zusammenstoß ist unvermeidlich. Man könnte sich vorstellen, dass eine Kollision zwischen subatomaren Billardkugeln Auswirkungen zwischen zwei Protonen aussehen könnte. Aber die Regeln der Microrealm sind ganz anders als was vertraut Intuition entwickelt in der Ecke Kneipe vorschlagen würde. [Wow! Beobachten Sie eine Drohne fliegen durch die weltweit größte Atom Smasher]

Kollision mit Erfolg

Nach einer Pause von mehr als zwei Jahren ist der LHC läuft wieder. Nach einem breiten Programm von Umbauten, Nachrüstungen und Upgrades ist das Gaspedal im Wesentlichen eine komplett neue Anlage. Betrieb auf fast das Doppelte der Energie- und Triple die Zahl der Kollisionen pro Sekunde, wird der LHC Kollisionen innerhalb der Zentren von vier großen Experimente, jeder bereit, die Entdeckung des Jahrhunderts schaffen.

Seit Einsteins 1905 Arbeiten zur Relativitätstheorie haben Physiker die Äquivalenz zwischen Energie und Masse bekannt. Wie von Einsteins berühmter Gleichung beschrieben (E = mc2), Energie in Materie und umgekehrt konvertiert werden kann. Und das ist einer der großen Dinge, die im Inneren eines Teilchenbeschleunigers abspielt. Die enorme kinetische (z.B. Umzug) Energie der beiden eingehenden Strahl Teilchen in die Masse der Teilchen, die nicht vor der Kollision existierten umgewandelt.

Es ist in dieser Art und Weise, die zwei, jeweils eine geringe Masse (ca. 1 Milliarde Elektronenvolt für die Techno-Masse), können Protonen und machen das Higgs-Boson, ein Teilchen mit einer Masse von etwa 125 mal schwerer als die eines Protons. Die Bewegungsenergie der Protonen ist buchstäblich in ein sehr schweres Teilchen umgewandelt.

Wenn der LHC in 2010 in Betrieb ging, hatte ein klares Ziel vor Augen. Zwei große Experimente, jeweils bestehend aus rund 3.000 Wissenschaftler konzentrierten sich überwiegend auf der Suche nach dem Higgs-Boson. Prognostizierte im Jahr 1964, das Higgs-Boson ist mit verbunden das Higgs-Feld, das gedacht wird, um die Masse zu geben zu grundlegenden (z.B. punktuelle) subatomaren Teilchen. Suche nach dem Higgs bedeutete Boson, dass die Idee, das Higgs-Feld validiert wurde.

Vor seiner Entdeckung war das Higgs-Boson die letzte fehlende Komponente des überaus erfolgreichen Standardmodells der Teilchenphysik. In Verbindung mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie das Standardmodell können beschreiben das Verhalten aller Angelegenheit jemals beobachtet – von der Materie in dir und mir, majestätische Galaxien rast durch den Kosmos.

Während die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 in der Tat ein gewaltiger Erfolg für die wissenschaftliche Gemeinschaft war, kam der Triumph mit einer Enttäuschung. Dies ist einfach zu erklären: das Higgs-Boson war im Wesentlichen, wie eine letzte Stück, das Standardmodell Puzzle fertiggestellt. Wie alle Puzzle-Liebhaber wird Ihnen sagen, ist es jedoch der Tabulatoren und Leerzeichen von Stücken, die erlauben, eine Puzzle zu bauen. Die Registerkarte "hängenden" gibt Ihnen einen Hinweis darauf, was das nächste Stück sein wird. Aber eine fertige Puzzle schweigt darüber, was als nächstes zu tun.

Die Geheimnisse, die bleiben

Es ist nicht so, dass wir nicht Geheimnisse in der Welt der Physik haben. Aus unserer Beobachtung von Galaxien wissen wir, dass sie drehen schneller als erklärt werden kann, durch die bekannten Gesetze der Schwerkraft und der Materie, die wir erkennen können. Um dieses Mysterium zu erklären, erfanden wir eine unbeobachtete Form der Materie dunklen Materie genannt. Die grundlegende Natur der dunklen Materie ist sicherlich ein großes Rätsel.

Ein weiteres Rätsel ergibt sich aus dieser berühmten Einstein-Gleichung E = mc2. Es sagt eigentlich, dass wenn Energie in Materie umgewandelt wird, eine gleiche Menge von Antimaterie erfolgen wird. Während dem Urknall war das Universum voller Energie und diese Energie in gleichen Mengen von Materie und Antimaterie umgewandelt. Doch wenn Wissenschaftler des Universums betrachten, sehen sie nur Materie. Wo gingen die Antimaterie? Während Physiker ein paar Hinweise aus früheren Experimenten gehabt haben, wissen wir nicht wirklich die Antwort. Dies ist ein weiteres Rätsel.

Gibt es andere Geheimnisse, wie die Frage, ob es kleinere Bausteine des Universums als jene die wir jetzt kennen. Im Anschluss an die Geschichte der Untersuchungen zu dieser Frage haben wir Moleküle und Atome gelernt. Forschung in den frühen 1900er Jahren offenbart Protonen, Neutronen und Elektronen und den 1960er Jahren brachte ans Licht, die Quarks und Leptonen, die derzeit die kleinsten Teilchen der Natur betrachtet werden. Allerdings ist es natürlich zu Fragen, ob es möglicherweise noch kleinere Bausteine. Während Wissenschaftler die Antwort nicht weiß, muss irgendeine Art von tiefer und grundlegender Physik, die die Muster in der Quarks und Leptonen gesehen erklären kann. Die Antwort auf diese Frage ist noch ein weiteres Rätsel.

Das neugierige Higgs-Boson Masse

Physiker weiß nicht die Antwort auf diese grundlegenden Fragen, und um ehrlich zu sein, ist es möglich, dass der LHC wird nicht uns über eines dieser Geheimnisse der Natur Lehren. Aber es gibt eine Frage, für welche LHC Daten eine sicherere Wette.

Es stammt von Mysterien, die in Berechnungen das Higgs-Boson Masse entstehen. Wenn Wissenschaftler versuchen, diesen Wert direkt aus der Theorie zu berechnen, ist das Ergebnis deutlich höher als der LHC-Daten deuten darauf hin.

Aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik kann das Higgs-Boson in andere Arten von Teilchen (z. B. Top-Quarks, W und Z-Bosonen und sogar Paare von Higgs-Bosonen) schwanken. Dieses Verhalten führt zu Vorhersagen der Masse des Higgs-Bosons, die näher an die Planck-Masse sind die hundert Billiarden Mal schwerer als die Masse, die Wissenschaftler gemessen haben. (Die Planck-Masse ist die höchste Masse unserer aktuellen Theorien könnte möglicherweise auf und markiert eine Grenze, jenseits derer wir sind davon überzeugt, dass wir alles überdenken müssen.)

Natürlich, dies ist ein Problem, und Physiker haben mehrere mögliche Erklärungen, sogar vor dem Higgs-Boson Entdeckung vorstellen Jahrzehnte damit verbracht. (Immerhin war klar auch frühzeitig, dass dieses Problem existieren würde, hätten die Higgs-Teilchen eine Masse, die entdeckt werden konnte.)

Supersymmetrie

Die beliebtesten theoretische Erklärung ist ein Prinzip Supersymmetrie genannt. Diese Idee im wesentlichen postuliert, dass die Kraft-tragenden Bosonen (Teilchen mit einem subatomaren Spin, die Zahl ist Vielfaches von ħ, die die natürliche Einheit für Spin in der Quantenwelt ist). Zum Beispiel sollte Photonen des Spin 1 × ħ und die Materie-tragenden Fermionen (Teilchen mit halben Ganzzahl subatomaren Spin, z. B. Elektronen Spin 1/2 X ħ) in der Theorie in einer symmetrischen Weise angezeigt werden. Das heißt, wenn Sie alle Fermion und Boson Symbole austauschen, die Gleichung unverändert bleibt. Im Wesentlichen dadurch Kräfte und Materie auf Augenhöhe, so dass sie konzeptionell austauschbar.

Und eine neue Reihe von Teilchen entstehen in Theorien mit Supersymmetrie, Cousins und Cousinen der bekannten Teilchen des Standardmodells. Supersymmetrie sagt, dass die bekannten Quarks und Leptonen müssen neu mit kommen, Verwandte Teilchen-Physiker nun nennen, Squarks und Sleptons. Ebenso müssen supersymmetrischen Analoga von der Photon und die Gluonen, genannt Photinos und Paarproduktion, vorhanden sein.

Wohlgemerkt, hat keinen direkten Beweis für die Existenz dieser supersymmetrischen Teilchen gefunden. Wenn sie vorhanden sind, können jedoch Wissenschaftler diese Partikel Quantum mechanische Eigenschaften verwenden, um den Beitrag der bekannten Teilchen in Berechnungen der Masse des Higgs-Bosons zu stornieren. Supersymmetrie entfallen die anderen Teilchen ergeben die Berechnungen eine vorhergesagte Masse des Higgs-Bosons, das klein, nach Messungen.

Einige Wissenschaftler Begeisterung für Supersymmetrie hat dadurch gedämpft wurde, dass supersymmetrische Teilchen noch nicht beobachtet worden. So untersuchen Forscher andere Möglichkeiten, zum Beispiel die Ideen, dass möglicherweise es zusätzliche Dimensionen des Raumes gibt und das Higgs-Boson kleinere Partikel darin enthalten könnte. Diese Ideen und andere sind alternative Ansätze zur Zähmung der widerspenstigen Vorhersagen der Masse des Higgs-Bosons.

Den berühmten Philosoph Yogi Berra zu zitieren, ist es schwer, vor allem über die Zukunft vorhersagen. So ist es schwierig zu wissen genau welche Entdeckungen am LHC erfolgen werden. Allerdings scheint es wahrscheinlich, dass das Geheimnis der Masse des Higgs-Bosons der vielversprechendsten Thread ist an dem Wissenschaftler zerren können. Hoffentlich wird der richtige Schlepper lasst uns entwirren das vorhandene Standard-Modell und ermöglichen es uns, eine noch bessere Theorie zu stricken. Nur die Zeit wird zeigen, ob wir erfolgreich sein werden.

Alle Experten stimmen Fragen und Debatten zu folgen – und werden Sie Teil der Diskussion – auf Facebook, Twitter und Google +. Die Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers. Diese Version des Artikels erschien ursprünglich am Leben Wissenschaft.