Neues Teilchen, Das Dem Lang Ersehnten Higgs-Boson ähnelt, Das Bei Large Hadron Collider Entdeckt Wurde

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-07-27 17:19

Der CERN-Collider, der mächtigste Atomzerstörer der Geschichte, scheint seine Hauptaufgabe erfüllt zu haben.

NEW YORK - Die Stadt, die niemals schläft, schlief größtenteils. Die Bars waren geschlossen. Aber um 4:45 Uhr morgens bereitete sich Michael Tuts in einer Bibliothek auf dem Campus der Columbia University in Manhattan darauf vor, den Champagner zu trinken.

Der Physiker hatte guten Grund zum Feiern. Das riesige Wissenschaftlerteam, zu dem er gehört, Teil von 3.000 Forschern, die am ATLAS-Experiment am europäischen Large Hadron Collider arbeiten, hatte gerade die Entdeckung eines neuen Partikels angekündigt. Das Teilchen sieht dem lang ersehnten und lange hypothetischen Higgs-Boson sehr ähnlich, das am bekanntesten dafür ist, zu erklären, warum Elementarteilchen wie Quarks Masse haben. Ein konkurrierendes Experiment von vergleichbarer Größe, bekannt als CMS, war zu einem sehr ähnlichen Ergebnis in der Collider-Einrichtung gekommen.

Beide Forschungsteams gaben ihre Ergebnisse während eines Morgenseminars am CERN bekannt, dem europäischen Labor für Teilchenphysik, das den Large Hadron Collider (LHC) betreibt. Aber der Morgenstart in Genf bedeutete, dass sich US-Physiker und andere neugierige Beobachter während der Morgenstunden auf die Ankündigung einstellten. Tuts und seine Kollegen aus Columbia beschlossen, eine Party in der Universitätsbibliothek mit einem Live-Video-Feed vom CERN sowie Kaffee, Keksen, alkoholfreien Getränken und Pommes zu veranstalten. Ungefähr 50 Personen, darunter viele Studenten, waren zu der Veranstaltung erschienen, die gegen 14:30 Uhr begann.

Im Gegensatz zu einigen früheren Ankündigungen, die sich in den letzten Jahren auf die Higgs konzentrierten und so viel Unklarheit und Verwirrung hervorriefen wie alles andere, hat diese nicht enttäuscht. ATLAS-Physiker sagten, dass ihre neuesten Daten das Vorhandensein eines unbekannten Teilchens mit einer Masse von etwa 126,5 GeV oder 126,5 Milliarden Elektronenvolt offenbaren. Ein Elektronenvolt ist die Masse- oder Energieeinheit eines Physikers. Zum Vergleich hat das Proton eine Masse von etwa 1 GeV. Die CMS-Zusammenarbeit fand Hinweise auf ein neues Partikel mit einer Masse von 125,3 GeV.

Entscheidend ist, dass die Ergebnisse beider Teams außerordentlich robust erscheinen. In physikalischer Hinsicht erfordert der Nachweis eines neuen Partikels eine „3-Sigma“-Messung, die einer 1: 740-Wahrscheinlichkeit entspricht, dass ein zufälliger Zufall die Beobachtungen erklären könnte, und ein Entdeckungsanspruch erfordert einen 5-Sigma-Effekt oder a 1: 3,5 Millionen Schuss, dass die Beobachtungen zufällig sind. Im Dezember hatten Vertreter der beiden Experimente angekündigt, was man als "faszinierende, verlockende Hinweise" auf etwas bezeichnet, das sich in den Collider-Daten zusammenbraut. Aber diese Hinweise blieben hinter dem 3-Sigma-Niveau zurück. Der neue ATLAS-Befund erfüllte nicht nur dieses Signifikanzniveau, sondern löschte auch die 5-Sigma-Schwelle des Goldstandards, und CMS tat dies mit einem 4,9-Sigma-Befund beinahe ebenfalls.

"Dies ist die Auszahlung", sagte Tuts, nachdem die beiden Teams ihre neuesten Analysen bei der Higgs-Jagd angekündigt hatten. "Dafür machst du es." Peter Higgs selbst, der zusammen mit anderen bedeutenden Physikern, die die Theorie entwickelten, für das Seminar in Genf war, gab eine ähnliche Note ab, nachdem die ATLAS- und CMS-Teams ihre Schlussfolgerungen enthüllt hatten. "Für mich ist es wirklich unglaublich, dass es in meinem Leben passiert ist", sagte Higgs zu den Zuschauern am CERN. Er gehörte zu einem halben Dutzend Physikern, die in den 1960er Jahren den heutigen Higgs-Mechanismus vorschlugen und die Existenz eines Feldes vermuteten, das den gesamten Raum durchdringt, zusammen mit einem zugehörigen Teilchen. Das Feld verleiht Partikeln Masse, indem es eine Art Widerstand auf sie ausübt und sie verlangsamt, ähnlich wie ein Mensch langsamer wird, wenn er versucht, durch Wasser statt durch Luft zu gehen.

Das neu gefundene Partikel passt zur Rechnung für das Higgs-Boson, aber die Forscher warnten, dass mehr Arbeit erforderlich ist, um die Eigenschaften des Partikels mit denen zu vergleichen, die für das Higgs vorhergesagt wurden. Schließlich können die Detektoren des LHC die Higgs nicht direkt identifizieren. Der LHC beschleunigt Protonen auf beispiellose Energien von vier Billionen Elektronenvolt (4 TeV), bevor ein im Uhrzeigersinn laufender Protonenstrahl mit einem Strahl gegen den Uhrzeigersinn kollidiert. Aus dem Zertrümmern entstehen neue Partikel, von denen einige nur für einen Moment existieren, bevor sie in andere Partikel zerfallen.

Im Fall der Higgs können Physiker ihre Existenz und ihre Eigenschaften nur aus den profaneren Teilchen ableiten, die sie zerfallen, um beispielsweise Gammastrahlenphotonen oder Elektronenpaare zu erzeugen. Das neue Teilchen hat die richtige Masse, um die Higgs zu sein, und zerfällt im Großen und Ganzen wie vorhergesagt, obwohl einige Unklarheiten bestehen bleiben. Glücklicherweise sind mehr Daten gleich um die Ecke. "Wir haben nur ein Drittel der für 2012 erwarteten Daten aufgezeichnet", sagte die ATLAS-Sprecherin Fabiola Gianotti vom CERN während ihrer Präsentation. "Dies ist nur der Anfang. Es kommt noch mehr."

Sowohl Gianotti als auch CMS-Sprecher Joe Incandela von der University of California in Santa Barbara wurden von großen Applausausbrüchen begrüßt, als sie die Folien mit den Ergebnissen ihrer Higgs-Suche zeigten.

"Es gibt nicht viele Entdeckungen wie diese", sagte der Columbia-Physiker Brian Cole der Gruppe, die sich auf dem Campus für die Party am frühen Morgen versammelt hatte. "Das übertrumpft, würde ich sagen, alles in meiner Physikkarriere. … Ich hoffe, Sie alle erinnern sich für den Rest Ihres Lebens daran."

Kurz vor Sonnenaufgang verließen vier Studenten aus Columbia die Bibliothek und kehrten über den Campus zurück. Nur zwei von ihnen studierten Physik - einer konzentrierte sich auf Chemie und einer auf Mathematik. Aber alle waren sich einig, dass es sich gelohnt hatte, lange wach zu bleiben, um die Entstehung der Geschichte zu sehen.