Warum suchen Wissenschaftler nach dem engsten Freund des Higgs-Bosons?

Wissenschaftler des größten physikalischen Experiments der Welt haben die bisher genaueste Messung des größten uns bekannten subatomaren Teilchens angekündigt. Die Entdeckung mag mysteriös erscheinen, aber es wäre nicht übertrieben zu sagen, dass sie Auswirkungen auf das gesamte Universum hat.

Griechischer Philosoph Empedokles Dies wurde bereits vor 2.400 Jahren vermutet Materie kann in immer kleinere Teile zerlegt werden, bis am Ende Luft, Erde, Feuer und Wasser übrig bleiben. Seit dem frühen 20. Jahrhundert zerlegen Physiker Materie in immer kleinere Stücke, um stattdessen viele verschiedene subatomare Teilchen zu finden – bis zu 10 … Fülle den Zoo.

Top-Quark

Anstatt sich auf „kleinere“ Teilchen zu konzentrieren, interessieren sich moderne Teilchenphysiker für schwerer fassbare Teilchen.

Energiereichere Teilchen zerfallen oft in Teilchen mit niedrigerer Energie. Je größer der Energieunterschied zwischen der Energie des Teilchens und seiner Zerfallsprodukte ist, desto kürzer bleibt das Teilchen in seiner ursprünglichen Form und desto schneller zerfällt es. Gemäß der Masse-Energie-Gleichung ist ein massereicheres Teilchen auch ein energiereicheres Teilchen. Das massereichste Teilchen, das Wissenschaftler bisher entdeckt haben, ist das Top-Quark.

Es ist zehnmal schwerer als ein Wassermolekül, etwa dreimal so schwer wie ein Kupferatom und hat 95 % des Gewichts eines ganzen Atoms. Koffeinmolekül.

Dadurch ist das Top-Quark so instabil, dass es in weniger als 10 Sekunden in leichtere, stabilere Teilchen zerfallen kann.^-25 Sekunden.

Die Masse des Top-Quarks ist in der Physik sehr wichtig. Die Masse eines Teilchens ist gleich der Summe der Massen, die aus mehreren Quellen stammen. Die wichtigste Quelle aller Elementarteilchen ist das Higgs-Feld, das das gesamte Universum durchdringt. Das „Feld“ ist wie ein Meer aus Energie und Anregungen im Feld, sogenannte Teilchen. So wird beispielsweise die Anregung eines Higgs-Feldes als Higgs-Boson bezeichnet, genauso wie man sich ein Elektron als Anregung eines „elektronischen Feldes“ vorstellen kann.

Alle diese Bereiche interagieren auf spezifische Weise miteinander. Wenn das „Elektronenfeld“ beispielsweise bei Energien deutlich unter 100 GeV mit dem Higgs-Feld wechselwirkt, gewinnt das Elektronenteilchen etwas an Masse. Das Gleiche gilt auch für andere Elementarteilchen. (Ein Gigaelektronenvolt oder Gigaelektronenvolt ist eine Energieeinheit, die im Zusammenhang mit subatomaren Teilchen verwendet wird: 1 Joule = 6,24 Milliarden Gigaelektronenvolt.) Für die Aufklärung dieses Mechanismus erhielten François Englert und Peter Higgs 2013 den Nobelpreis für Physik.

Wenn das Top-Quark das massereichste subatomare Teilchen ist, liegt das daran, dass Higgs-Bosonen stärker mit ihm interagieren. Durch eine möglichst genaue Messung der Masse des Top-Quarks können Physiker auch viel über das Higgs-Boson lernen.

„Physiker sind von der Masse des Top-Quarks fasziniert, weil etwas Seltsames daran ist“, sagte Nirmal Raj, Teilchenforscher und Assistenzprofessor am Indian Institute of Science in Bengaluru. Hindus„Einerseits kommt es der Masse des Higgs-Bosons am nächsten, was man „natürlich“ erwarten würde, bevor man es misst. Andererseits auch bei allen anderen Teilchen [particles like it] Es ist viel leichter, weshalb man sich fragt, ob es sich bei dem Top-Quark tatsächlich um einen Spinner und nicht um einen „natürlichen“ Typ handelt.

Das Universum, wie wir es kennen

Aber der Kaninchenbau geht noch tiefer.

Physiker sind auch wegen seiner besonderen Masse, die es durch die Wechselwirkung mit anderen Higgs-Bosonen erhält, an der Erforschung des Higgs-Bosons interessiert. Wichtig ist, dass das Higgs-Boson massereicher ist als erwartet – was bedeutet, dass das Higgs-Feld energiereicher ist als erwartet. Da es das Universum durchdringt, können wir sagen, dass das Universum mehr Energie hat als erwartet. Diese „Vorhersage“ beruht auf Berechnungen von Physikern und sie haben keinen Grund zu der Annahme, dass sie falsch sind. Warum enthält das Higgs-Feld so viel Energie?

Physiker haben auch eine Theorie darüber, wie sich das Higgs-Feld ursprünglich (bei der Geburt des Universums) gebildet hat. Wenn sie Recht haben, besteht eine geringe, aber nicht bei Null liegende Chance, dass das Feld eines Tages in der Zukunft eine Art Selbstmodifikation erfährt, die seine Energie verringert und das Universum auf radikale Weise verändert.

Sie wissen, dass das Feld heute über eine gewisse potenzielle Energie verfügt und dass es eine Möglichkeit gibt, einen Teil davon abzubauen, um weniger und stabiler zu werden. Es gibt zwei Möglichkeiten, diesen stationären Zustand zu erreichen. Die erste besteht darin, dass das Feld zunächst etwas Energie gewinnt, bevor es diese verliert, und mehr, etwa so, als würde man eine Seite eines Berges erklimmen, um auf der anderen Seite ein tieferes Tal zu erreichen. Die andere Möglichkeit besteht darin, dass ein Ereignis namens Quantentunneln auftritt, bei dem die potenzielle Feldenergie durch den Berg wandert, anstatt ihn erklimmen und dort das Tal hinuntergehen zu müssen.

Deshalb sagte Stephen Hawking 2016, dass das Higgs-Boson „das Ende des Universums“, wie wir es kennen, bedeuten könnte. Selbst wenn das Higgs-Feld etwas stärker wäre als jetzt, würden die Atome der meisten chemischen Elemente zerstört und Sterne, Galaxien und Leben auf der Erde mitgerissen. Aber während Hawking technisch gesehen Recht hatte, behaupteten andere Physiker schnell, dass die Häufigkeit des Tunnelereignisses bei 1 zu 10 liege.¹⁰⁰ Jahre.

Masse des Higgs-Bosons – 126 GeV/s² (eine Einheit für subatomare Teilchen) – ist auch Fast genug Um das Universum in seinem gegenwärtigen Zustand zu halten; Alles andere und das „Ende“ wird passieren. Dieser fein abgestimmte Wert weckt offensichtlich Neugier und Neugierde. Ich möchte es wissen Welche natürlichen Prozesse tragen dazu bei? Das Top-Quark ist Teil dieses Bildes, da es das massereichste Teilchen und gewissermaßen der engste Freund des Higgs-Bosons ist.

„Die genaue Messung der Masse des Top-Quarks hat Auswirkungen darauf, ob unser Universum aufhören wird zu existieren“, sagte Dr. Raj.

Finden Sie den Top-Quark

Physiker entdeckten das Top-Quark 1995 an einem US-amerikanischen Teilchenbeschleuniger namens Tevatron und schätzten seine Masse auf 151-197 GeV/s.²Tevatron wurde 2011 geschlossen; ​​Die Physiker analysierten die von ihm gesammelten Daten weiter und aktualisierten den Wert Drei Jahre später Auf 174,98 GeV/s²Andere Experimente und Forschungsgruppen haben im Laufe der Zeit genauere Werte geliefert. Am 27. Juni gaben Physiker am Large Hadron Collider (LHC) in Europa bekannt… Die bisher genaueste Zahl: 172,52 GeV/s².

Es ist schwierig, die Masse des Top-Quarks zu messen, wenn es etwa 10 Jahre alt ist^-25 Normalerweise erzeugt ein Partikelzertrümmerer eine sehr heiße Partikelsuppe. Wenn in dieser Suppe ein Top-Quark vorhanden ist, zerfällt es schnell in bestimmte Gruppen leichterer Teilchen. Detektoren suchen nach diesen Ereignissen und verfolgen und zeichnen deren Eigenschaften auf, wenn sie auftreten. Schließlich sammeln Computer diese Daten und Physiker analysieren sie, um festzustellen, ob die Daten korrekt sind. Wiederaufbau Physikalische Eigenschaften des Top-Quarks.

Wissenschaftler lernen anhand komplexer mathematischer Modelle, was an jedem Punkt dieses Prozesses zu erwarten ist, und müssen mit vielen Unsicherheiten umgehen. Viele der in diesen Maschinen verwendeten Geräte verfügen ebenfalls über die neuesten Technologien; Und wenn Ingenieure es weiter verbessern, verbessern sich auch die Ergebnisse der Physiker.

Jetzt werden Forscher die Messung der Masse des Top-Quarks in Berechnungen einbeziehen, die uns helfen, die Teilchen des Universums zu verstehen. Einige von ihnen werden diese Messungen auch verwenden, um einen genaueren Wert zu ermitteln. Laut Dr. Raj ist die genaue Messung der Masse des Top-Quarks auch entscheidend dafür, ob in den Daten ein anderes Teilchen mit einer Masse nahe der Masse des Top-Quarks verborgen sein könnte.