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The Accidental Particle

2008-09-09 3
   
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résuméPeter Higgs innerhalb des Large Hadron Collider in Genf Die ersten Teilchenstrahlen wird durch die Schweiz das Rennen Large Hadron Collider jemals gebaut wurde, dem größten Teilchenbeschleuniger an diesem Mittwoch. Nach 15 Jahren-und so etwas wie 8 M
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The Accidental Particle

Peter Higgs innerhalb des Large Hadron Collider in Genf

Die ersten Teilchenstrahlen wird durch die Schweiz das Rennen Large Hadron Collider jemals gebaut wurde, dem größten Teilchenbeschleuniger an diesem Mittwoch. Nach 15 Jahren-und so etwas wie 8 Mrd. $ Baukosten-Maschine sollte von midfall frühen Ergebnisse produzieren beginnen. Nach der üblichen Geschichte, überall Teilchenphysiker ängstlich Beweise für eine bis jetzt noch ungesehen Elementarteilchen erwartet werden , um die genannte Higgs - Boson .

Im letzten Sommer habe ich argumentiert, dass die Entdeckung des Higgs-Katastrophe für das Feld bedeuten könnte. Wenn wir das Higgs, das finden Standard - Modell der Hochenergiephysik würde eine theoretische Darstellung aller bekannten Teilchen liefern und deren Wechselwirkungen. Physiker könnte es verwenden, um die Ergebnisse jedes Teilchenbeschleuniger-Experiment zur Vorhersage immer mit nahezu perfekter Genauigkeit durchgeführt, ein groß genug Computer gegeben. Aber das Standardmodell ist nicht intuitiv genug Einblick in zur Verfügung zu stellen, warum die Welt die Art und Weise geschieht, zu sein es ist. Die meisten Physiker hoffen, dass es eine tiefere, aufschlußreiche Theorie, entdeckt zu werden warten; wenn alle LHC findet das Higgs ist, werden sie bitter enttäuscht sein. Zum Glück-und dies ich nicht erwähnt, im vergangenen Jahr gibt es keinen besonderen Grund zu erwarten, dass das Higgs-up zeigen.

Dass das Higgs-Boson erscheint im Standardmodell überhaupt ist mehr eine Frage der historischen und soziologischen Zufall als eine Vorhersage basiert auf soliden wissenschaftlichen Daten. Tatsächlich gibt es keine direkte (oder indirekte) der Nachweis, dass das Higgs-Boson wirklich ist. Das Sammelsurium von Theorien , die im Standardmodell werden aufgerollt sind , so dass alles , was wir denken , wissen wir über die Teilchenphysik sein kann genau der rechten und doch ist der " Gott - Teilchen " eine Fiktion sein könnte.

Die Geschichte des Higgs-Bosons geht zurück fast 50 Jahren zu, wenn die Theorien, die letztlich in das Standardmodell kombiniert werden würde zuerst entwickelt wurden. Zu dieser Zeit waren die Physiker bewusst drei scheinbar unterschiedliche Kräfte, die die Bewegung von Teilchen beeinflussen könnten: die elektromagnetische Kraft, die für bekannte Phänomene wie Gewitter und Fernseher und zwei weitere Kräfte, die in der Kernprozesse von Bedeutung waren, bekannt als die starke und schwache Kräfte. Sie wussten, dass einer vierten Kraft, zu der Schwerelosigkeit, aber es war viel zu schwach, die in diesen Experimenten wichtig.

Das Higgs - Saga beginnt im Jahr 1960 mit einem Physiker namens Sheldon Glashow , der seinen Ph.D. gerade gewickelt hatte bis in Harvard und wurde in Kopenhagen arbeiten, warten auf ein Visum durch zu kommen, damit er seine Promotion in Russland beginnen konnte. Glashow hatte eine Ahnung, dass zwei der drei Kräfte-Elektromagnetismus und die schwache Kraft-waren tatsächlich Manifestationen derselben Sache, eine "elektroschwachen" Kraft. Im Jahr 1961 veröffentlichte er ein Papier, das beide Kräfte mit einem einzigen mathematischen Rahmen zu beschreiben versucht.

Aber es gab auch Probleme mit Glashow Theorie. Wenn zwei Elektronen eine Kraft aufeinander ausüben, wird diese Kraft "getragen" durch eine andere Art von Teilchen, die zwischen ihnen bewegt. Electromagnetism, zum Beispiel, wird durch Photonen durch, das gleiche Material, das Licht ausmacht; wenn zwei Elektronen gegenseitig abstoßen, tauschen sie Photonen. Um die Verbindung mit der schwachen Kraft zu machen, benötigt Glashow zu der Annahme, dass es eine Art von analog zum Photon war, die die schwache Kraft führen würde. Aber niemand hatte je ein Teilchen so gesehen, und wenn sie wirklich so etwas wie Photonen waren, sollten sie waren sehr leicht zu beobachten.

Ein Weg, um dieses Problem war zu vermuten, daß die schwachen Kraftträger waren sehr schwer. Je schwerer ein Teilchen ist, müssen je größer das Gaspedal Sie es zu produzieren; durch große Massen für diese Kraftteilchen theoretisieren, war es möglich, sie außerhalb des Bereichs der 1960er Jahre Technologie zu setzen. Dies würde erklären können, warum niemand sie gesehen hatte, aber es drohte auch Glashow Theorie nicht haltbar zu machen: Die einzige mathematisch konsistenten Art und Weise, dass jeder dieser neuen Kraft tragenden Teilchen so schwer zu machen wusste, eine neue, sehr leichte Teilchen auf die beteiligten Zugabe Theorie genannt Goldstonetheorem. (A-Boson ist eine von zwei Arten von Teilchen die anderen werden als "Fermionen" -distinguished durch Unterschiede in ihrer internen Rotation Photonen sind Bosonen;. Elektronen sind Fermionen). Diese Goldstonebosonen gewesen wäre, leicht zu erkennen, ob sie echt waren, wieder, weil sie so leicht. Und doch waren sie in Experimenten auffallend abwesend.

Inzwischen war ein junger schottischer Physiker namens Peter Higgs Interesse an einem ganz anderen Gebiet der Teilchenphysik: die starke Kraft. Auch hier wusste niemand, wie eine konsistente Theorie zu schaffen, ohne auch nervtötend, nicht vorhandene Goldstonebosonen vorherzusagen. Mindestens bis 1964, als Higgs eine Lösung vorgeschlagen.

Higgs 'Idee, jetzt die genannte Higgs - Mechanismus , war das Spielfeld zu erweitern: Er studierte was mathematisch passiert , wenn Sie vermuten , dass Kraftteilchen alle gleich handeln im Rahmen der Theorie Sie versuchen , anders zu bauen , aber verhalten , wenn sie sich treffen etwas außerhalb der Theorie. (Dieser Einfluss von außen könnte ein oder mehrere neue Partikel sein, oder könnte es sein, etwas, das man bereits wusste aber, die Sie erwarten würden nicht auf Ihre Theorie relevant.) Er fand heraus, dass es möglich ist, für einige krafttragenden Teilchen so zu interagieren stark mit einem Außen Teilchen, dass sie untrennbar miteinander verflochten sind, so dass das, was Experimentatoren im Labor gesehen haben, waren wirklich Mischungen aus beiden. Andere krafttragenden Teilchen überhaupt nicht mit der Außen Teilchen in Wechselwirkung treten. Wenn Higgs richtig war, die gesamte Kraft tragenden Teilchen würden sehr leicht sein, aber einige scheinen schwer , weil sie mit dieser massiven Teilchen vermischen. Und das bedeutet, dass es keine Goldstonebosonen wäre zu befürchten.

Die ursprüngliche Arbeit auf dem Higgs-Mechanismus nicht über die Details der Außen Partikel sorgen; um seinen Punkt zu machen, machte er nur die einfachste mathematisch mögliche Wahl. Wichtig war, dass, was auch immer das Herz des Higgs-Mechanismus, es war massiv genug sein könnte, zu erklären, warum niemand bei der Arbeit gesehen hatte.

Erst 1967, die Steven Weinberg und Abdus Salam versucht, den Higgs-Mechanismus Glashow der elektroschwachen Theorie zu retten. Aber um das Higgs-Mechanismus zu arbeiten, mussten sie von außerhalb der Theorie-Betrachtung eine bestimmte Partikel auszuwählen, die Higgs nicht haben, um Sorgen zu machen, als er seinen Mechanismus abstrakt entwickelt. Wir wissen jetzt, dass es mehrere Dinge, die Weinberg und Salam hätte vorgeschlagen, die passen genau in ihre große Theorie haben würde. Eine Reihe von Möglichkeiten, die heute als Technicolor Modelle bekannt ist , hätte eine ganze Reihe von neuen Fermionen gesetzt, anstatt ein neues Boson. (Weinberg arbeitete die Besonderheiten der Technicolor-Modelle im Jahr 1980) Eine verwandte Reihe von Theorien für die Masse der Krafttragenden Teilchen mit einer exotischen Interaktion genannte eine kondensat zwischen dem Top-Quark berücksichtigt haben könnte (was da beobachtet wurde) und ihre Antiteilchen.

Die Ideen hinter diesen Alternativen wurden bereits im Jahr 1967 gut etabliert, aber es gab keine Hinweise auf Weinberg und Salam zu einem von ihnen zu führen. So wählten sie die sparsamste Möglichkeit als Platzhalter, bis Experimente mit einem vollständigeres Bild der elektroschwachen Kraft aufholen konnte: Sie veröffentlichten ihre Theorie mit dem einzigen neuen Elementarteilchen, dass Higgs ursprünglich als Beispiel verwendet, und dass wir jetzt das Higgs-Boson nennen . Nichts in den Rest der Theorie gezwungen, diese Entscheidung, und obwohl wir jetzt erhebliche Beweise für die Higgs-Mechanismus haben, wir haben nicht für die gleichnamige-Boson.

Na, dann kommt das Higgs-Boson so viel Aufmerksamkeit, unter den Physikern und in der populären Presse? Weinberg und Salam Papiere, obwohl bis in die frühen 1970er Jahre ignoriert, sind jetzt ungeheuer einflussreich, weil der andere Vorhersagen der Theorie. Tatsächlich Glashow, Weinberg und Salam teilte die 1979 den Nobelpreis für ihre elektroschwachen Theorie. Im Jahr 1974 gepflasterten John Iliopoulos die Glashow-Weinberg-Salam elektroschwachen Theorie-Higgs-Boson zusammen und alles mit einer Theorie der starken Kraft des Standardmodells zu notieren, wie wir sie jetzt verstehen. In den letzten 35 Jahren als das Standardmodell aufgenommen Erfolg nach, wurde es leicht zu vergessen, dass das Higgs-Boson ist-und ist seit jeher-unabhängig vom Rest der Theorie.

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