Wer kümmert sich um Partikel? Warum interessieren sich Physiker, die sich auf sie spezialisiert haben, so für sie?
Tatsächlich interessieren wir uns nicht für Partikel allein.
Hier ist eine Analogie für Sie: Stellen Sie sich vor, Sie interessieren sich für die Städte des Römischen Reiches und deren Funktionsweise. Aus diesem Grund können Sie beginnen, römische Architektur zu studieren. Vielleicht interessiert Sie auch, wie sie ihre Gebäude und Aquädukte gebaut haben. Dann werden Sie wahrscheinlich auf die Zuverlässigkeit ihrer Bögen und Fundamente und von ihnen auf die Eigenschaften von Ziegeln und Mörtel umsteigen. Aber Sie interessieren sich nicht für Ziegel und Mörtel - dies ist nur ein Mittel zum Zweck. Sie möchten sie als Teil der allgemeineren Fragen der Planung und des Baus römischer Gebäude, ihrer Schönheit und Zuverlässigkeit betrachten, die es ihnen ermöglichten, Jahrhunderte zu überleben.
Die Natur ist der fruchtbarste und älteste Architekt. Wir leben umgeben von Schönheit und Geheimnissen - Eichen und Vulkanen, Sonnenuntergängen und Stürmen, einem wunderschönen Mond und unzähligen Sandkörnern am Strand. Vor einigen Jahrhunderten kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Vielfalt dieser Architektur besser verstanden werden kann, wenn wir annehmen, dass Materie aus verschiedenen Atomen besteht - „Elementen“. Also begannen sie sich für Atome zu interessieren, die "elementaren" Bausteine der Natur, wie sie damals gedacht wurden.
Es stellte sich jedoch heraus, dass dies nur der Anfang war, da sich herausstellte, dass es Dutzende verschiedener Arten von Atomen gibt, die sich in ihren chemischen Umwandlungen und in der Fähigkeit, Licht zu emittieren, erheblich unterscheiden. Um die Vielfalt und das Verhalten von Atomen zu verstehen, stellten die Wissenschaftler fest, dass es sich auch um Architekturformen handelt, die aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sind: Elektronen, die den Atomkern umgeben und durch Zementieren ihrer elektrischen Kräfte intakt gehalten werden. Und in den Kernen selbst gibt es auch Architektur, bei der Protonen und Neutronen intakt gehalten werden, indem ihre starke Wechselwirkung zementiert wird. Auf dem Weg wurde eine andere Kraft entdeckt, eine schwache Interaktion, die oft destruktiver ist als eine kreative Kraft.
Die Entdeckung neuer Architekturebenen ermöglichte nicht nur die Erklärung der elementaren chemischen Prozesse sowie der Emission und Absorption von Licht, sondern ermöglichte auch die Entschlüsselung anderer Geheimnisse - der Prinzipien der Funktionsweise von Sternen, der Radioaktivität sowie des Zugangs zu der enormen Gefahr, die in der Energie des Kerns verborgen ist. Der Ansatz von Ziegeln und Zement ist zum Schlüssel geworden, um im Laufe des 20. Jahrhunderts viele Geheimnisse zu entschlüsseln.
Dies ist natürlich eine quasi-historische Skizze und keine genaue Darstellung der Geschichte. Die wahre Geschichte ist reicher, komplexer und liegt außerhalb meiner Möglichkeiten.
In den 1950er Jahren war bekannt, dass Protonen und Neutronen von Atomkernen viele Cousins haben: andere
Hadronen mit Namen wie
Pfingstrosen ,
Kaonen ,
Delta-Baryonen ,
Ro-Mesonen und andere. Diese Komplexität war ein Zeichen einer anderen Architektur. In den frühen 1970er Jahren erschien eine neue Idee über diese Partikel als Objekte, die aus
Quarks , Antiquarks und
Gluonen bestehen und durch eine starke Wechselwirkung zusammengehalten werden.
Experten für Teilchenphysik sind Wissenschaftler, die sich für die Architektur der Natur auf der Ebene von Ziegeln und Zement, Zuverlässigkeit und Zerstörbarkeit interessieren. Was sind die Grundbausteine, die sie zusammenhalten oder trennen? Wie organisieren und bilden sie die Grundlage für eine Vielzahl von Strukturen, die wir im Universum beobachten?
Seit Anfang der 1960er Jahre hat sich allmählich herausgestellt, dass die Eigenschaften der Welt, in der wir leben, das Vorhandensein einer Substanz erfordern, die das Universum füllt - ein Feld ungleich Null, wie wir es per Definition das Higgs-Feld nennen -, das die Eigenschaften vieler Teilchen in der Natur beeinflusst. Ohne das Higgs-Feld würde die Architektur um uns herum zusammenbrechen. Zu verstehen, was dieses Gebiet ist und wie es funktioniert, ist eines der zentralen Projekte der heutigen Experten für Teilchenphysik und die Hauptbegründung für den Bau des Large Hadron Collider (LHC). Welche Geheimnisse werden während des Studiums gelüftet? Niemand weiß es noch.
Warum mussten Physiker dann einen riesigen "Atomzerstörer" bauen?
Oh, wie ich diesen Begriff hasse! Wir kollidieren nicht mit Atomen, wir kollidieren mit subatomaren Teilchen: Protonen, die 100.000-mal kleiner als Atome (im Radius) sind, oder Elektronen, die weitere 1000-mal kleiner als Protonen sind! So verwechseln Sie eine Kollision von Planeten mit einer Kollision von zwei Öltankern oder zwei Kugeln.
Okay, meine Damen, beruhigen Sie sich schon. Warum sollten Physiker Protonen oder andere subatomare Teilchen kollidieren lassen? Ist es möglich, etwas weniger destruktives zu tun?
Eine Analogie wird oft gegeben, dass die Verwendung von Kollidern (oder genauer gesagt subatomaren Teilchenkollidern) in der Physik dem Zerlegen genauer Chronometer gleicht, um ihre Arbeit an von ihnen emittierten Teilen zu untersuchen. Diese Analogie ist sinnvoll, berücksichtigt aber nichts Wichtiges.
Die Kollision subatomarer Teilchen ultrahoher Energien ist nicht nur ein Akt der Zerstörung. Es ist größtenteils ein Schöpfungsakt.
Dies ist eine erstaunliche Eigenschaft der Natur - wenn Sie viel Energie in einen relativ kleinen Raum schieben, können manchmal Partikel daraus erzeugt werden, die vorher nicht da waren. Aus diesem Grund arrangieren wir Kollisionen von energiereichen Partikeln. Technologie mit Energiekompression ist die einzige bekannte Technologie, mit der neue oder äußerst seltene Partikel erhalten werden können, die Menschen bisher noch nicht gesehen haben. Zum Beispiel haben wir keine andere Möglichkeit, Higgs-Partikel zu erhalten.
Wir interessieren uns also nicht für das Aufeinandertreffen von Zeitmessern. Wir wissen bereits viel über sie - wir verstehen die Protonen, die im LHC kollidieren, bereits anständig. Wir hoffen, etwas zu entdecken, das nicht in der Uhr war - wir haben Quarks und Gluonen, Ziegel und Protonenzement bereits ausreichend detailliert untersucht. Wir müssen die Analogie optimieren. Vielmehr schieben wir die Uhr zusammen in der Hoffnung, dass durch die Kollisionsenergie ein Handy erscheint.
Das klingt ziemlich verrückt. Aber die Natur ist erstaunlich und ungewöhnlich, und auf dem LHC werden täglich seltene schwere Partikel erzeugt. Um Higgs-Teilchen und möglicherweise andere unerwartete Phänomene zu erzeugen, opfern wir Protonen auf dem Altar des LHC.