Die meisten von uns haben in der Schule oder in Büchern gelehrt, dass alle Materialien um uns herum - alles, was wir essen, trinken, atmen, alle Lebewesen, die Erde selbst - aus Atomen bestehen. Es gibt ungefähr 100 Arten von ihnen, sie werden "chemische Elemente" genannt und sind normalerweise in Form von Molekülen organisiert, so wie Buchstaben in Wörter organisiert werden können. Wir halten diese Tatsachen über unsere Welt für selbstverständlich, aber am Ende des 19. Jahrhunderts gab es immer noch eine hitzige Debatte darüber. Erst in der Region von 1900, als es aufgrund mehrerer Schlussfolgerungen möglich wurde, die Größe von Atomen zu berechnen, und als ein Elektron entdeckt wurde, ein subatomares Teilchen, das an den Rändern von Atomen lebt, nahm das Atombild der Welt endlich Gestalt an.
Aber auch heute noch sind einige Teile dieses Bildes nicht klar sichtbar. Rätsel bleiben hundert Jahre alt ungelöst. Und all dieser Hype um das „Higgs-Boson“ hängt direkt mit diesen tiefen Fragen zusammen, die im Herzen unserer Existenz liegen. Bald werden die verschwommenen Teile unseres Bildes klarer und enthüllen uns Details über unsere Welt, die uns noch nicht klar sind.
In der Schule haben wir gelehrt, dass die Masse eines Atoms hauptsächlich auf seinen kleinen Kern zurückzuführen ist. Die Elektronen, die eine unscharfe Wolke um den Kern bilden, tragen zu dieser Masse nicht mehr als ein Tausendstel ihres Teils bei. Aber was sie uns normalerweise nicht sagen, wenn wir uns nicht eingehend mit Physik befassen, ist, dass die Größe eines Atoms hauptsächlich von der Masse des Elektrons abhängt. Wenn Sie die Masse eines Elektrons irgendwie reduzieren könnten, würden Sie feststellen, dass die Atome gewachsen und zerbrechlicher geworden sind. Reduzieren Sie die Masse eines Elektrons tausendmal, und die Atome werden so zerbrechlich, dass selbst die vom Urknall verbleibende Hitze sie zerstören kann. Daher ist die gesamte Struktur und Existenz gewöhnlicher Materialien mit einer scheinbar esoterischen Frage verbunden: Warum haben Elektronen überhaupt Masse?
Die Masse des Elektrons und sein Ursprung wurden von Physikern seit seiner ersten Messung verwirrt. Viele Entdeckungen im Zusammenhang mit anderen scheinbar elementaren Teilchen, die in den letzten hundert Jahren gemacht wurden, haben dieses Rätsel kompliziert und bereichert. Zunächst wurde festgestellt, dass Licht auch aus Teilchen besteht, die Photonen genannt werden und überhaupt keine Masse haben. Dann besteht der Atomkern aus Teilchen, die Quarks genannt werden und Masse haben. Kürzlich fanden wir Anzeichen dafür, dass Neutrinos, schwer fassbare Partikel, die sich in Herden aus dem Darm der Sonne bewegen, ebenfalls eine Masse haben, wenn auch eine sehr kleine. Daher rückte die Frage nach dem Elektron in die Kategorie der größeren Fragen: Warum haben Teilchen wie Elektronen, Quarks und Neutrinos Masse, Photonen jedoch nicht?
Mitte des letzten Jahrhunderts lernten die Physiker, Gleichungen zu schreiben, die das Verhalten von Elektronen vorhersagen und beschreiben. Obwohl sie nicht wussten, woher die Masse des Elektrons stammte, stellten sie fest, dass diese Masse recht einfach manuell in die Gleichungen zu integrieren war, und beschlossen, dass eine vollständige Erklärung ihres Ursprungs später erscheinen würde. Als sie sich jedoch mit der Untersuchung schwacher nuklearer Wechselwirkungen befassten, einer der vier in der Natur bekannten, hatten sie ein ernstes Problem.
Die Physiker wussten bereits, dass elektrische Kräfte mit Photonen verbunden sind, und erkannten dann, dass die schwache Wechselwirkung mit Teilchen verbunden ist, die als "W" und "Z" bezeichnet werden. Gleichzeitig hatten die Teilchen W und Z einen Unterschied zum Photon in Form der Masse - sie sind in der Masse mit dem Zinnatom vergleichbar, mehr als hunderttausendmal schwerer als das Elektron. Leider stellten die Physiker fest, dass sie die Massen der Teilchen W und Z nicht manuell in die Gleichungen einbeziehen konnten: Die resultierenden Gleichungen ergaben bedeutungslose Vorhersagen. Und als sie untersuchten, wie schwache Wechselwirkungen Elektronen, Quarks und Neutrinos beeinflussen, stellten sie fest, dass die alte Art, Masse in Gleichungen einzuführen, nicht funktioniert - sie bricht auch das gesamte System.
Neue Ideen waren erforderlich, um zu erklären, wie bekannte Elementarteilchen Masse haben können.
Dieses Geheimnis manifestierte sich allmählich in den 1950er und 1960er Jahren. Und in den frühen 1960er Jahren erschien eine mögliche Lösung - hier treffen wir Peter Higgs und andere (Braut, Englert, Guralnik, Hagen und Kibble). Sie schlugen vor, was wir jetzt den "Higgs-Mechanismus" nennen. Nehmen wir an, in der Natur gibt es ein weiteres bisher unbekanntes Feld - wie alle Felder ist es eine bestimmte Substanz, die in allen Bereichen des Raums existiert - ungleich Null und in allen Räumen und Zeiten homogen. Wenn dieses Feld - jetzt Higgs-Feld genannt - vom richtigen Typ ist, führt sein Vorhandensein dazu, dass die W- und Z-Teilchen Masse aufweisen, und ermöglicht es den Physikern, die Elektronenmasse zu den Gleichungen zurückzukehren. Dies wird die Frage, warum die Masse des Elektrons so ist, immer noch verschieben, aber zumindest dann wird es möglich sein, Gleichungen zu schreiben, in denen die Masse des Elektrons nicht gleich Null ist!
In den folgenden Jahrzehnten wurde die Idee des Higgs-Mechanismus auf vielfältige Weise getestet. Aus detaillierten Untersuchungen von W- und Z-Partikeln ist heute bekannt, dass die Lösung des Rätsels, das aufgrund schwacher Wechselwirkungen auftrat, irgendwo in diesem Bereich liegt. Aber die Details dieser Geschichte sind uns unbekannt.
Was ist das Higgs-Feld, wie soll man es verstehen? Es ist für uns unsichtbar und wir fühlen es nicht, wie ein Kind keine Luft fühlt oder wie ein Fisch - Wasser. Und noch mehr - denn wenn wir erwachsen werden, werden wir uns des Luftstroms um unseren Körper bewusst und fühlen ihn mit Hilfe von Berührungen. Keines unserer Gefühle gibt uns Zugang zum Higgs-Feld. Wir können es nicht nur nicht mit Hilfe der Sinne erkennen, wir können es auch nicht direkt mit Hilfe wissenschaftlicher Instrumente tun. Wie können wir also sicher sein, dass es existiert? Und wie können wir hoffen, etwas über ihn zu erfahren?
Die Analogie zwischen Luft und Higgs-Feld funktioniert im folgenden Beispiel gut: Wenn Sie eines dieser beiden Medien stören, vibrieren sie und erzeugen Wellen. Es ist leicht, solche Wellen in der Luft zu erzeugen - Sie können schreien oder in die Hände klatschen - und dann finden unsere Ohren diese Wellen in Form von Schall. In einem Higgs-Feld ist es immer schwieriger, Wellen zu erzeugen. Dazu benötigen Sie einen riesigen Teilchenbeschleuniger, Large Hadron Collider. Und um sie zu erkennen, benötigen Sie wissenschaftliche Werkzeuge von der Größe eines Hauses, zum Beispiel ATLAS oder CMS.
Wie funktioniert es Klatschen erzeugt mit Sicherheit laute Schallwellen. Die Kollision zweier hochenergetischer Protonen auf dem LHC erzeugt sehr leise Higgs-Wellen, wenn auch nicht unbedingt - dies führt zu nur einer Kollision von zehn Milliarden. Die resultierende Welle ist die leiseste Welle im Higgs-Feld (technisch gesehen ein Quantum dieses Wellentyps). Wir nennen diese Welle das "Higgs-Teilchen" oder das "Higgs-Boson".
Manchmal nennen es die Medien das "Teilchen Gottes". Dieser Begriff wurde von einem Verlag geprägt, um sein Buch besser zu verkaufen. Er stammt also aus der Werbung, nicht aus der Wissenschaft oder der Religion. Wissenschaftler verwenden diesen Begriff nicht.
Das Erstellen eines Higgs-Partikels ist nur ein Teil des Prozesses und relativ einfach. Es ist viel schwieriger, es zu finden. Schallwellen wandern frei von Ihren Handflächen durch den Raum zum Ohr der anderen Person. Und das Higgs-Teilchen zerfällt schneller in andere, als man das Higgs-Boson sagen kann. In der Tat schneller als es Licht braucht, um den Durchmesser eines Atoms zu passieren. ATLAS und CMS messen die Überreste des explodierten Higgs-Partikels nur so sorgfältig wie möglich und versuchen, das Geschehene zurückzuspulen, wie Detectives, die den Fall aufdecken, um festzustellen, ob das Higgs-Partikel die Quelle dieser Rückstände werden könnte.
Tatsächlich ist es noch komplizierter. Es reicht nicht aus, ein Higgs-Teilchen zu erzeugen, da seine Überreste nicht unterschieden werden können. Oft führt die Kollision zweier Protonen zum Auftreten von Fragmenten, die denen ähneln, die beim Zerfall eines Higgs-Teilchens entstehen. Wie stellen wir also fest, dass ein Higgs-Teilchen entstanden ist? Der Schlüssel ist, dass Higgs-Partikel zwar selten sind, ihre Trümmer jedoch ziemlich regelmäßig auftreten, während andere Prozesse häufig, jedoch zufälliger ablaufen. Auf die gleiche Weise, wie Ihr Ohr eine singende Stimme auch durch starke Störungen im Radio erkennen kann, können Experimentatoren das regelmäßige Klingeln des Higgs-Feldes in der zufälligen Kakophonie erkennen, die durch andere ähnliche Prozesse erzeugt wird.
Das alles anzukurbeln ist extrem schwierig und schwierig. Dies geschah jedoch als Teil des Triumphs des menschlichen Einfallsreichtums.
Warum also solche herkulischen Heldentaten betreiben? Aufgrund der extremen Bedeutung des Higgs-Feldes für unsere Existenz. Nur unsere Unkenntnis über seine Herkunft und Eigenschaften kann mit dieser Bedeutung in der Größe verglichen werden. Wir wissen nicht einmal, ob ein solches Feld existiert; es kann mehrere geben. Das Higgs-Feld kann selbst zusammengesetzt sein und aus anderen Feldern bestehen. Wir wissen nicht, warum es ungleich Null ist, und wir wissen nicht, warum es unterschiedlich mit verschiedenen Teilchen interagiert und zum Beispiel dem Elektron gibt, dass die Masse überhaupt nicht die gleiche ist wie die Masse des oberen Quarks. Da die Masse nicht nur bei der Bestimmung der Größe von Atomen, sondern auch bei vielen anderen Eigenschaften der Natur eine wichtige Rolle spielt, kann unser Verständnis des Universums und unserer selbst nicht vollständig und zufriedenstellend sein, solange das Higgs-Feld so mysteriös bleibt. Das Studium von Higgs-Partikeln - Wellen in einem Higgs-Feld - gibt uns tiefes Wissen über die Natur dieses Feldes, genauso wie Sie Luft aus Schallwellen, über einen Stein - durch das Studium von Erdbeben und über das Meer - durch Beobachtung von Wellen am Strand lernen können.
Einige von Ihnen werden wahrscheinlich (und zu Recht) fragen: Das ist alles sehr inspirierend, aber welchen Nutzen kann es der Gesellschaft im praktischen Sinne bringen? Die Antwort gefällt Ihnen möglicherweise nicht. Die Geschichte hat gezeigt, dass der soziale Nutzen der Erforschung grundlegender Fragen möglicherweise erst nach Jahrzehnten oder sogar einem Jahrhundert sichtbar wird. Ich vermute, dass Sie heute einen Computer benutzt haben. Ich bezweifle, dass jemand in seinem Kreis, als Thompson 1897 Elektronen entdeckte, hätte erraten können, wie sehr Elektronik die Gesellschaft verändern könnte. Wir hoffen nicht, die Technologie des nächsten Jahrhunderts einzuführen oder wie sich das heute gewonnene scheinbar esoterische Wissen auf die ferne Zukunft auswirken kann. In Grundlagenforschung zu investieren ist immer ein Glücksspiel, basiert aber auf Wissen. Im schlimmsten Fall lernen wir etwas Tiefes und Unerwartetes in der Natur. Solches Wissen ist zwar in monetärer Hinsicht nicht wertvoll, aber in beiden Sinnen von unschätzbarem Wert.
Der Kürze halber habe ich etwas vereinfacht. Nicht alles musste so sein. Es war möglich, dass die Wellen auf dem Higgs-Feld nicht erkannt werden konnten - es könnte an einen Versuch erinnern, Wellen auf einem Asphaltsee oder in dickem Sirup zu erzeugen. Die Wellen könnten verblassen, bevor sie vollständig ausgebildet sind. Wir wissen jedoch genug über die Partikel der Natur, um zu wissen, dass eine solche Option nur möglich wäre, wenn es andere unentdeckte Partikel und Wechselwirkungen gäbe - und einige davon könnten sicherlich auf dem LHC gefunden werden. Entweder könnten die Higgs-Teilchen existieren, aber so, dass es viel schwieriger wäre, sie herzustellen, oder sie könnten auf unerwartete Weise zerfallen. In all diesen Fällen könnte es noch einige Jahre dauern, bis das Higgs-Feld seine Geheimnisse preisgab. Wir waren also bereit zu warten, obwohl wir hofften, dass wir den Medien nicht all diese Schwierigkeiten erklären müssen.
Aber wir waren vergebens besorgt.
Die Entdeckung des Higgs-Teilchens ist ein Wendepunkt in der Geschichte. Der Triumph derer, die den Higgs-Mechanismus vorgeschlagen haben und derer, die am LHC, ATLAS und CMS arbeiten. Dies bedeutet jedoch nicht die Vervollständigung unserer Rätsel, die mit der Masse bekannter Partikel verbunden sind - dies ist nur der Beginn unserer Hoffnung, diese Rätsel zu lösen. In Zukunft werden die Energie und die Anzahl der Kollisionen auf dem LHC zunehmen, und ATLAS und CMS werden das Higgs-Teilchen umfassend und systematisch untersuchen. Was sie lernen, kann es uns ermöglichen, die Geheimnisse dieses massenproduzierenden Ozeans zu lösen, in dem wir alle schwimmen, und uns weiter auf den epischen Weg zu führen, der vor mehr als hundert Jahren begann und Jahrzehnte und Jahrhunderte dauern kann und über unsere Strömung hinausgeht Horizonte.