Die 12 Teilchen entdecken: Eine Reise ins Herz der Materie

Materieteilchen — Darstellung einer Simulation von Teilchenkollisionen. Die Teilchen sind nicht sichtbar, aber nachweisbar, wenn ausreichend Energie in der Größenordnung von Gigaelektronenvolt (GeV) zugeführt wird. Energie und Masse sind zwei Aspekte desselben Phänomens. Gemäß Einsteins berühmter Gleichung (E = mc2) kann Masse in Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Diese Teilchen bilden die Bausteine von allem, was im Universum existiert.

Teilchenphysik

Die Teilchenphysik ist ein Zweig der Physik, der die grundlegenden Bestandteile des Universums untersucht. Es erforscht Elementarteilchen wie Quarks und Leptonen und die fundamentalen Kräfte, die sie steuern. Wissenschaftler nutzen Teilchenbeschleuniger, um diese Wechselwirkungen bei extrem hohen Energien zu untersuchen.

Elementarteilchen werden in zwei Hauptkategorien eingeteilt: Fermionen, die Materie bilden (wie Quarks und Leptonen), und Bosonen, die für Grundkräfte verantwortliche Teilchen sind (wie das Photon und das Higgs-Boson).

Der Higgs-Mechanismus

Der Higgs-Mechanismus ist ein grundlegendes Konzept der Teilchenphysik, das erklärt, wie Elementarteilchen ihre Masse erlangen. Dieser Mechanismus basiert auf der Existenz eines allgegenwärtigen Feldes im Universum, dem sogenannten Higgs-Feld, und seines zugehörigen Teilchens, des Higgs-Bosons.

Das Higgs-Boson selbst hat eine genau gemessene Masse. Zunächst wussten wir nur, dass seine Masse zwischen 2 GeV und 1000 GeV liegen muss, ein sehr weiter Bereich. Dank Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) am CERN wissen wir jedoch jetzt, dass das Higgs-Boson eine Masse von etwa 126 GeV hat.

Entdeckung des Higgs-Bosons

Das Higgs-Boson konnte im Large Electron Positron Collider (LEP)-Detektor nicht beobachtet werden, da die Leistung dieses Colliders (114 GeV) nicht ausreichte, um das Higgs-Boson zu erzeugen. LEP musste durch den LHC ersetzt werden, einen viel leistungsstärkeren 7-TeV-Collider. LEP wurde im Herbst 2000 abgebaut und mit dem LHC, der seit dem 10. September 2008 in Betrieb war, hofften Wissenschaftler, das Higgs-Boson zu finden.

Am 4. Juli 2012 wurde die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt gegeben. Am 14. März 2013 bestätigte das CERN, dass das neu entdeckte Teilchen zunehmend dem vom Standardmodell vorhergesagten Higgs-Boson ähnelte.

Experimente am LHC

Die ATLAS- und CMS-Experimente, zwei der vier Hauptexperimente des LHC, beobachteten unabhängig voneinander das Higgs-Boson und bestimmten seine Masse bei 126 GeV. Bei diesen Experimenten handelt es sich um hochenergetische Protonenkollisionen. Alle 50 Nanosekunden kommt es zu einer Überkreuzung der Protonenbündel, und durch stundenlanges Rotieren der Protonenbündel können Wissenschaftler interessante Kollisionen erzielen.

Stellen Sie sich einen gleichmäßig mit Menschen gefüllten Raum vor, der das Higgs-Feld darstellt, das den gesamten Raum ausfüllt. Wenn eine Berühmtheit (die ein Elementarteilchen symbolisiert) den Raum betritt, drängen sich Menschen um sie herum, was ihre Bewegungen erschwert. Dieser Widerstand stellt die träge Masse dar, die das Teilchen durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld erhält.

In den Jahren 2011 und 2012 etwa 10¹⁵Kollisionen wurden experimentell erzeugt. Die Kreuzungszone, in der es zu Kollisionen kommt, hat eine Länge von 7 cm und einen Durchmesser von 20 µm.

Vereinfachte Erklärung des Higgs-Feldes

Im Jahr 1993 forderte der britische Wissenschaftsminister William Waldegrave eine einfache Erklärung des Higgs-Feldes und des Higgs-Bosons. David Miller vom CERN gewann diese Herausforderung mit einer Analogie:

Wenn sich anstelle einer Berühmtheit ein Gerücht (das eine Energie von 126 GeV darstellt) im Raum verbreitet, werden sich die Menschen um die Quelle des Gerüchts drängen. Diese Gruppe von Menschen stellt das Higgs-Boson dar, das durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld an Masse gewinnt.

Grundlegende Wechselwirkungen

Unter fundamentalen Wechselwirkungen versteht man die Kräfte, die das Verhalten von Elementarteilchen bestimmen. In der Natur gibt es vier grundlegende Wechselwirkungen:

Gravitationswechselwirkung:Die Kraft, die Massen zusammenzieht und für die großräumige Struktur des Universums verantwortlich ist.
Elektromagnetische Wechselwirkung:Die Kraft, die zwischen elektrisch geladenen Teilchen wirkt und für elektrische und magnetische Phänomene verantwortlich ist.
Starke Interaktion:Die Kraft, die Quarks im Inneren von Protonen und Neutronen bindet, ist für die Stabilität des Atomkerns verantwortlich.
Die schwache Wechselwirkung:Die Kraft, die für bestimmte Arten radioaktiven Zerfalls verantwortlich ist und an Kernreaktionen in Sternen beteiligt ist.

Diese Wechselwirkungen werden durch Bosonen vermittelt: das (hypothetische) Graviton für die Gravitation, das Photon für den Elektromagnetismus, Gluonen für die starke Wechselwirkung und die W- und Z-Bosonen für die schwache Wechselwirkung.