Fragen und Antworten zum Higgs-Boson
Die Entdeckung des Higgs-Bosons füllte ein fehlendes Stück des Standardmodells der Teilchenphysik, das Materie und ihre Wechselwirkungen beschreibt. Ein Jahrzehnt später untersuchen Physiker das Teilchen weiterhin nach Hinweisen auf einige der größten Fragen des Universums, Emily Conover berichtet in „The Higgs boson at 10“ (SN: 22.7.22, p. 18).
Conovers Die Geschichte des Higgs-Bosons begeisterte Physikbegeisterte und inspirierte viele Kommentare und Fragen. In dem Stück erklärte sie, dass ein Higgs-Boson eine Welle im Higgs-Feld ist, eine unsichtbare Eigenschaft, die den Kosmos durchdringt. Wenn Elementarteilchen mit dem Feld wechselwirken, gewinnen sie an Masse. Massivere Teilchen interagieren stärker mit dem Feld. Leser Lewis Holcombe wollte wissen, ob Elementarteilchen keine Masse haben, bevor sie mit dem Feld wechselwirken.
Genau das ist die Idee, Konvertieren sagt. „In den frühen Momenten des Universums, bevor das Higgs-Feld eingeschaltet wurde, waren alle fundamentalen Teilchen masselos“, sagt sie. „Aber das Standardmodell erklärt nicht, warum verschiedene Teilchen so stark mit dem Higgs-Feld interagieren und somit die von uns gemessenen Massen haben.“
Da das Higgs-Feld Masse vermittelt, Leser Paul Leonhard fragte sich, ob das Feld auch für die Schwerkraft verantwortlich ist.
Das Higgs-Feld ist nicht für die Gravitation verantwortlich, Konvertieren sagt. Obwohl Masse und Schwerkraft verwandt sind, handelt es sich um unterschiedliche Konzepte. „Schwerkraft gehört nicht zum Standardmodell“, sagt sie. „Wir haben noch keine funktionierende Gravitationstheorie auf der Ebene der Teilchenphysik.“
Im Standardmodell werden Kräfte durch Partikel übertragen. Wissenschaftler glauben, dass es ein anderes Teilchen gibt, das nicht im Standardmodell enthalten ist, Graviton genannt, das die Schwerkraft überträgt, Konvertieren sagt. Wenn es existiert, wird erwartet, dass das Graviton ein masseloses Teilchen ohne elektrische Ladung ist. Aber es wird extrem schwierig sein, sie zu finden, sagt sie, weil die Schwerkraft im Vergleich zu den Standardmodellkräften sehr schwach ist: Elektromagnetismus, die schwache Kraft und die starke Kraft.
Leser Brad Ruben fragte mich nach anderen Standardmodellteilchen: Quarks. Ein Top-Quark ist etwa so schwer wie ein Goldatom. Diese große Masse spiegelt sich in Messungen der Wechselwirkungen des Teilchens mit dem Higgs-Feld wider, Konvertieren gemeldet. Da Quarks Protonen und Neutronen bilden, die die Bausteine von Atomen sind, Ruben gefragt, wie ein einzelnes Quark so viel wiegen kann wie ein Atom.
Die Masse des Top-Quarks ist kein Widerspruch, Konvertieren sagt. Nach dem einfachsten Bild der Innereien von Protonen und Neutronen enthalten die Teilchen keine Top-Quarks. Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während Neutronen zwei Down-Quarks und ein Up-Quark haben, sagt sie. Bei genauerem Hinsehen offenbart sich ein komplexeres Bild. „Zum Beispiel gibt es im Proton nicht nur Quarks, sondern auch Gluonen. Das sind masselose Teilchen, die die starke Kraft tragen, die die Quarks ‚zusammenklebt‘“, Konvertieren sagt. „Außerdem gibt es ein ‚Meer‘ verschiedener Arten von Quarks und Antiquarks, die im Proton nur kurze Augenblicke überdauern.“ Die Energien und andere subtile Eigenschaften dieser subatomaren Teilchen tragen alle zur Masse des Protons bei.
Technik braucht Zeit
Leichte subatomare Teilchen, sogenannte Neutrinos, könnten bei der Überwachung von Atom-U-Booten helfen, um sicherzustellen, dass der von vielen verwendete uranreiche Treibstoff nicht waffenfähig ist. Emily Conover berichtet in „Neutrinos könnten nukleare Schurken ausspionieren“ (SN: 22.7.22, p. 12).
Leser John Oxmann fragte, wie nützlich diese Überwachungstechnologie wäre, wenn man bedenke, dass alle Länder, die derzeit über Atom-U-Boote verfügen, bereits Atomwaffen besitzen. Nicht-Atomwaffenstaaten könnten in Zukunft Atom-U-Boote bekommen, Konvertieren sagt. Beispielsweise wird Australien mit Hilfe der Vereinigten Staaten und des Vereinigten Königreichs solche U-Boote erwerben. „Auch wenn der Bedarf für diese Art der Überwachung nicht unmittelbar besteht, ist der Prozess der Implementierung und Perfektionierung von Überwachungstechnologien, insbesondere einer neuen Art, die Neutrinos verwendet, sehr langwierig“, sagt sie. „Damit eine solche Technologie nützlich ist, müssen die Forscher den Bedarf lange im Voraus antizipieren.“