Theoretische Physiker stellen fest, dass das Higgs-Boson offenbar keine Anzeichen neuer Physik enthält

Das Higgs-Boson wurde vor etwa zwölf Jahren in den Detektoren des Large Hadron Collider entdeckt. Es hat sich als extrem schwierig herzustellendes und zu beobachtendes Teilchen erwiesen, und trotz der Zeit sind seine Eigenschaften immer noch nicht mit zufriedenstellender Genauigkeit bekannt. Jetzt wissen wir mehr über seinen Ursprung, dank der kürzlich veröffentlichten Leistung einer internationalen Gruppe theoretischer Physiker unter Beteiligung des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften.

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Die wissenschaftliche Welt ist sich einig, dass die größte Entdeckung, die mit dem Large Hadron Collider gemacht wurde, das berühmte Higgs-Teilchen ist. Seit zwölf Jahren versuchen Physiker, die Eigenschaften dieses äußerst wichtigen Elementarteilchens möglichst genau zu bestimmen. Die Aufgabe ist aufgrund experimenteller Herausforderungen und zahlreicher rechnerischer Hindernisse äußerst schwierig.

Glücklicherweise konnten dank einer Gruppe von Physikern des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau, der RWTH Aachen (RWTH) in Aachen und des Max-Planck-Instituts für theoretische Forschung erhebliche Fortschritte erzielt werden Planck-Institut für Physik (MPI) in Garching bei München.

Das Standardmodell ist eine komplexe theoretische Struktur, die in den 1970er Jahren entwickelt wurde, um die derzeit bekannten Elementarteilchen der Materie (Quarks, aber auch Elektronen, Myonen, Tau und die damit verbundene Dreifaltigkeit von Neutrinos), elektromagnetische Kräfte (Photonen) und Kernkräfte zu beschreiben ( Gluonen bei starken Wechselwirkungen und die W- und Z-Bosonen bei schwachen Wechselwirkungen).

Die Entdeckung des Higgs-Bosons dank des Large Hadron Collider war das i-Tüpfelchen bei der Entwicklung des Standardmodells, eines Teilchens, das eine Schlüsselrolle in dem Mechanismus spielt, der anderen Elementarteilchen Masse verleiht. Die Entdeckung des Higgs-Bosons wurde Mitte 2012 bekannt gegeben. Seitdem versuchen Wissenschaftler, möglichst viele Informationen über dieses äußerst wichtige Teilchen zu sammeln.

„Für einen Physiker ist der Querschnitt einer bestimmten Kollision einer der wichtigsten Parameter, die mit jedem Elementar- oder Kernteilchen verbunden sind. Dies liegt daran, dass er uns Informationen darüber gibt, wie oft wir damit rechnen können, dass das Teilchen bei Kollisionen einer bestimmten Kollision auftritt.“ „Wir haben uns auf die theoretische Bestimmung des Querschnitts des Higgs-Bosons bei Gluon-Gluon-Kollisionen konzentriert, die für die Produktion von etwa 90 % des Higgs-Bosons verantwortlich sind, dessen Spuren in den LHC-Beschleunigerdetektoren aufgezeichnet wurden“, erklärt Dr . René Poncelet (IFJ PAN).

„Der Kern unserer Arbeit war der Wunsch, bei der Bestimmung des energetischen Wirkungsquerschnitts für die Produktion von Higgs-Bosonen einige Korrekturen zu berücksichtigen, die aufgrund ihres scheinbar geringen Beitrags normalerweise vernachlässigt werden“, fügt Professor Michal Kakoun (vom Rhein) hinzu -Westfälische Universität), Co-Autor des Artikels: „Denn das Ignorieren dieser Korrekturen vereinfacht die Berechnungen erheblich. Dies ist das erste Mal, dass es uns gelungen ist, die mathematischen Schwierigkeiten zu überwinden und diese Korrekturen zu identifizieren.“

Die Bedeutung der Rolle von Korrekturen höherer Ordnung für das Verständnis der Eigenschaften von Higgs-Bosonen lässt sich anhand der Tatsache demonstrieren, dass die in der Arbeit berechneten sekundären Korrekturen, die klein erscheinen, etwa ein Fünftel des erforderlichen Energiequerschnitts ausmachen. Dies ist vergleichbar mit Korrekturen dritter Ordnung von 3 % (reduziert jedoch die Berechnungsunsicherheit auf nur 1 %).

Eine der Neuheiten dieser Arbeit war, dass sie den Effekt der Massen der Bottom-Quarks berücksichtigte, was zu einer kleinen, aber spürbaren Verschiebung von etwa 1 % führte. Es ist hier erwähnenswert, dass der Large Hadron Collider mit Protonen kollidiert, also Teilchen, die aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark bestehen. Das vorübergehende Vorhandensein von Quarks mit größerer Masse in Protonen, wie etwa dem Beauty-Quark, ist ein Ergebnis der Quantennatur der starken Wechselwirkungen, die die Quarks im Proton binden.

„Die von unserer Gruppe entdeckten und bei früheren Strahlkollisionen am LHC gemessenen energetischen Querschnittswerte für die Higgs-Boson-Produktion sind praktisch gleich, natürlich unter Berücksichtigung der aktuellen Berechnungs- und Messungsungenauigkeiten Anzeichen einer neuen Physik innerhalb der dafür verantwortlichen Mechanismen.“ „Zur Bildung von Higgs-Bosonen, die wir untersuchen – zumindest vorerst“, fasst Dr. Poncelet die Arbeit des Teams zusammen.

Die unter Wissenschaftlern weit verbreitete Überzeugung, dass eine neue Physik notwendig sei, rührt daher, dass eine Reihe grundlegender Fragen nicht mit dem Standardmodell beantwortet werden können. Warum haben Elementarteilchen diese Masse? Warum Familien gründen? Woraus besteht die Dunkle Materie, deren Auswirkungen im Universum deutlich sichtbar sind? Was ist der Grund für die Dominanz der Materie über die Antimaterie im Universum? Auch das Standardmodell muss erweitert werden, da es die Schwerkraft, eine häufige Wechselwirkung, überhaupt nicht berücksichtigt.

Es ist wichtig anzumerken, dass die jüngsten Erfolge theoretischer Physiker des Internationalen Instituts für Teilchenphysik in Paris, der Universität Rhein-Westfalen und des Max-Planck-Instituts für Physik das Vorhandensein neuer Physik in den Phänomenen nicht endgültig ausschließen begleitete die Geburt des Higgs-Bosons. Vielleicht wird sich viel ändern, wenn wir beginnen, Daten aus dem vierten Forschungszyklus zu analysieren, der am Large Hadron Collider nach und nach begonnen hat.

Die zunehmende Zahl der Beobachtungen neuer Teilchenkollisionen könnte es ermöglichen, die Unsicherheit der Messungen so einzugrenzen, dass der gemessene Bereich der zulässigen Higgs-Produktionsquerschnitte nicht mehr mit dem theoretisch vorgegebenen Bereich übereinstimmt. Ob das passiert, werden die Physiker in ein paar Jahren herausfinden.

Im Moment scheint das Standardmodell sicherer denn je zu sein – und diese Tatsache entwickelt sich langsam zur überraschendsten Entdeckung, die jemals mit dem LHC gemacht wurde.