Das Higgs-Boson und der Aufstieg des Standardmodells der Teilchenphysik in den 1970er Jahren

Das Higgs-Boson und der Aufstieg des Standardmodells der Teilchenphysik in den 1970er Jahren

Paul Musset (Mitte), damals Vertreter der Gargamelle-Kollaboration, stand 1974 im Kontrollraum der gleichnamigen Blasenkammer. Gargamelle lieferte 1973 den ersten direkten Beweis für die Existenz neutraler Ströme. Bildnachweis: CERN

Zu Beginn der 1970er Jahre musste sich die Idee eines massiven Skalarbosons als Grundpfeiler eines einheitlichen theoretischen Modells der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen noch in einem Feld verankern, das noch lernte, mit dem zu leben, was wir heute kennen das Standardmodell der Teilchenphysik. Als die verschiedenen Durchbrüche des Jahrzehnts diesen theoretischen Rahmen allmählich konsolidierten, kristallisierten sich das Brout-Englert-Higgs(BEH)-Feld und sein Boson als das vielversprechendste theoretische Modell zur Erklärung des Ursprungs der Masse heraus.

In den 1960er Jahren gab es bemerkenswert wenige Zitate der Arbeiten von Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg über die Theorie der einheitlichen schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen. All das änderte sich jedoch 1971 und 1972, als Gerard ‘t Hooft und Martinus Veltman (ein ehemaliger CERN-Mitarbeiter) in Utrecht bewiesen, dass Eichtheorien, die den Brout-Englert-Higgs-Mechanismus verwenden, um Massen für Eichbosonen zu erzeugen, renormierbar sind, und sind daher mathematisch konsistent und können verwendet werden, um zuverlässige, präzise Berechnungen für die durchzuführen schwache Wechselwirkungen. Dieser Durchbruch wurde in einem einflussreichen Vortrag von Benjamin Lee von Fermilab während der dort 1972 abgehaltenen ICHEP-Konferenz, in der er ausführlich über „Higgs-Felder“ sprach, breit bekannt gemacht.

Insbesondere von den CERN-Theoretikern Jacques Prentki und Bruno Zumino ermutigt, priorisierte die Gargamelle-Kollaboration die Suche nach schwachen neutralen Stromwechselwirkungen im CERN-Neutrinostrahl, und ihr Vertreter Paul Musset präsentierte in einem Seminar am CERN den ersten direkten Beweis dafür 19. Juli 1973. Diese erste experimentelle Unterstützung für die Vereinheitlichung der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung stieß auf großes Interesse und genaue Prüfung, wurde aber innerhalb weniger Monate allgemein akzeptiert. Die Entdeckung des neutralen Stroms überzeugte die Physiker davon, dass das entstehende Standardmodell auf dem richtigen Weg war. Der ehemalige CERN-Generaldirektor Luciano Maiani, zitiert in einem CERN-Kurierartikel aus dem Jahr 2013, drückt es so aus: „Zu Beginn des Jahrzehnts glaubten die Menschen im Allgemeinen nicht an eine Standardtheorie, obwohl die Theorie alles getan hatte. Die neutrale Strömung Signale änderten das. Von da an musste die Teilchenphysik die Standardtheorie testen.“

Der nächste Durchbruch gelang 1974, als zwei in den Vereinigten Staaten arbeitende experimentelle Gruppen unter der Leitung von Sam Ting in Brookhaven und Burt Richter am SLAC eine schmale Vektorresonanz, das J/psi, mit markanten Zerfällen in Lepton-Antilepton-Paare entdeckten. Viele theoretische Interpretationen wurden vorgeschlagen, die wir am CERN in aufgeregten Mitternachtsseminaren mit Fred Gilman am SLAC (fast 40 Jahre vor Zoom!) telefonisch diskutierten. Die überzeugende Interpretation war, dass das J/psi ein gebundener Zustand des Charm-Quarks und seines Antiquarks war. Die Existenz dieses vierten Quarks wurde 1964 von James Bjorken und Sheldon Glashow vorgeschlagen, und seine Verwendung zur Unterdrückung geschmacksverändernder neutraler schwacher Wechselwirkungen wurde 1970 von Glashow, John Iliopoulos und Maiani vorgeschlagen. Mary K. Gaillard (eine langjährig Semesterwissenschaftler am CERN) schrieben Jon Rosner und Lee 1974 einen einflussreichen Gastbeitrag über die Phänomenologie des Charmes, und die Experimente stimmten allmählich mit ihren Vorhersagen überein, wobei die endgültige Bestätigung 1976 erfolgte.

Die Aufmerksamkeit der meisten theoretischen und experimentellen Gemeinschaften wurde dann auf die Suche nach den massiven W- und Z-Vektorbosonen gelenkt, die für die schwachen Wechselwirkungen verantwortlich sind. Dies motivierte den Bau von Hochenergie-Hadron-Collidern und führte 1983 zur Entdeckung der W- und Z-Bosonen am CERN durch ein Team unter der Leitung von Carlo Rubbia.

Allerdings schien es Mary K. Gaillard, Dimitri Nanopoulos und mir am CERN, dass die Schlüsselfrage nicht die Existenz der massiven schwachen Vektorbosonen war, sondern eher die des skalaren Higgs Boson Dadurch war das Standardmodell physikalisch konsistent und mathematisch berechenbar. Damals konnte man die Anzahl der Veröffentlichungen zur Phänomenologie des Higgs-Bosons an einer Hand abzählen, also machten wir uns daran, sein phänomenologisches Profil im Detail zu beschreiben und dabei ein breites Spektrum möglicher Massen abzudecken. Unter den Produktionsmechanismen, die wir in Betracht gezogen haben, war die mögliche Produktion des Higgs-Bosons in Verbindung mit dem Z-Boson, was in den Tagen von LEP 2 beträchtliches Interesse hervorrief. Unter den von uns berechneten Higgs-Zerfallsmodi war der in ein Photonenpaar. Dieser markante Kanal ist besonders interessant, da er im Standardmodell durch Quanteneffekte (Schleifendiagramme) erzeugt wird.

Trotz unserer Überzeugung, dass so etwas wie das Higgs-Boson existieren musste, endete unsere Arbeit mit einer etwas augenzwinkernden Warnung: „Wir entschuldigen uns bei den Experimentatoren dafür, dass sie keine Ahnung haben, was die Masse des Higgs-Bosons ist … und dafür nicht sicher sein, dass es mit anderen Teilchen gekoppelt ist, außer dass sie wahrscheinlich alle sehr klein sind Aus diesen Gründen wollen wir keine große experimentelle Suche nach dem Higgs-Boson fördern, aber wir sind der Meinung, dass diejenigen, die Experimente durchführen, die für das Higgs-Boson anfällig sind, es wissen sollten wie es sich entwickeln kann.”

Diese Vorsicht war zum Teil darauf zurückzuführen, dass die hochrangigen Physiker der damaligen Zeit (Dimitri und ich waren damals unter 30) die Ideen rund um die elektroschwache Symmetriebrechung und das Higgs-Boson mit ziemlich voreingenommenen Augen betrachteten. Dennoch wurden im Laufe der Zeit die massiven W und Z entdeckt, die Existenz oder Nichtexistenz des Higgs-Bosons erhob sich auf der experimentellen Agenda, und es tauchten keine plausiblen alternativen theoretischen Vorschläge zur Existenz von so etwas wie dem Higgs-Boson auf. Experimentatoren, zuerst am LEP und später am Tevatron und am LHC, konzentrierten sich zunehmend auf die Suche nach dem Higgs-Boson als letztem Baustein des Standardmodells, was in der Entdeckung am 4. Juli 2012 gipfelte.


Eintauchen in die Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit dem Charm-Quark


Zitieren: Das Higgs-Boson und der Aufstieg des Standardmodells der Teilchenphysik in den 1970er Jahren (2022, 12. Mai) abgerufen am 13. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-higgs-boson-standard-particle- physik.html

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