Wenn sich Teilchenphysiker durchsetzen, könnten eines Tages neue Beschleuniger das merkwürdigste subatomare Teilchen der Physik, das Higgs-Boson, untersuchen. Sechs Jahre nach der Entdeckung dieses Teilchens am Large Hadron Collider planen Physiker riesige neue Maschinen, die sich in Europa, Japan oder China über mehrere zehn Kilometer erstrecken werden.
Neue Collider: Was sie sein werden
Die Entdeckung dieses subatomaren Teilchens, das den Ursprung der Masse offenbart, führte zur Vervollständigung des Standardmodells, der übergreifenden Theorie der Teilchenphysik. Und es wurde auch zu einem Meilenstein für den LHC, den derzeit größten Beschleuniger der Welt - schließlich wurde er nicht nur für die Suche nach dem Higgs-Boson gebaut.
Jetzt wollen die Physiker tiefer in die Geheimnisse des Higgs-Bosons eintauchen, in der Hoffnung, dass dies der Schlüssel zur Lösung der langjährigen Probleme der Teilchenphysik sein wird. "Das Higgs ist ein spezielles Teilchen", sagt der Physiker Yifang Wang, Direktor des Instituts für Hochenergiephysik in Peking. "Wir glauben, dass die Higgs ein Fenster in die Zukunft sind."
Der Large Hadron Collider, auch als LHC bekannt, besteht aus einem 27 Kilometer langen Ring, in dem Protonen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und milliardenfach pro Sekunde kollidieren, hat fast seine Grenze erreicht. Er hat die Higgs hervorragend gefunden, ist aber nicht für detaillierte Recherchen geeignet.
Teilchenphysiker fordern daher einen neuen Teilchenkollider, der speziell für den Start von Higgs-Bosonen entwickelt wurde. Für diese leistungsstarken neuen Maschinen wurden mehrere Konstruktionen vorgeschlagen, und Wissenschaftler hoffen, dass diese Higgs-Fabriken dazu beitragen können, Lösungen für die offensichtlichen Schwächen des Standardmodells zu finden.
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"Das Standardmodell ist keine vollständige Theorie des Universums", sagt die experimentelle Teilchenphysikerin Galina Abramovich von der Universität Tel Aviv. Zum Beispiel erklärt diese Theorie nicht die Dunkle Materie, eine nicht identifizierte Substanz, deren Masse benötigt wird, um kosmische Beobachtungen wie die Bewegung von Sternen in Galaxien zu berücksichtigen. Es kann auch nicht erklären, warum das Universum aus Materie besteht, während Antimaterie äußerst selten ist.
Befürworter der neuen Collider argumentieren, dass eine sorgfältige Untersuchung des Higgs-Bosons Wissenschaftler auf den Weg zur Lösung dieser Rätsel bringen könnte. Unter Wissenschaftlern wird der Wunsch nach neuen teuren Beschleunigern jedoch nicht von allen unterstützt. Darüber hinaus ist nicht klar, welche genau solche Maschinen gefunden werden könnten.
Nächste in der Reihe
Der erste in der Reihe ist der International Linear Collider in Nordjapan. Im Gegensatz zum LHC, bei dem sich Partikel in einem Ring bewegen, beschleunigt der MLC zwei Partikelstrahlen in einer geraden Linie direkt übereinander über seine gesamte Länge von 20 Kilometern. Und anstatt Protonen zusammenzudrücken, drückt es Elektronen und ihre Antimateriepartner, Positronen.
Im Dezember 2018 lehnte jedoch ein interdisziplinäres Komitee des Japan Scientific Council das Projekt ab, forderte die Regierung auf, mit ihrer Unterstützung vorsichtig zu sein, und fragte sich, ob die erwarteten wissenschaftlichen Fortschritte die Kosten des Colliders rechtfertigten, der derzeit auf 5 Milliarden US-Dollar geschätzt wird.
Befürworter argumentieren, dass der Plan von MLK, Elektronen und Positronen anstelle von Protonen zu kollidieren, mehrere wesentliche Vorteile hat. Elektronen und Positronen sind Elementarteilchen, dh sie haben keine kleineren Komponenten, und Protonen bestehen aus kleineren Teilchen - Quarks. Dies bedeutet, dass Protonenkollisionen chaotischer sind und nutzlosere Partikelreste erzeugen, die durchgesiebt werden müssen.
Außerdem fällt bei Protonenkollisionen nur ein Teil der Energie jedes Protons tatsächlich in die Kollision, während bei Elektron-Positron-Kollidern Partikel die Gesamtenergie in die Kollision übertragen. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler die Kollisionsenergie einstellen können, um die Anzahl der produzierten Higgs-Bosonen zu maximieren. Gleichzeitig würde die MLK nur 250 Milliarden Elektronenvolt benötigen, um Higgs-Bosonen zu produzieren, verglichen mit 13 Billionen Elektronenvolt am LHC.
Bei MLK "wird die Qualität der Daten viel besser sein", sagt die Teilchenphysikerin Lyn Evans vom CERN in Genf. Eine von 100 Kollisionen im MLK wird das Higgs-Boson produzieren, während dies im LHC alle 10 Milliarden Kollisionen einmal vorkommt.
Die japanische Regierung wird voraussichtlich im März eine Entscheidung über den Collider treffen. Evans sagt, dass es ungefähr 12 Jahre dauern wird, bis das MLK genehmigt ist. Später kann das Gaspedal auch aufgerüstet werden, um die Energie zu erhöhen, die es erreichen kann.
CERN plant den Bau einer ähnlichen Maschine, des Compact Linear Collider (CLIC). Es wird auch Elektronen und Positronen kollidieren, jedoch mit höheren Energien als das MLK. Seine Energie wird bei 380 Milliarden Elektronenvolt beginnen und in einer Reihe von Aktualisierungen auf 3 Billionen Elektronenvolt ansteigen. Um diese höheren Energien zu erreichen, muss eine neue Teilchenbeschleunigungstechnologie entwickelt werden, was bedeutet, dass CLIC nicht vor dem MLK erscheinen wird, sagt Evans, der die Forschungszusammenarbeit für beide Projekte leitet.
Laufen im Kreis
Die beiden anderen geplanten Collider in China und Europa werden so rund wie der LHC sein, aber viel größer: jeder mit einem Umfang von 100 Kilometern. Dies ist ein Kreis, der groß genug ist, um das Land Liechtenstein zweimal zu umkreisen. Dies ist praktisch die Länge der Moskauer Ringstraße.
Der kreisförmige Elektronen-Positronen-Kollider, dessen Baustelle in China noch nicht bestimmt wurde, wird 240 Milliarden Elektronenvolt-Elektronen und Positronen kollidieren. Dies geht aus einem Konzeptplan hervor, der im November offiziell vorgestellt und von Wang und dem Institut für Hochenergiephysik gesponsert wurde. Dieser Beschleuniger könnte später aufgerüstet werden, um hochenergetische Protonen zu kollidieren. Wissenschaftler sagen, sie könnten bis 2022 mit dem Bau dieser 5-6-Milliarden-Dollar-Maschine beginnen und sie bis 2030 fertigstellen.
Und am CERN wird der vorgeschlagene Future Circular Collider, BKK, ebenfalls schrittweise in Betrieb genommen und kollidiert Elektronen mit Positronen und späteren Protonen. Das ultimative Ziel wird es sein, Protonenkollisionen bei 100 Billionen Elektronenvolt zu erreichen, mehr als das Siebenfache der Energie des LHC.
In der Zwischenzeit haben Wissenschaftler den LHC für zwei Jahre abgeschaltet und die Maschine so aufgerüstet, dass sie mit höherer Energie betrieben werden kann. Im Jahr 2026 wird der LHC mit hoher Leuchtkraft seine Arbeit aufnehmen, wodurch die Häufigkeit von Protonenkollisionen um mindestens das Fünffache erhöht wird.
Higgs Porträt
Als der LHC gebaut wurde, waren die Wissenschaftler zuversichtlich genug, das Higgs-Boson damit zu finden. Bei neuen Maschinen ist jedoch nicht klar, nach welchen neuen Partikeln gesucht werden muss. Sie werden einfach katalogisieren, wie stark die Higgs mit anderen bekannten Partikeln interagieren.
Messungen von Higgs-Wechselwirkungen können die Erwartungen des Standardmodells bestätigen. Wenn sich die Beobachtungen jedoch von den Erwartungen unterscheiden, kann die Diskrepanz indirekt auf das Vorhandensein von etwas Neuem hinweisen, beispielsweise von den Partikeln, aus denen die Dunkle Materie besteht.
Einige Wissenschaftler hoffen, dass etwas Unerwartetes passieren wird. Denn das Higgs-Boson selbst ist ein Rätsel: Diese Partikel kondensieren zu einer melasseähnlichen Flüssigkeit. Warum? Wir haben keine Ahnung, sagt der Teilchentheoretiker Michael Peskin von der Stanford University. Diese Flüssigkeit durchdringt das Universum, verlangsamt Partikel und gibt ihnen Gewicht.
Ein weiteres Rätsel ist, dass die Higgs-Masse eine Million Milliarden weniger ist als erwartet. Diese Seltsamkeit kann darauf hinweisen, dass andere Partikel vorhanden sind. Wissenschaftler dachten zuvor, sie könnten das Higgs-Problem mit Hilfe der Supersymmetrietheorie beantworten - ein Konsonant, von dem jedes Teilchen einen schwereren Partner hat. Dies geschah jedoch nicht, da der LHC keine Spuren supersymmetrischer Partikel fand.
Zukünftige Collider finden möglicherweise immer noch Hinweise auf Supersymmetrie oder weisen auf andere Weise auf neue Partikel hin, aber diesmal werden Wissenschaftler keine Versprechungen machen. Sie sind jetzt mehr damit beschäftigt, Prioritäten zu entwickeln und Argumente für neue Kollider und andere Experimente in der Teilchenphysik vorzubringen. Eines ist sicher: Die vorgeschlagenen Beschleuniger werden Neuland mit unvorhersehbaren Ergebnissen erkunden.
Ilya Khel
