Higgs-Paare könnten neue Physik über das Standardmodell hinaus hervorbringen
Jahrzehntelang suchten Physiker nach dem Higgs-Boson – dem seltsamen Teilchen – dem fehlenden Teil im Rätsel des Standardmodells. Im Jahr 2012 wurde die Ausdauer und Neugierde der Forscher schlussendlich belohnt, als das letzte fehlende, experimentell zu bestimmende Teilchen durch den Large Hadron Collider (LHC) im CERN entdeckt wurde. Das Standardmodell beschreibt zwar schön, woraus Materie besteht und wie sie zusammenhält, es ist allerdings eine fehlerhafte Theorie. Die Eigenschaften des Higgs-Bosons könnten dazu beitragen, mehr über die grundlegenden Fragen herauszufinden, für die das Standardmodell keine ausreichenden Antworten hat. „Das Higgs-Boson kann zum Sprungbrett für unsere Erforschung der dunklen Materie, der Asymmetrie der Materie und Antimaterie (CP-Asymmetrie) und einer großartigen vereinheitlichten Theorie der Teilchenphysik werden“, bemerkt Stefano Moretti, Koordinator des Projekts NonMinimalHiggs. Mit Förderung durch das Marie Skłodowska-Curie-Programm untersuchten an NonMinimalHiggs arbeitende Forschende, wie das Higgs-Boson der Welt helfen kann, die grundlegende Zusammensetzung des Universums besser zu verstehen. Zu den wichtigsten untersuchten Themen zählten die Folgenden: „Welche neuen Physikmodelle beschreiben die grundlegende Zusammensetzung des Universums besser, wenn alle beobachteten Eigenschaften des Higgs-Bosons berücksichtigt werden?“ Die durchgeführten Arbeiten werden bei der Suche nach neuer Physik bei gegenwärtigen und zukünftigen Hadronen-Speicherringen helfen.
Die Ursprünge der elektroschwachen Symmetriebrechungen klären
Im Standardmodell erhalten Elementarteilchen ihre Masse durch Interaktion mit dem Higgs-Feld. Der Prozess wird durch einen heiklen Prozess gesteuert, der als elektroschwache Symmetriebrechung bezeichnet wird und der zu den am wenigsten verstandenen Phänomenen des Standardmodells zählt. Das Standardmodell bezeichnet alle Träger der elektroschwachen Kraft als Teilchen mit null Masse – das ermöglicht, dass elektromagnetische und schwach nukleare Kräfte zu einer einzigen elektroschwachen Kraft verschmelzen. Im Gegensatz zum masselosen Photon, das die elektroschwachen Interaktionen vermittelt, haben die Bosons, die die schwache Kraft tragen, keine Masse – das Higgs-Feld bricht die elektroschwache Symmetrie der Boson-Massen. „Die Forscher von NonMinimalHiggs haben erfolgreich dazu beigetragen, der Gemeinschaft der Teilchenphysik die Bühne zu bereiten, um die zugrundeliegende Struktur über das Standardmodell hinaus zu finden, die für den Mechanismus der elektroschwachen Symmetriebrechung zu finden“, bemerkt Moretti. In interdisziplinären Forschungspartnerschaften vieler Institutionen wurde mit der Hilfe neuer numerischer Werkzeuge nach neuen Higgs-Boson-Zuständen gesucht. Als Beispiel ihrer neuen Herangehensweise zeigten die NonMinimalHiggs-Forschenden die Notwendigkeit, beim Studium der geladenen Higgs-Zustände die Quanteninterferenzeffekte zu berücksichtigen. Diese Interferenz, die in den am LHC durchgeführten experimentellen Analysen nicht berücksichtigt wurde, kann die Interpretation der Daten komplett verändern. Ihre Ergebnisse wurden hier veröffentlicht.
Ein einzelnes Higgs ist nicht genug
NonMinimalHiggs erstellte mehr als 110 Veröffentlichungen. Der gemeinsame Nenner war die Erstellung einer Vielzahl wahrscheinlicher Szenarien, die den Higgs-Mechanismus (in nicht minimaler Form) in neue Szenarien der Physik über das Standardmodell hinaus integriert. Das Studium, wie sich diese Rahmen in Laboren auf der Erde und Einrichtungen im Weltraum manifestieren, wird dazu beitragen, die Physik über das Standardmodell hinaus zu verstehen, die uns umgibt. Worauf bezieht sich die nicht minimale Form? „Die Standardmethode basiert auf nur einem Higgs-Boson, was auch mit dem skalaren Teilchen übereinstimmt, das am LHC entdeckt wurde. Diese minimale Version kann ausreichend für den Massenerzeugungsmechanismus von Teilchen verantwortlich sein, ist im Allgemeinen aber keine langfristige Heilung für die Krankheiten des Standardmodells. Unsere Modelle, die mehr als ein Higgs-Bosons oder andere skalare Teilchen umfassen, werden dazu beitragen, einige der beunruhigendsten Probleme in der Grundlagen-Teilchenforschung zu beantworten, und öffnet weitere Türen für neue Physik über das Standardmodell hinaus“, fasst Rui Santos, ein weiterer NonMinimalHiggs-Forscher zusammen.
Schlüsselbegriffe
NonMinimalHiggs, Standardmodell, Higgs-Boson, neue Physik, Large Hadron Collider (LHC), über das Standardmodell hinaus, elektroschwache Symmetriebrechung, nicht minimale Higgs
