Es ist schön, manchmal recht zu haben

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1 Es ist schön, manchmal recht zu haben Der Nobelpreis 2013 für Englert und Higgs Thomas Becher Albert Einstein Center, Universität Bern Physik am Freitag 17. Januar 2014

2 aber manchmal dauert es etwas länger, bis klar ist, dass man recht hat. Higgs 1964 Brout 2011 Englert 2013 Higgs 2013

3 I think we have it Ralf-Dieter Heuer, Generaldirektor CERN, 4.Juli 2012 I never expected this to happen in my lifetime. Peter Higgs

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5 Bausteine des Universums

6 Bausteine: Quantenfelder Spin S = 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, Diese elementaren Teile können auf verschiedene Arten zusammengesetzt werden. Baukasten für Theorien der Natur 6

7 Bausteine: Quantenfelder Spin S = 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, S=1 Feld Diese elementaren Teile können auf verschiedene Arten zusammengesetzt werden. Baukasten für Theorien der Natur 6

8 Bausteine: Quantenfelder Spin S = 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, Diese elementaren Teile können auf verschiedene Arten zusammengesetzt werden. Baukasten für Theorien der Natur 6

9 Bausteine: Quantenfelder Spin S = 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, Diese elementaren Teile können auf verschiedene Arten zusammengesetzt werden. Baukasten für Theorien der Natur 6

10 Beispiele S = 1 Elektromagnetisches Feld (Photon) S = 1/2 Elektronfeld (Elektron) S = 0 Proton: nicht elementar, aufgebaut aus Quarks und Gluonen Higgs-Feld (Higgs-Teilchen) 7

11 Teilchen versus Felder Elektrisches Feld Teilchen: Anregungen des Feldes Quantisierung: nur diskrete Anregungen (Photonen) 8

12 Nathan Sawaya wenig Bausteine einfache Theorien einfache Theorie einfach zu verstehende Welt 9

13 Wenige Möglichkeiten Bauteile zusammenzusetzen Reicht dies um das Universum zu beschreiben? 10

14 Quanten-Elektrodynamik L QED = m e ψψ+ ψ id/ ψ + 1 4e 2 [D µ,d ν ][D µ,d ν ] Photon ist automatisch masselos. Anti-Teilchen zum Elektron e : Positron e + 11

15 Krise um 1960 The Hamiltonian method for strong interactions is dead and must be buried, although of course with deserved honour. Lev Landau, 1960 Es schien unmöglich, die schwache und starke Wechselwirkung mit der gleichen Methode zu behandeln. 12

16 Fermi Theorie { 4 Funktioniert bestens bei tiefen Energien, bricht aber bei hohen zusammen. 4 Spin 1/2 Felder sind nicht erlaubt 13

17 Andere Möglichkeiten? Neue Teilchen? S=1 Masseloses S=1 Teilchen ergibt 1/r 2 Kraftgesetz. Lange statt kurze Reichweite der Kraft. Glashow 1961 S=0 Massives S=0 Teilchen ergibt kurze Reichweite, aber experimentell falsche Eigenschaften. 14

18 Brout, Englert und Higgs

19 1964 Peter Higgs und (unabhängig davon) Robert Brout und Francois Englert entdecken eine Theorie in der das Photon eine Masse hat. Higgs- oder BEH-Mechanismus 16

20 Higgs-Modell Elektrisch geladenes, skalares S=0 Teilchen. Potentielle Energie: V (φ) = µ 2 φ 2 + λφ 4 17

21 VHfL VHfL f f Tiefste Energie für = 0. Triviales Vakuum Symmetrie manifest Tiefste Energie für 0. Kondensat Symmetrie unsichtbar ( Gebrochene Symmetrie ) 18

22 φ 0 φ 0 Elektrisches Feld Higgs Feld 19

23 x x x x Extrem starke Abschirmung: e κ m V r r 2 statt 1 r 2 Massives S = 1 Feld (Masse mv, κ = c/ ) 20

24 Feldstärke e κ m V r r r Abstand r 21

25 This summer I discovered something completely useless. Higgs, 1964 of no obvious relevance to physics. Anonymer Begutachter von Higgs Papier, Publikation wurde abgelehnt.

26 It is worth noting that an essential feature of the type of theory which has been described in this note is the prediction of incomplete multiplets of scalar and vector bosons. It is to be Higgs 64 Die Theorie von Brout, Englert und Higgs enthält ein zusätzliches Teilchen: Higgs Boson 23

27 Supraleitung Bose Kondensat von e Paaren ( Cooper Paare ) Higgs- Feld. Extreme Abschirmung des Feldes e κ m V r r 2 24

28 Unser ganzes Universum ist supraleitend für die schwache Wechselwirkung Der ganze Raum ist gefüllt mit einem nichtverschwindenden Higgs-Feld, welches schwache Ladung trägt Das Vakuum ist also alles andere als leer 25

29 (unser Vakuum) mehr dazu: L.Dixon From Superconductors to Supercolliders 26

30 Standard Modell

31 Standardmodell der Teilchenphysik Glashow Salam Weinberg Glashow 61: Theorie für die schwache Wechselwirkung. Aber: alle Teilchen waren masselos. Weinberg und Salam 67: Higgs-Mechanismus kann die Massen generieren. Nobel-Preis 1979, zusammen mit Glashow Erregte nicht viel Aufmerksamkeit bis t Hooft und Veltman 1972 zeigten, dass diese Theorie renormierbar (d.h. konsistent) ist. Nobel-Preis

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33 W-Boson x x x x Elektron x x x x x Photon Alle Elementarteilchenmassen werden durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Medium erzeugt Mehr dazu: Vortrag von L. Susskind (YouTube) 30

34 Standardmodell der Teilchenphysik H 31

35 Heiliger Gral... This boson is [...] so crucial to our final understanding of the strucure of matter, yet so elusive that I have given it a nickname: the God Particle. Why God Particle? One, the publisher wouldn t let us call it the Goddamn Particle, though that might be a more appropriate title... 32

36 ... oder billiger Flick? The Higgs is like a plumber with duct tape, holding the Standard Model together. A lot of the inelegance of it is all wrapped up in the Higgs." Michael Turner " 33

37 Higgs-Sektor 34

38 Entdeckung des Higgs Bosons

39 The goddamn particle Higgs Kopplung an leichte Teilchen ist extrem schwach, aber wir kollidieren nur leichte Teilchen. Ausweg: virtuelles top quark Trotzdem: nur 1 von 10 Milliarden Proton Kollisionen am LHC liefert ein Higgs Teilchen 36

40 Higgs Zerfälle Das Higgs Boson zerfällt sofort wieder in leichtere Teilchen Elektron W H Neutrino W Neutrino Elektron Viele Zerfalls-Kanäle: Können Eigenschaften von H im Detail messen. Schwierigkeit: Auch andere Prozesse produzieren diese Endzustände. 37

41 Large Hadron Collider (LHC) 38

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47 Higgs Suche Beste Option für die Higgs Suche ist der Zerfall Higgs 2 Photonen Higgs-Boson ergibt kleinen Peak im Signal, wenn die Zerfallsprodukte den passenden Impuls haben. 1 solcher Zerfall pro 2 Billionen Proton Kollisionen. 44

48 Higgs 2 Photonen Kandidat 45

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53 Eigenschaften des Higgs Bosons Masse: (133.9 ± 0.6) x Protonmasse Die Kopplung des Higgs SM prediction Boson an andere t b W Z t 0.03 Teilchen ist proportional zu deren Masse Das neue Teilchen verhält sich, wie vorhersagt: Es ist ein Higgs-Boson 48

54 H Das könnte die Entdeckung des Jahrhunderts sein. Es hängt allerdings davon ab, wie tief es ist. 49

55 Und jetzt? Um sicher zu sein, dass es sich um das Higgs Boson handelt, will man Spin bestimmen Viele Zerfallskänale mit hoher Genauigkeit messen Ausserdem sucht man mit dem LHC weiter nach Spuren neuer Physik. Neue Teilchen, Braucht präzise theoretische Vorhersagen schwierig, besonders wegen der Effekte der starken Wechselwirkung 50

56 Viele offene Fragen Das Standard-Modell beschreibt im Moment zwar all unsere Daten, aber es ist nicht die ultimative Theorie der Natur. Bei extrem hohen Energien bricht die Theorie zusammen. Dunkle Materie: es muss weitere Teilchen geben, die nicht im SM vorkommen. Quantentheorie der Gravitation? Strings? Erklärung für die Higgs-Masse? Supersymmetrie? Andere neue Physik? Familienstruktur? Neutrinomassen? 51

57 2015: Volle Kraft voraus Bisher lief der LHC nur auf halber Energie, um einen weiteren Unfall, wie in 2008, zu verhindern. Im Moment wird er revidiert und verbessert und wird in 2015 mit der vollen Energie den Betrieb wieder aufnehmen. Vielleicht werden die neuen Daten erste Risse im Standard-Modell zutage fördern Man darf gespannt sein 52

58 Vielen Dank Weiterführende Informationen:" 53 teilchenphysik.ch