Martinus Veltman (2010) - The Development of Particle Physics (Lecture + Discussion)

Particle physics mainly developed after World War II. It has its roots in the first half of the previous century, when it became clear that all matter is made up from atoms, and the atoms in turn were found to contain a nucleussurrounded by electrons

So as I thought we are in small company and that means that I can more tune to what you need. So I intend to keep this at an easy low level and you just interrupt as much as you want. And the aim that I have made to myself, that is why I have another title, you know that CERN recently started up with a new machine called the LHC. You may want to know what do we expect from the LHC. Now, of course we all expect the unexpected, but nature is like it usually is, it is more of the same. And you have to ask good questions from nature or you will not get any answer. In this particular case for this machine we have a question, the question concerns a particle which is the Higgs particle. And so the question is: The LHC, that new machine at CERN, which started running about a year ago, is it going to tell us about the Higgs particle and if it is there, what shall we see? And I will try to present to you a picture which is not the official one, the picture that I am having is that on the basis of the existing data, I have the tendency to say that there is no Higgs at all. Now, that’s a thing that you are not supposed to say. But what would it mean for the LHC? For the LHC it would mean that they would not find the Higgs such as they had foreseen, but then there is the problem, that the Higgs is there because it has a function. In our theory of elementary particles, the Higgs has a function in the sense of removing infinities. Let me explain that a little bit clearer to you, if we have two elementary particles, they can scatter off each other and you can make the scattering closer and closer. And as you know there is such a thing, physic students, are you all physicists by the way? Everybody says yes except one who says no. As you know, there is such a thing as the Coloumb law, and Coloumb law tells you that, as you get closer, the forces get stronger. Now, that means you have to be careful, this cannot be just something because at some point it might give rise to infinity. And this problem is well known in quantum field theory and present day understanding of quantum field theory when you have two particles, they may do like this, each scatter and if their scattering is sufficiently strong, the whole affair might blow up and it does. Now, in the theory of elementary particles we know what forces there are, there are of course the electromagnetic forces and there are the weak forces, there are the strong forces. And for each of them we have a careful precise theory that tells us what's happening. Now, in setting up that scheme, what is called the Standard Model, which is a whole chessboard, you could say, of particles and the forces between them. All the forces are in such a way that, whenever someone gets too strong, another one steps in, in the opposite way and balances it out, so that it doesn’t become any stronger. That’s the game that is being played in the Standard Model. So for example electromagnetism, you cannot change a photon, you have an electron and a positron, they attract each other, that attraction gets bigger and bigger as they get closer and closer, but by the time they get very close, another force steps in and you can have weak interactions whereby you do not have a photon but the axis of a Z0. And that interaction has the opposite sign, so by the time you get near they start cancelling each other. And it is this game of cancellation which has been carefully constructed in the Standard Model and which goes under the name of gauge theory, that is a symmetry which takes care of all of that. That’s the point that you have and that game has been played, has been worked on carefully and then there is one remnant, there is one thing left, which is difficult. If you scatter an electron off an electron, it´s not a good example because it happens to be particularly weak, you scatter an electron off an electron, smaller and smaller distances, first blows up, at some point the other force steps in, it´s at zero axis, that cancels some and then you go nearer and nearer and then the cancelation is not perfect, there is something left. And this, that something that is left, the great trick was to introduce another particle that you cannot change, another force which we call the Higgs force because Mr. Higgs had something to do with it and that is that Higgs particle and the Higgs force has been designed in such a way that it cancels the last piece. From which you can learn that if there is no Higgs somewhere in the theory things go bad. So this is the first principle thing you should know. If there exists no Higgs boson, something goes bad. If there exists a Higgs, nothing goes bad and the scattering of everybody with everybody goes fine. Now, so if there is no Higgs boson something goes bad, where does it go bad, is it accessible experimentally? What process do you have to look at? This is an extremely difficult subject and I personally have made sort of a study of that particular subject, how can we see a Higgs if it is extremely hard, very difficult to see, where would we see if it is not there? And that is, as I say, a very difficult subject. And it is probably not something that the LHC can tell us, or maybe it can tell us, but at least the Higgs, as it is, if it exists, in all likelihood the LHC will get it. So what I have to present to you is: Number 1, what do we know before the LHC is switched on? Now the LHC, before the LHC was switched on at CERN there was another machine called LEP, electro scattering of positrons at very high energy. Now you have to know every machine of course has its limitations and you have an electro machine where there goes electrons this way, positrons the other way and then they collide. If you have a machine like that, the energy that you can reach depends on a number of factors. The first factor is how big is the machine, you see these electrons have to be made to bend and you use magnets for that. And so you have to make magnets that make them go round, and as they get to higher and higher energy that gets more and more difficult. So you can understand that the energy, the total, the most energy you can give to an electron depends on the radius of the machine. And that radius is a given thing, it’s a hole they have dug out of the mountain. And you go to that limit and from there on life starts to be difficult. How does that limit come into being? Well, you have an electron, it’s a light particle and if you study Maxwell’s theory of electromagnetism, then you know that an electric particle, if you make it change or if you give it a path that is different from a straight line, it radiates. It’s the same process you have in an antenna of television or radio, electrons move up and down and there where they change, they start emitting radiation and that’s how you get a transmitter. So electrons do emit radiation and the lighter the particle is, the stronger the emission and the electron is very light, so the main problem with an electron machine is that it starts emitting too much radiation and thereby loses energy and that determines the maximum you can reach. This is the real problem. So given a machine, the limit of the machine is how much energy the electron loses when being curved around, it is not a problem of magnets, the magnets for an electron machine don’t have to be that strong, it´s just that if you curve it around it´s just losing energy. And the faster the particle goes, how more you lose. So that’s the real limit of an electron machine. And to give you the numbers immediately, so that you understand what we are talking about, the electron machine at CERN called LEP, there they collided at its maximum energy, electrons of 100 GeV, the GeV is the energy measure for these things, that is a lot of energy, I’m not sure if I should tell you about a unit of energy, but it´s just a unit of energy that you give to the electron. The limit for an electron to remain in that tunnel they have at CERN, is that you can make an electron beam of 100 GeV. You take a heavier particle, such as the proton, the proton, because it is almost 2,000 times heavier than the electron, radiates much less. It goes to the power law in addition. The consequence is that if you have a tunnel, what you can achieve in a tunnel is no more the method of losing radiation because the proton doesn’t lose that much energy radiation when it goes through a curve. It then becomes the question of how strong can you make the magnets to keep the thing in an orbit. At the LHC they have done the extreme, they have used the strongest magnets that mankind can make, these are super conducting magnets because with normal magnets, the limit is determined because where you have too much current going on the island subjugates and the magnetic field doesn’t become stronger anymore. So what you do is you have a magnet without iron in it and you make the wire to be superconducting wire and you send tremendous currents through it and this is the best way of making big magnets. And the unit of measurement in those things is the Tesla which is the unit of strength of the magnetic field. And to give you an idea, if you go to a hospital and they make from you a scan, an MRI scan if you have ever heard of that, they also need a fairly strong magnet, you are being put in a magnet, it´s also a superconducting magnet and usually 1, 2 Tesla. And that’s only on that apparatus there in the hospital. What we have at CERN is 27 kilometres of magnets, and so you have 27 kilometres of superconducting magnets. It’s a monster, that machine. And they make a magnetic field of 7 Tesla at its maximum. By the time you have that strong magnetic field, everything is difficult, you know. All things which are screwed together, every little thing, they always - you pray. So at CERN there are many prayers every day when they have these magnets, right now they don’t have them at full energy, the full energy would be 7 Tesla and they can make a proton beam and 2-proton beams that are going to collide with an energy of 7 TeV, that’s 7,000 GeV each, as compared to the 200 GeV for the electron and the positron. So you make a gigantic step from 200 to 7,000. Right now they are at 3,500, half way. And then hopefully in another 2 years we will go to the 7,000 and hope that all the magnets don’t explode one way or the other because they are like bombs, they have to be kept cold so they all have this fluid helium and fluid helium is difficult stuff, if you have a wire with a lot of current in it, kept cold by helium and if there is one spot in the wire, which is not very good, then you get resistance there. And if you have this tremendous current through a resistance you get the warming up, the helium warms up, the superconductivity disappears and this can have an explosive type affair, and that is what happened about a year ago and it ruined sort of ¼ of the magnets. So that it’s really a terrible machine, they are very careful and they have techniques for when it starts to go that way, to sort of make it a soft landing so to say, but it is and remains a very difficult machine. There’s another thing you must know about this machine before we get to the more precise area for background. It is a machine in which you accelerate protons. Now, protons, unlike electrons, are not elementary particles, they have bound states of three quarks. So if you take a proton, it has two up quarks and one down quark, I hope everyone knows this thing. So what you’re accelerating is a bunch of quarks. And what you should see is the collision of the quarks. So you can imagine here is this object coming, three quarks that flies in the face of the other one, what you are interested in is the collision of these two elements there. That will be only a fraction of course, most of which they will just pass each other. So the actual useful information you get out of a collision of two protons is difficult, it is surrounded by these particles around. And the point is that these clouds that you have there, they produce lots of other particles. So the LHC machine is a machine where the reaction of interest is buried in an immense number of tracks and you have to pick it out, this is very difficult and needs a lot of computing, you have to compute all those tracks and see which is the one that is doing the trick. And the LHC, that was not so with the electron machine, if you have electrons that’s like the collision of the quarks, these are the elementary particles, it’s easy. Now, when you look through the LHC and when you see these collisions in which two quarks collide in a cloud of more quarks and all kinds of stuff, that you get out, the element that comes out of there gets registered in a detection apparatus and then you get an enormous lot of stuff which you have to analyse. And this is done at the LHC by means of the detectors, of which the most important one I guess is the alpha detector, it is again a monster, really a monster, maybe I should show you some pictures of this thing to give you an idea. All these particles are flying there. You have to notice where they go and this they do with wire chambers which can produce little currents and notice the passing of a charged particle. And then the information that you get in this way is fed into computers. But as on the LHC, the number of events that you have is generally the ratio of the number of events that you have compared to the number of events that you want, is 1 in 10 to the 9th or something. Meaning 1 in 1,000 million events is of the type that may tell us about the Higgs. So you have an enormous procedure, an enormous problem of selecting out those things that you want. This at CERN is done using the Grid. The Grid is a thing that is newly invented, it’s comparable to the LEP, except the purpose of the Grid is to do a numeric evaluation. So the Grid is a network of connections among computers in the world, of the order of a million. There’s at CERN about the order of a million of computers hanging on line and someone distributes the events over those computers and they have to compute and see if the tracks that they observe are such that it might be an interesting event. So again you see it is a monstrous enterprise but they seem to be confident that they can do it. And whenever you hear something coming out of the LHC please keep this in mind and you realise how difficult it is. Also it’s not going to happen from one day to the next, they will have to run some time in order to collect the good events. So it’s my understanding that when they start running at full energy in a year from now, they will have to run at least another year before we get any useful numbers concerning the Higgs. So that’s the situation physics-wise that we are looking at. So I want now to give you a sense of the theory related to it. The theory that we have today is, as far as the experimental results is concerned, based on the result of the latest machine at CERN, that was the Electron Positron Machine, the LEP machine, and it is the data of that machine together with the machine at Fermilab and the older machine that doesn’t run anymore at Stanford that has produced numbers and insights and the first plot I’m going to show you is the net result of what the world knows today about the Higgs. So that plot is a plot which, well, a lot of money has gone into it, money, people, effort, intelligence, you name it. It’s this plot and in order to understand what's going on, you have to understand this plot. So I am going to spend some time on this plot. First of all, how has it been obtained? Well, it has been obtained essentially by measuring very carefully the parameters of the Standard Model and in this particular case the information that has gone into this mainly is measuring the mass of the vector bosons, there are three vector bosons, a charged one and a neutral one. That’s the mass of the charged vector bosons, that is the mass of the neutral vector boson and there is something called the mixing angle that we don’t need to worry about, you just can assume that it isn’t there. But those things have to be measured. Now of course the masses of particles can be measured simply by observing them. And that was done at LEP, so we know those masses. And the amazing thing is that those masses have been measured with an accuracy that I have never guessed in my life they would be measured with. They have been measured with an accuracy of better than 1/10 of a percent up to very close to 100%, unbelievable measurements. And that happened at the previous machine and whenever I think of it, it gives me shivers, there you have this machine with a circumference of 27 kilometres and it gives us numbers on those particles that are to 1/10 or 100%. I had never expected it but in the end that’s what happened. And I am just admiring those people, those experimentalists who succeeded in getting that precise measurement out of their apparatus. So that is really what this thing is and this plot tells you the following. Out of measuring very carefully the mass of the charged and the mass of the neutral vector boson, the ratio of these masses depends on the mass of the Higgs particle. I am not going in the theory at this point but believe it from me, the Higgs particle, which is functional and interacts with these vector bosons, makes slight changes in the mass of those things. You see you have a vector boson, it can momentarily split up and produce a Higgs and then you see combined again, but such small corrections, such small effects can be measured and are measured. So people do measure the masses of these vector bosons and the ratio of those masses is sensitive to the mass of the Higgs particle, with certain assumptions about how the Higgs particle interacts. So by measuring very carefully those masses you can then deduce the mass of this Higgs particle. It is a very weak dependence and as I say you have to measure to precision of better than 1/10, about of the other of 100% or you get no information. But they got information and here is the information. Now, this curve, anyone of them, don’t worry about which one, gives you sort of the probability that the Higgs particle has the mass which corresponds to it. So if the Higgs particle there to be 100 MeV, then that probability is rather high and it gets less as the Higgs particle is heavier. So that’s the way you have to understand this plot. You can ask me what's the probability that the Higgs particle has a mass of 200 GeV, where 1 GeV is roughly the proton mass, so it gives you an idea where we are. If the Higgs particle has a mass of 200 GeV, that already would be in conflict with the data. It would have made more corrections to these vector bosons than we have seen experimentally. So that is to tell you what means this side of the plot and here you see 1 Sigma, 2 Sigma, every experimentalist knows this means standard deviations. So here, at three standard deviations, we can say that about 160 GeV is already excluded, 160 GeV or higher, or else they wouldn’t have seen it in the effects in measuring this vector boson mass. It’s not a direct measurement it’s an indirect measurement. Now on this side of the plot it’s likewise except here you see a yellow region and the yellow region comes into being because if the Higgs particle is not too heavy, you can actually make it. A machine like LEP has 200 GeV available and you need to make extra stuff but, as it happens, if the Higgs is not heavier than 140 GeV, you could, with a combination of something else, make it. So you can look at the detectors there and ask them “hey, that you see a Higgs, how do you see the Higgs?”. Well, by its decay products but this is something which is known, theoretically. So they know what to look for and they don’t see anything, that means that the Higgs must be heavier and actually it is here 140 GeV, because if it were lighter than that, they would have seen it at LEP through direct production. So this plot is a combination of what we know from direct production and indirect effects of the Higgs by the effect of the Higgs on the vector boson masses. I hope I make myself clear, I please ask you to interrupt me at any time that you feel like because I consider this here a little bit like a small family and you can ask me whatever you want. You have nothing else to do anyway. You have to say the Higgs cross section is something that refers to the collision of two animals, so which are the 2 animals that are you colliding? So the cross section is not a statement that you can say here. This curve, the blue one, let's say, comes into being because we can measure the masses of these vector bosons. Now, the yellow region is where a collision processes the Higgs is produced. And even if that’s fairly small, it doesn’t really matter because once you see it in the electro machine you see it, it’s a very good machine. So the cross section can be small. Any more questions on this, you have really to understand this plot, it’s the heart of the matter, it’s the billion dollar plot I call it, because if you ask me what that plot has cost, it has cost about as much as two weeks of war of Afghanistan or another stupid thing like that. Yes, you have a question. If there is more than one Higgs? Well, in first approximation, more than one Higgs, you get sort of the average of the two and the plot still applies, it would apply to the lightest of them or if they are equally heavy to sort of the average. It would be sort of the same. You can try theoretically to construct a Higgs sector, so that you are not sensitive to it and it is not so easy, there is a limit, simply because the Higgs has a function. You see you’d have to damp off something, you take that function away you see something else explode. So this is pretty solid. Now you see, along the right hand side I didn’t continue that curve because we know that the Higgs cannot be in this region. Why is it that it cannot be in this region? Because there exists a machine at Fermilab where they collide also protons with protons and they have also a ring, they collide protons with antiprotons, I think I don’t know what are they colliding these days and they are measuring very carefully what comes out there. And they tell us that there is no Higgs, they are sensitive to Higgs’s that are heavy, don’t ask me why, that’s complicated, but it is the Tevatron, which is the machine at Fermilab, which tells us that the Higgs cannot be there. Now, the Tevatron is also a complicated machine with superconducting magnets. It’s not as big as the one at CERN, so it cannot produce that much energy as we can do at CERN, but it is a good machine and it runs very, very well. And for the Tevatron people, to know about the Higgs and to make limits on the Higgs, they basically produce data and in the end the result depends on the statistics. So if they run for a week, they get a certain value, which is this line, if they run another week, this line starts shifting, they get to be sensitive to even lower Higgs masses. So at this time the Tevatron, which is running exceptionally well, is busy moving this line to the left hand side. And the crucial moment is when this line touches that, as soon as this line touches that, we have to say, well, there was no Higgs or at least the probability of it being there is extremely low. So the people are CERN are a little bit nervous that the people at Fermilab don’t move too fast because CERN is supposed to close that gap, find the Higgs if it is in that region. And so they don’t want to be overtaken by Fermilab. And the Fermi lab people, on the other hand, wish CERN all the harm in the world which would give them time and move this thing over. For the Fermilab people it’s a matter of statistics, they just have to run and run and run, and as they collect more and more data gradually, that line moves down. And this here is what it has moved down, let´s say in the last year or so, to give you an idea. Now you wait another 2 years and these guys are moving here, and maybe the Higgs is there and they would find it and the CERN people would consider that pretty bad, if you can feel my …., that’s the competition that’s going on. Now, in looking to this plot there is something else that no one ever else does, so you get it from me. I will tell you something else. What would happen if there were no Higgs? Well, as I say, things start blowing up somewhere. How bad is it? Can you check that, what's blowing up? Now, you may look at that very clearly, you see that what is blowing up for example are reactions where you produce two vector bosons. They are hard to produce, at LEP you could just make them and then, if you can produce them and then still do the tests on higher energy, then there is a point where you see things exploding and you can say It’s not possible, something has to happen. You get an amplitude with a probability that exceeds 1, that’s not possible, something has to happen. But that something that has to happen happens into a place and then a location of the sector of elementary particles that at this time we have not access to. So if they don’t see the Higgs here, we will have to go to this place that we have no access to yet, which would have to be done with an electro machine. So today you are looking already, if you are looking far enough, you see on the horizon an electro machine coming about with sufficient energy to get in that region where things explode if the Higgs is not there. So that’s the issue that we are seeing in particle physics. But it would be naïve for me, and I guess for everyone, to think that’s all. The Standard Model is a complicated model in which the Higgs plays a role and it has to be there. That much you can deduce for sure. But on the other hand, the Standard Model is complicated, it has lots of particles with masses of which you have no idea why they are that particular value. Which forces in some balance but why we do not know. And so it is for every theorist clear that we must get ahead and try to get to hold and understand what the Standard Model is all about, where it comes from. And this we have no idea, nobody can say. We only hope that if the LHC starts making all these reactions, it will open some door, it will show us something, it will maybe give a hint and that will tell us why the Standard Model is the way it is and that is what you really want. So that is the dual function of the LHC, you have to understand that it has always been like that in particle physics. I was there at CERN when they started up a machine of 28 GeV, which is something else as compared to this machine in the end 7,000 or 14,000, can you imagine from 24 to 14,000, what a leap we have made in the last 50 years. In any case I was there and I can assure you we had no idea that when finally that machine got going, didn’t see much strange things, but you got more understanding as to what was going on, gradually a picture emerged and we started learning about quarks and that changed the view. And then we started learning about the interaction and finally out came the Standard Model about this and other machines but these were all gradual processes. Don’t think that every discovery in particle physics is “there it is”. It is not, it goes step by step and understanding in detail what's going on and that’s how you go forward. That’s not just particle physics, that’s science in general. Science in general is for the guy who is stubborn and keeps on going till he really understands everything. So what we see at the LEP at this time is our starting position. But no one knows of course, since we are getting into a domain of which we know nothing. No one has ever had particle of such energy colliding. We can only guess, so what we do is extrapolating the present theory, which is not perfect. And on top of it the present theory is not complete, we are still missing the Higgs. So you have to see this as 2 separate facts. First there is the Higgs that we are missing and God hopes, my hope is we never find it, because then you know at least where you should look, where you should start hoping, maybe diverse things go wrong if there is no Higgs. So that’s one thing, but on the other hand you have to understand that this is only machine number 10 in a series of machines that have started to run ever since 1930 and where one thing after the other has come out. It´s part of the progress, it’s the case of making new microscopes that look at smaller and smaller distances. So now I want to illuminate for you another fact, something which is not generally recognised, which only comes about when you start taking it like I did for the case that there is no Higgs. You see the average particle physicist refuses to think beyond the line of there is no Higgs, no one thinks about it, it´s an ugly thing, that’s like assuming there is no tomorrow, I don’t know, they don’t do it because it gives you a theory which is not finished and you feel bad, people don’t know what to substitute. But you want you, this audience here, to understand what's at stake and then look at the data in a calm and quiet way and say “hey, I will show you something that nature is already showing to us at this time”. So I am going to ask the next question: I see no point on the scale that corresponds to no Higgs, right, this is, you plot here the mass of the Higgs. No Higgs you could say is when the Higgs has an infinite mass, if a particle has infinite mass, you can never make it and you can just as well say that it is not there. So you could say the point of no Higgs is here somewhere behind the piano. Well, that’s one way of looking at it and that is one way one theoretically attacks the problem but it happens there with something else in this particular case. I told you that this plot is based upon the observation of the neutral and the charged vector boson and on a careful measurement of their masses. And these masses are influenced because the vector bosons can for a short moment go over into a Higgs and a vector boson and then recombine, quantum mechanics allows you this. And that gives a small correction to the mass. And so then the question comes: So what else? If there is no Higgs, those corrections would not be there. So that’s an entirely different look than this here. Where would we be if there were no Higgs whatsoever, what would the masses of these vector bosons be if there were no Higgs? If there were no such corrections, that must be a point on this plot, what is the plot of there being no Higgs? You understand what I am saying? These corrections here are sensitive to the Higgs, are from certain things, and so the magnitude of that determines this plot. Now let me say to you, suppose those corrections are not there. Where would I wind up on this plot? That will be a definite point and as it happens I can tell you that point, so that’s the next point. Here is the point, if there is no Higgs, this is the point where you have no corrections to this vector boson mass. And you know, for god sake, it is on the point of the biggest probability because the depth, the deeper, you know, there’s higher probability and going up means less probability. So by looking at it this way I would say “hey, LEP has already told us that there is no Higgs, there was nothing there, it is like the emperor’s clothes.” So this is the thing that makes me think that there is no Higgs. It is precisely shot in the middle, it seems like a miracle, of course that red line could have been anywhere but I’ve delved in the theory, I’ve taken away those corrections, I have then asked what would come out, and so that would have come out. So from that I draw the conclusion, I personally would bet on these people not finding anything on filling up that hole, because the real situation is there is no Higgs. But they don’t want to hear that, you understand, they want to have a Higgs and then announce it to the press and then hope to get 25 Nobel prizes or something, that’s the hope. I think this is what's going to happen, so you here are among the first to get a glimpse of the future. Well, since there is no Higgs, it´s not sensitive to the Higgs mass, but the ratio of the vector boson masses would be such that you land in a point, it would be a point, it doesn’t depend anymore on the Higgs mass. Well, you see there are Sigma on the line, on the left hand side, these are Sigmas, so there that’s 0 Sigma . That’s the measurement, it happens that the measurement follows closely the path of the least amount of Sigmas. If you were to look at this plot and say what's your prediction for the Higgs, I would not hesitate, there isn’t any. Now if there is a Higgs of, let´s say 140 GeV, it would be somewhere here, but this is due to corrections which you can compute and which are absent if there is no Higgs. You understand? Anyone more who wants to know anything? Well, no, the question is if there is no Higgs, then what shall you measure in the data that are represented at this plot? The mass of the Higgs, no, not the mass of the Higgs is 0, the correction due to the Higgs is 0. And so what you have is, let me repeat, you have these vector bosons which you can produce, which we did produce at LEP and you can measure their masses. And those masses you have …, you know what they are, you have the ratio of the masses, that is something that comes from the theory. And there are corrections to that which depend on the Higgs. If there is no Higgs, there is no correction. If there is a Higgs, there is a correction. The first plot showed you what you can deduce if you observe that correction because then you can deduce the Higgs mass from it ...

Wie ich mir gedacht habe, sind wir eine kleine Gruppe, deshalb kann ich mich ganz nach Ihnen richten. Ich versuche, meine Ausführungen in einfachen Worten zu halten, bitte unterbrechen Sie mich, wann immer Sie es für nötig halten. Das Ziel, das ich mir selbst gesteckt habe, darum habe ich einen anderen Titel, denn Ihnen ist sicher bekannt, dass CERN kürzlich einen neuen Beschleuniger namens LHC in Betrieb genommen hat. Sie wollen wahrscheinlich wissen, was man vom LHC erwartet. Natürlich erwarten wir alle das Unerwartete, aber in der Natur ist es üblicherweise so, dass man mehr von demselben bekommt. Der Natur muss man gute Fragen stellen, um überhaupt Antworten zu bekommen. In diesem speziellen Fall haben wir im Zusammenhang mit dem Beschleuniger eine Frage, die Frage dreht sich um ein Teilchen, das Higgs-Teilchen. Die Frage lautet also: Wird der LHC, der neue Beschleuniger, der vor knapp einem Jahr von CERN in Betrieb genommen wurde, Aufschluss über das Higgs-Teilchen geben, und falls es existiert, was werden wir sehen? Und ich werde versuchen, Ihnen ein Bild zu vermitteln, das nicht offiziell ist; mein Bild basiert auf den bestehenden Daten und ich tendiere dazu, zu behaupten, dass es gar kein Higgs gibt. Das ist jetzt eine Sache, die man nicht sagen sollte. Aber was würde das für den LHC bedeuten? Für den LHC würde das heißen, dass sie das Higgs nicht finden würden, wie sie es vorhergesehen haben, aber dann besteht das Problem, dass es das Higgs gibt, weil es eine Funktion hat. In unserer Elementarteilchentheorie übernimmt das Higgs die Funktion, Unendlichkeiten zu entfernen. Lassen Sie mich das ein bisschen näher erklären. Angenommen, wir haben zwei Elementarteilchen, die gestreut werden und man streut sie mit bei immer kleineren Abständen. Und Sie wissen ja, dass es so etwas gibt, liebe Physik-Studenten - sind Sie eigentlich alle Physiker? Alle sagen ja, außer einem. Wie Sie wissen, gibt es das Coulombsche Gesetz und das Coulombsche Gesetz besagt, dass die Kräfte stärker wirken, je kleiner der Abstand ist. Das heißt, dass man vorsichtig sein muss, es kann nicht einfach irgendetwas sein, weil es irgendwann zu einem unendlichen Term führen könnte. Dieses Problem ist in der Quantenfeldtheorie bestens bekannt und das heutige Verständnis der Quantenfeldtheorie sieht so aus, dass zwei Teilchen, die sich so bewegen, aneinander gestreut werden und wenn die Streuung stark genug ist, alles explodieren kann und das auch tut. Wir wissen ja, welche Kräfte in der Elementarteilchentheorie vorkommen, es sind natürlich die elektromagnetischen Kräfte, die starken Kräfte und die schwachen Kräfte. Und für jede von ihnen haben wir eine ganz präzise Theorie, die uns erklärt, wie es abläuft. Das sogenannte Standardmodell ist wie ein Schachbrett der Teilchen und der Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Alle Kräfte sind so, dass, immer wenn eine zu stark wird, ein anderes kommt und ist entgegengesetzt und es gleicht aus, damit es nicht noch stärker wird. Das sind die Spielregeln im Standardmodell. Am Beispiel der Elektrodynamik sehen wir, dass man ein Photon nicht austauschen kann. Wenn man ein Elektron und ein Positron hat, die sich gegenseitig anziehen, wird die Anziehungskraft immer stärker, je kleiner der Abstand wird, aber sobald sie sich ganz nah sind, kommt eine andere Kraft ins Spiel und es kann eine schwache Wechselwirkung geben, wobei es kein Photon ist, sondern der Austausch eines Z0. Diese Wechselwirkung hat das umgekehrte Vorzeichen, d.h. sobald man näher herankommt, heben sie sich gegenseitig auf. Dieses Spiel der Aufhebung wurde im Standardmodell genauestens konstruiert und ist als Eichtheorie bekannt, das ist eine Symmetrie, die all dies berücksichtigt. Das ist der Punkt. Das Standardmodell ist oft überprüft und immer wieder bestätigt worden, nur ein entscheidender Baustein fehlt noch und das ist schwierig. Wenn man ein Elektron an einem anderen Elektron streut, das ist kein gutes Beispiel, weil es zufällig besonders schwach ist, man streut ein Elektron an einem anderen Elektron, der Abstand wird immer kleiner, sie explodieren, irgendwann kommt die andere Kraft ins Spiel, das ist der Z0 Austausch, es wird etwas aufgehoben, dann kommt es immer näher und dann ist die Aufhebung nicht perfekt, es fehlt etwas. Und was das fehlende Etwas betrifft, der große Trick bestand darin, ein anderes Teilchen einzuführen, das man austauschen kann, eine andere Kraft, die man Higgs-Kraft nennt, weil sie nach Peter Higgs benannt wurde, und das Higgs-Teilchen und die Higgs-Kraft sind so angelegt, dass sie den letzten Bestandteil aufheben. Das heißt, dass in der Theorie etwas nicht stimmt, wenn überhaupt kein Higgs-Teilchen existiert. Das ist also das erste Prinzip, das man kennen muss. Wenn das Higgs-Boson nicht existiert, läuft etwas schief. Wenn das Higgs-Boson existiert, läuft alles richtig und die Streuung von jedem mit jedem läuft bestens. Wenn das Higgs-Boson nicht existiert, wo läuft dann etwas schief, ist es experimentell nachweisbar? Auf welchen Prozess muss man schauen? Dies ist ein äußerst schwieriges Thema und ich habe selbst eine Art Studie zu diesem speziellen Thema gemacht, wie wir ein Higgs-Teilchen sehen können, wenn es sehr schwierig ist, es zu sehen, wo würden wir suchen, wenn es nicht da ist? Wie ich schon sagte, ist das ein sehr schwieriges Thema. Wahrscheinlich kann uns der LHC keinen Aufschluss darüber geben, oder vielleicht doch, aber letztendlich wird der LHC aller Wahrscheinlichkeit nach das Higgs-Teilchen aufspüren, falls es existiert. Ich möchte Ihnen Folgendes vorstellen: Erstens, was wussten wir, bis der LHC in Betrieb genommen wurde? Bevor der LHC im CERN in Betrieb genommen wurde, gab es eine andere Anlage, den LEP, einen Hochenergie-Beschleuniger für Elektronen an Positronen. Jeder Maschine sind natürlich Grenzen gesetzt, man hat einen Teilchenbeschleuniger, in dem man die Elektronen in die eine Richtung und Positronen in die andere Richtung schießt und irgendwann prallen sie aufeinander. Bei so einem Gerät hängt die Energie, die erreicht werden kann, von zahlreichen Faktoren ab. Der erste Faktor ist die Größe der Maschine, sehen Sie, die Elektronen müssen um die Kurve und um den Flugweg zu biegen, setzt man Magnete ein. Also muss man Magnete herstellen, um die Elektronen auf ihrer Kreisbahn zu halten und je mehr Energie sie haben, desto schwieriger wird es. In der Konsequenz hängt also die Gesamtenergie, die man einem Elektron geben kann, vom Radius des Geräts ab. Der Radius ist vorgegeben, es ist ein Loch, das unter der Erdoberfläche aus einem Berg gegraben wurde. Und wenn man erstmal am Limit ist, wird es kompliziert. Wie entsteht dieses Limit? Wir haben ein Elektron, ein leichtes Teilchen, und wenn Sie sich mit den Maxwell-Gleichungen der Elektrodynamik befassen, wissen Sie, dass ein elektrisches Teilchen strahlt, wenn man es beschleunigt oder so beeinflusst, dass es von einer geraden Linie abkommt, dann strahlt es. Den gleichen Prozess haben wir in einer Fernseh- oder Radioantenne, Elektronen bewegen sich hin und her und dort, wo sie beschleunigen, senden sie Strahlung aus und so erhält man einen Sender. Elektronen senden also Strahlung aus und je leichter das Teilchen, desto stärker die Ausstrahlung und das Elektron ist sehr leicht, das größte Problem bei einem Teilchenbeschleuniger ist also, dass zu viel Strahlung ausgesendet wird und dadurch Energie verloren geht und dass dadurch das erreichbare Maximum bestimmt wird. Das ist das wirkliche Problem dabei. Die Grenze der gegebenen Maschine liegt darin, wie viel Energie das Elektron verliert, wenn es um die Kurve fliegt. Es ist kein Problem der Magnete, die Magnete müssen für einen Elektronenbeschleuniger nicht so stark sein, aber wenn das Elektron um die Kurve fliegt, verliert es Energie. Und je schneller sich das Teilchen bewegt, desto mehr Energie verliert es. Das ist also das wahre Limit eines Elektronenbeschleunigers. Damit Sie eine Vorstellung davon haben, von welcher Größenordnung wir hier reden, im Elektronenbeschleuniger LEP im CERN kollidierten Elektronen mit maximaler Energie von 100 GeV. GeV ist die Einheit zur Messung der Energiemenge von Elementarteilchen, das ist sehr viel Energie, ich weiß nicht, ob ich Ihnen etwas über Energieeinheiten erzählen muss, aber es ist nur eine Energieeinheit für Elektronen. Die Grenze, um ein Elektron in dem Tunnel von CERN zu halten, liegt bei 100 GeV für einen Elektronenstrahl. Wenn man ein schwereres Teilchen wie das Proton nimmt, das fast 2.000-fach schwerer ist als das Elektron, strahlt es viel weniger. Das hängt auch mit dem Potenzgesetz zusammen. Die Konsequenz bei einem Tunnel ist, dass man in einem Tunnel nicht mehr so großen Strahlungsverlust erzielt, weil das Proton nicht so viel Energie aussendet, wenn es um die Kurve fliegt. Dann kommen wir aber zu der Frage, wie stark die Magnete sein müssen, um das Ding im Orbit zu halten. Im LHC sind sie bis ans Äußerste gegangen, sie haben die stärksten Magnete eingesetzt, die die Menschheit je herstellen kann, es handelt sich um supraleitende Magnete, weil mit normalen Magneten Grenzen gesetzt sind, denn wenn zu viel Strom fließt, wird das Eisen gesättigt und das Magnetfeld wird nicht stärker.. Man nimmt also einen Magnet, der kein Eisen sondern supraleitenden Draht enthält, und sendet extrem starke Ströme hindurch, das ist der beste Weg, um starke Magnete herzustellen. Die Maßeinheit für die magnetische Feldstärke lautet Tesla. Wenn Sie zum Beispiel im Krankenhaus ein MRT machen lassen, falls Sie davon schon einmal gehört haben, wird auch ein ziemlich starker Magnet verwendet, Sie werden in einen Magnet gelegt, das ist auch ein supraleitender Magnet mit normalerweise 1 bis 2 Tesla. Und das ist ja nur das Gerät im Krankenhaus. Bei CERN haben wir Magnete auf einer Länge von 27 Kilometern, das heißt, das sind 27 Kilometer lange supraleitende Magnete. Das Gerät ist ein Monster. Es wird ein Magnetfeld von maximal 7 Tesla erzeugt. Wenn man ein solch starkes Magnetfeld hat, ist eben alles schwierig. Alles ist miteinander verschraubt, jedes kleine Ding, man muss immer beten, dass alles gut geht. Bei CERN werden täglich viele Gebete gesprochen, wenn sie diese Magnete nutzen. Momentan wird nicht bei voller Leistung gefahren, die volle Leistung wäre 7 Tesla, sie können einen Protonenstrahl abschicken und ihn mit einem zweiten Protonenstrahl kollidieren lassen, mit einer Energie von jeweils 7 TeV, das sind 7.000 GeV, verglichen mit den 200 GeV bei Elektronen und Positronen. Das ist also ein gigantischer Schritt von 200 auf 7.000. Momentan sind sie bei der Hälfte des Potenzials, 3.500. In 2 Jahren werden wir dann hoffentlich bei 7.000 sein und hoffen, dass die ganzen Magnete nicht auf irgendeine Weise explodieren, weil sie wie Bomben sind. Sie müssen mit flüssigem Helium gekühlt werden; flüssiges Helium ist ein gefährliches Material, wenn man einen Draht mit viel Strom hat, muss er mit Helium gekühlt werden, und wenn nur eine fehlerhafte Stelle am Draht ist, entsteht dort ein Widerstand. Und wenn man extrem starken Strom durch Widerstand hat, kommt es zur Erwärmung, das Helium erwärmt sich, die Supraleitfähigkeit verschwindet, dies kann eine explosive Angelegenheit werden, so etwas geschah vor knapp einem Jahr, damals wurde ein Viertel der Magnete ruiniert. Es ist also wirklich eine ungeheuerliche Maschine, die Mitarbeiter sind sehr vorsichtig und haben Maßnahmen parat für den Fall, dass es schief läuft, um eine einigermaßen sanfte Landung vorzubereiten, aber es ist und bleibt eine sehr schwierige Maschine. Ich möchte Ihnen noch eine andere Sache über diese Maschine mitteilen, bevor wir in die Tiefe gehen. Es ist ein Gerät, in dem Protonen beschleunigt werden. Protonen sind, anders als Elektronen, keine Elementarteilchen, sie bestehen aus drei Quarks in gebundenem Zustand. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, ich hoffe, jeder kennt das. Es werden also einige Quarks beschleunigt. Und dabei sollte man die Kollision von Quarks sehen. Stellen Sie sich also vor, hier kommt dieser Gegenstand, drei Quarks fliegen direkt in den anderen rein, was einen interessiert, ist die Kollision dieser beiden Elemente. Das wird natürlich nur ein Bruchteil sein, zum größten Teil werden sie aneinander vorbeischießen. Die wirklich nützliche Information, die man aus dieser Kollision zweier Protonen gewinnt, ist schwierig, sie ist von diesen herumfliegenden Teilchen umgeben. Es geht darum, dass diese Wolken, die da sind, viele andere Teilchen erzeugen. Der LHC ist eine Maschine, bei der die interessierende Reaktion unter einer Unmenge von Spuren verborgen ist, und man muss sie heraussuchen, das ist sehr schwierig und erfordert viel Computerarbeit, all diese Spuren müssen berechnet werden und man muss genau schauen, welche Spur zum Ziel führt. Und beim LHC, nicht so beim Elektronenbeschleuniger, wenn man Elektronen hat, ist das wie bei der Kollision mit den Quarks, dies sind Elementarteilchen, das ist einfach. Wenn man in den LHC schaut und sich diese Kollisionen ansieht, bei denen zwei Quarks in einer Wolke von mehreren Quarks aufeinanderprallen, wird das Element, das dabei herauskommt, in einem Teilchendetektor registriert. Da gibt es eine Menge zu analysieren. Dies erfolgt im LHC durch die Detektoren, ich denke, der wichtigste Detektor ist der Alpha-Detektor, der ist auch ein Monster, ein wirkliches Monster, ich müsste Ihnen Bilder von diesem Gerät zeigen, damit Sie sich einen Eindruck verschaffen können. All diese Teilchen fliegen hier rum. Man muss beobachten, wo sie sich bewegen, das macht man mit Drahtkammern. Sie erzeugen kleine Ströme und zeigen das Vorbeifliegen von geladenen Teilchen an. Die erhaltenen Daten werden elektronisch ausgewertet. Doch wie beim LHC ist die Anzahl der Ereignisse, die man tatsächlich hat, im Allgemeinen das Verhältnis der Anzahl der Ereignisse, die man hat, verglichen mit der Anzahl der Ereignisse, die man haben möchte, entspricht ungefähr 1 mal 10 hoch 9. Das bedeutet 1 von 1.000 Millionen Ereignissen ist die Größenordnung, in der das Higgs vorkommen würde. Das ist also ein enormes Verfahren, ein erhebliches Problem der Auswahl von Daten, die man haben möchte. Im CERN wird dafür the Grid verwendet. Grid ist ist eine neue Erfindung, vergleichbar mit dem Web, davon abgesehen, dass der Zweck des Grid in der numerischen Auswertung liegt. Grid ist ein weltweit verteiltes Computer-Netzwerk in der Größenordnung von einer Million. Im CERN gibt es ungefähr eine Million Computer, die online miteinander verbunden sind. Die Ereignisse werden auf den Computern verteilt und die Forscher und Wissenschaftler müssen berechnen und sehen, ob die Spuren, die sie beobachten, ein interessantes Ereignis liefern könnten. Es ist also, wieder mal, ein ungeheuerliches Unterfangen, aber sie scheinen alle überzeugt zu sein, dass sie es schaffen. Und wann immer Sie etwas über Ergebnisse aus dem LHC hören, denken Sie daran, wie schwierig es ist. Es passiert auch nichts von einem Tag auf den anderen, es braucht seine Zeit, um gute Ereignisse zu sammeln. Ich gehe davon aus, dass sie, wenn sie heute in einem Jahr den Betrieb bei voller Leistung aufnehmen, aber mindestens noch ein weiteres Jahr brauchen werden, bis wir nützliche Daten in Bezug auf das Higgs-Teilchen bekommen. Das ist die Situation aus der physikalischen Sicht betrachtet. Jetzt möchte ich Ihnen gerne einen Eindruck von der damit verbundenen Theorie vermitteln. Die Theorie, die wir heute verfolgen, basiert, soweit sie sich auf die experimentellen Ergebnisse bezieht, auf den Resultaten der letzten Maschine bei CERN, dem Elektron-Positron-Kollidierer, kurz LEP. Dank der Daten dieser Maschine zusammen mit der Maschine im Fermilab und der älteren, nicht mehr im Betrieb befindlichen Maschine in Stanford, sind zahlreiche Daten und Erkenntnisse erzeugt worden. Das erste Diagramm, das ich Ihnen zeige, ist das Nettoergebnis von dem, was die Welt heute über das Higgs-Teilchen weiß. Dieses Diagramm ist ein Plot, in den viel Geld, Arbeitskraft, Anstrengung, Intelligenz etc. geflossen ist. Es handelt sich um dieses Diagramm, und um zu verstehen, worum es geht, muss man dieses Diagramm verstanden haben. Wir werden uns einige Zeit mit diesem Diagramm beschäftigen. Zunächst einmal die Frage, wie es entstanden ist. Es entstand im Wesentlichen dadurch, dass die Parameter des Standardmodells sehr präzise gemessen wurden und in diesem besonderen Fall bezogen sich die eingebundenen Daten hauptsächlich auf die Messung der Masse von Vektorbosonen, es gibt drei Vektorbosonen, die geladenen und das neutrale. Das ist die Masse der geladenen Vektorbosonen, es gibt die Masse des neutralen Vektorbosons und es gibt den sogenannten Mischungswinkel, aber den lassen wir hier außer Acht. Aber solche Dinge müssen gemessen werden. Natürlich kann die Masse der Teilchen einfach durch deren Beobachtung gemessen werden. Das wurde im LEP durchgeführt, wir kennen also diese Massen. Und das Erstaunliche daran ist, dass diese Massen so genau gemessen werden konnten, wie ich es mir nie im Leben vorstellen konnte. Die Messungen konnten mit einer Genauigkeit von 1/10 Prozent bis nahezu 100% durchgeführt werden, unglaubliche Messungen. Diese Messungen wurden mit der Vorgänger-Maschine durchgeführt, und wenn ich daran denke, erschaudere ich, da ist diese Maschine mit einem Umfang von 27 Kilometern, die uns Daten von diesen Teilchen bis zu 1/10 oder 100% gibt. Das habe ich niemals erwartet, aber letztendlich ist es geschehen. Ich bewundere diese Leute, die Forscher, die es geschafft haben, so eine präzise Messung mit ihren Geräten zu erzielen. Das macht also dieses Gerät und dieses Diagramm besagt Folgendes: Ausgehend von den sehr genauen Messungen der Masse des geladenen und des neutralen Vektorboson, ist das Verhältnis dieser Massen von der Masse des Higgs-Teilchens abhängig. Ich steige hier nicht tiefer in die Theorie ein, aber glauben Sie mir, das Higgs-Teilchen, das funktionell ist und mit diesen Vektorbosonen interagiert, führt zu leichten Veränderungen in der Masse dieser Teilchen. Sehen Sie, ein Vektorboson kann sich sofort aufteilen und ein Higgs produzieren, und sich wieder vereinigen, aber solche geringen Korrekturen, diese geringen Auswirkungen können gemessen werden und werden gemessen. Die Masse dieser Vektorbosonen wird also gemessen und das Verhältnis dieser Masse hängt ab von der Masse des Higgs-Teilchens, mit bestimmten Annahmen über die Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen. Durch sehr präzise Messungen dieser Massen kann man also die Masse dieses Higgs-Teilchens ableiten. Es ist eine sehr schwache Abhängigkeit, und wie ich schon sagte, muss man mit einer Präzision von gut 1/10 messen, ungefähr 100%, oder man erhält gar keine Information. Aber sie haben Informationen gewonnen und hier sind die Daten. Diese Kurve, egal welche davon, bildet die Wahrscheinlichkeit ab, dass das Higgs-Teilchen die Masse hat, die der Kurve entspricht. Wenn das Higgs-Teilchen eine Masse von 100 MeV hat, ist die Wahrscheinlichkeit ziemlich groß und wird kleiner, wenn das Higgs-Teilchen schwerer ist. So ist also dieses Diagramm zu verstehen. Wie wahrscheinlich ist es, dass das Higgs-Teilchen eine Masse von 200 GeV hat, wobei 1 GeV ungefähr die Protonenmasse ist, nur damit Sie eine kleine Vorstellung haben. Wenn das Higgs-Teilchen eine Masse von 200 GeV hätte, würde das bereits im Widerspruch zu den Daten stehen. Es wären mehr Korrekturen an den Vektorbosonen gemacht worden, als wir experimentalistisch nachgewiesen haben. Das sagt also diese Seite des Diagramms aus und hier sehen Sie 1 Sigma, 2 Sigma, jeder Forscher kennt Sigma als Standardabweichungen. Bei drei Standardabweichungen, hier, ungefähr 160 GeV sind ausgeschlossen, 160 GeV oder mehr, anderenfalls wären sie nicht in den Auswirkungen dieser Vektorbosonenmasse sichtbar gewesen. Es ist keine direkte Messung, sondern eine indirekte Messung. Auf dieser Seite des Diagramms verhält es sich ähnlich, außer in diesem gelben Bereich und dieser gelbe Bereich entsteht, denn wenn das Higgs-Teilchen nicht zu schwer ist, kann man es schaffen. Ein Teilchenbeschleuniger wie der LEP macht Messungen bis zu 200 GeV, es ist aber so, wenn das Higgs nicht schwerer als 140 GeV ist, mit einer Kombination von etwas anderem, könnte man es also schaffen. Wenn man also durch die Detektoren schaut, kann man die Wissenschaftler fragen: Es ist theoretisch bekannt, dass die Masse aus den Zerfallsprodukten berechnet werden kann. Die Wissenschaftler wissen also, wonach sie suchen müssen, aber sie sehen nichts, das heißt, dass das Higgs schwerer sein muss und irgendwo bei 140 GeV sein muss, denn wenn es leichter wäre, wäre es im LEP durch die direkte Produktion aufgespürt worden. Dieses Diagramm ist eine Kombination aus dem, was wir über direkte Produktion und indirekte Auswirkungen des Higgs durch die Higgs-Effekte auf die Vektorbosonenmasse wissen. Ich hoffe, ich habe das verständlich ausgedrückt. Sie können mich jederzeit unterbrechen und Fragen stellen, wenn Sie möchten. Sie haben ja gerade eh nichts anderes zu tun... d.h., welche beiden Elemente lässt man zusammenstoßen? Mit dem Wirkungsquerschnitt kann man hier nichts begründen. Diese Kurve, die blaue, entsteht, weil wir die Massen dieser Vektorbosonen messen können. Der gelbe Bereich zeigt an, wo das Higgs durch Kollisionen erzeugt wird. Und obwohl das ziemlich klein ist, kommt es nicht drauf an, denn sobald man es im Elektronenbeschleuniger entdeckt, ist es eine sehr gute Maschine. Der Wirkungsquerschnitt kann also sehr klein sein. Haben Sie hierzu noch Fragen? Es ist wirklich wichtig, dass Sie dieses Diagramm verstehen, es ist der Kernpunkt, ich nenne es den 1.000 Millionen Dollar-Plot, denn auf die Frage, was dieses Diagramm gekostet hat, antworte ich immer, dass er so viel gekostet hat, wie zwei Wochen Krieg in Afghanistan oder etwas ähnliches Unsinniges. Ja, Sie haben eine Frage. In einer ersten Annäherung erhält man bei mehr als einem Higgs eine Art Mittelwert von beiden und das Diagramm ist weiterhin gültig, es würde für das leichteste von ihnen gelten, bzw. wenn sie gleich schwer sind, ungefähr den Mittelwert. Das wäre ungefähr das Gleiche. Theoretisch kann man versuchen, einen Higgs-Sektor zu konstruieren, damit man das nicht berücksichtigen muss, aber das ist nicht so einfach, es gibt eine Grenze, schlichtweg, weil das Higgs eine Funktion hat. Man muss also etwas dämpfen, und wenn man die Funktion entfernt, dann explodiert etwas anderes. Das ist ziemlich sicher. Auf der rechten Seite habe ich die Kurve nicht weitergezeichnet, weil wir wissen, dass sich das Higgs nicht in diesem Bereich befinden kann. Warum kann es nun nicht in diesem Bereich sein? Es gibt eine Maschine im Fermilab, in der auch Protonen mit Protonen zusammengestoßen werden, und in einem Beschleunigerring werden Protonen mit Antiprotonen zusammengestoßen. Ich weiß eigentlich nicht, was sie dort derzeit kollidieren lassen, aber sie machen sehr präzise Messungen. Herausgekommen ist, dass es kein Higgs gibt, es ist empfindlich für schwere Higgs; warum, kann ich Ihnen nicht sagen, das ist kompliziert. Das Tevatron ist ein Teilchenbeschleuniger des Fermilab, der festgestellt hat, dass das Higgs dort nicht sein kann. Das Tevatron ist auch ein kompliziertes Gerät, das supraleitende Magnete enthält. Das Gerät ist nicht so groß wie das im CERN, kann also nicht so viel Energie wie das im CERN erzeugen, aber es ist eine gute Maschine und läuft sehr, sehr gut. Die Tevatron-Mitarbeiter versuchen, etwas über das Higgs herauszufinden und es einzugrenzen und produzieren im Grunde Daten, die am Ende von der Statistik abhängen, von denen das Ergebnis abhängt. Wenn sie das Experiment eine Woche durchführen, erhalten sie einen bestimmten Wert, diese Linie, wenn sie noch eine Woche weitermachen, wird diese Linie verschoben, sie werden empfindlich für sogar kleinere Higgs-Massen. Momentan ist das Tevatron, das sehr gut läuft, damit beschäftigt, diese Linie nach links zu verschieben. Der entscheidende Augenblick ist, wenn diese Linie diese Linie berührt. Sobald diese Linie diese Linie trifft, müssen wir feststellen, dass es dort kein Higgs gibt oder zumindest ist die Wahrscheinlichkeit seiner Existenz dort sehr gering. Die CERN-Mitarbeiter sind also etwas nervös und hoffen, dass die Fermilab-Leute nicht so schnell vorankommen, weil CERN diese Lücke finden soll, d.h. das Higgs zu finden, wenn es in dem Bereich existiert. Sie wollen natürlich nicht von Fermilab überholt werden. Andererseits wünschen die Fermilab-Leute CERN nur das Schlechteste, damit sie mehr Zeit haben, dieses Ding da hinüber zu bewegen. Für die Fermilab-Leute geht es um Statistik, sie müssen das Ding am Laufen halten und immer mehr Daten sammeln, damit sich diese Linie nach und nach nach unten bewegt. Hier ist der Abschnitt, der sich ungefähr im letzten Jahr nach unten bewegt hat, damit sie eine Vorstellung haben. Wenn man noch 2 Jahre wartet, bewegen sich diese Linien hier und vielleicht ist das Higgs dort und sie finden es, aber die CERN-Leute würden das nicht so gut finden, wenn Sie verstehen was ich meine ..., das ist der Konkurrenzkampf. Wenn wir uns noch mal dieses Diagramm anschauen, gibt es noch etwas anderes, das nie jemand anders macht, also sage ich es Ihnen. Was würde passieren, wenn es kein Higgs gäbe? Ich sagte ja schon, irgendwo wird etwas explodieren. Wie schlimm ist das? Können Sie sich vorstellen, was explodiert? Wenn man es sich genauer anschaut, sieht man, dass das was explodiert zum Beispiel Reaktionen sind, in denen zwei Vektorbosonen produziert werden. Es ist schwierig sie zu erzeugen, im LEP könnte man sie gerade noch herstellen, und wenn man sie produzieren kann, und dann immer noch die Experimente bei höheren Energien macht, und man kommt irgendwann an den Punkt, dass die Dinge explodieren und man kann sagen „das explodiert, es gibt kein Higgs“. Aber was passiert mit dem explodierenden Ding? Es muss ja etwas passieren. Man erhält eine Amplitude mit einer Wahrscheinlichkeit größer 1, das ist nicht möglich, es muss also etwas passieren. Aber dieses etwas, das passieren muss, geschieht an einer Stelle und an einem Ort des Sektors der Elementarteilchen, zu dem wir gegenwärtig keinen Zugang haben. Wenn sie also das Higgs hier nicht finden, müssen wir zu der Stelle gehen, zu der wir noch keinen Zugang haben, was mit einem Elektronenbeschleuniger durchgeführt werden müsste. Schon heute sucht man danach, wenn man weit genug schaut, sieht man am Horizont einen Elektronenbeschleuniger, der ausreichend Energie erreicht, um in diesen Bereich zu gelangen, in dem Teile explodieren, wenn das Higgs nicht dort ist. So sehen wir die Dinge in der Teilchenphysik. Aber ich denke, es wäre naiv, wenn man annimmt, dass das alles ist. Das Standardmodell ist ein kompliziertes Konstrukt, in dem das Higgs eine Rolle spielt, deshalb muss es da sein. So viel kann man sicher herleiten. Aber andererseits ist das Standardmodell kompliziert, es besteht aus vielen Teilchen mit Massen, von denen man nicht weiß, warum sie diesen bestimmten Wert haben. Es zwingt ein Gleichgewicht hinein, aber wir wissen nicht, warum das so ist. Deshalb ist es für jeden Theoretiker klar, dass wir weitermachen und das Standardmodell im Ganzen verstehen müssen, wo es herkommt. Aber niemand weiß das, niemand kann das sagen. Wir hoffen nur, dass, wenn der LHC mit diesen ganzen Reaktionen beginnt, eine Tür geöffnet wird, und uns etwas zeigen wird, vielleicht einen Hinweis, der uns verrät, warum das Standardmodell so ist, wie es ist. Das ist es was man will. Das sind die zwei Funktionen des LHC, Sie müssen wissen, dass es immer so in der Teilchenphysik war. Ich war im CERN, als sie eine Maschine mit 28 GeV in Betrieb nahmen, im Vergleich zu dieser Maschine mit 7.000 oder 14.000, stellen Sie sich diesen enormen Schritt vor, den wir in den letzten 50 Jahren gemacht haben, von 24 auf 14.000. Jedenfalls war ich dort und ich kann Ihnen versichern, wir hatten keine Ahnung, als wir die Maschine endlich in Betrieb nahmen, haben wir nie so merkwürdige Dinge gesehen, aber man hat immer mehr verstanden von der Sache, nach und nach tauchte ein Bild auf, wir haben nach einer Weile über Quarks gelernt und das hat unseren Blick verändert. Und dann lernten wir allmählich die Wechselwirkungen kennen und entwickelten letztendlich das Standardmodell, auch mithilfe anderer Maschinen, aber diese Prozesse wurden alle Schritt für Schritt realisiert. Nicht alle Entdeckungen in der Teilchenphysik wurden von heute auf morgen gemacht. Nein, es geht stufenweise und man muss die Abläufe im Detail verstehen, nur so kommt man voran. Das gilt nicht nur für Teilchenphysik, sondern für die Wissenschaft im Allgemeinen. Wissenschaftliches Arbeiten ist allgemein nur für jemanden etwas, der beharrlich ist und solange weiter macht, bis er wirklich alles versteht. Was wir im LEP derzeit sehen, ist unsere Ausgangsposition. Aber es weiß natürlich niemand etwas, da wir uns auf ein Gebiet wagen, von dem wir absolut nichts wissen. Niemand hat jemals Teilchen gesehen, die aus so einer solchen Energiekollision entstanden sind. Wir können nur raten, wir erweitern also die aktuell gültige Theorie, was nicht perfekt ist. Außerdem ist die aktuelle Theorie nicht vollständig, es fehlt ja noch das Higgs. Man muss das also wie 2 separate Fakten betrachten. Zunächst ist da das Higgs, das wir suchen und ich persönlich hoffe, dass wir es niemals finden, denn dann weiß man zumindest, wo man nachsehen sollte, wo man anfängt zu hoffen, vielleicht läuft einiges falsch, wenn es kein Higgs gibt. Das ist die eine Sache, aber andererseits muss man berücksichtigen, dass dies die zehnte Maschine in einer Serie von Maschinen ist, die ab 1930 in Betrieb genommen wurden und die eins nach dem anderen ans Licht brachten. Das gehört zum Fortschritt, mit neuen Mikroskopen können wir immer kleinere Distanzen beobachten. Jetzt möchte ich noch eine andere Sache erläutern, etwas, das nicht allgemein anerkannt ist, das nur infrage kommt, wenn man davon ausgeht, wie ich es tat, dass es kein Higgs gibt. Wissen Sie, der durchschnittliche Teilchenphysiker verweigert es, darüber nachzudenken, was wäre, wenn es kein Higgs gäbe, niemand denkt darüber nach, das ist eine fürchterliche Sache und ist so, als würde man annehmen, dass es kein Morgen gäbe, ich weiß nicht, sie machen es nicht, weil es eine Theorie ist, die nicht vollständig ist und man fühlt sich schlecht, die Leute wissen nicht, wodurch sie es ersetzen sollen. Aber ich möchte, dass Sie, mein Publikum, verstehen, worum es geht und dann ruhig und gelassen die Daten anschauen und sagen: Ich stelle die nächste Frage: Ich sehe auf der Skala keinen Punkt, der keinem Higgs entspricht, man plottet hier die Masse des Higgs. Man könnte sagen, kein Higgs, wenn das Higgs eine unendliche Masse hat, wenn ein Teilchen unendliche Masse hat, schafft man es nie und man kann genau so gut sagen, dass es nicht da ist. Man könnte also sagen, der Punkt, wo kein Higgs ist, ist irgendwie hier hinter dem Flügel. Das ist eine Art, es zu betrachten und eine Art, das Problem theoretisch anzugehen aber es passiert noch etwas anderes in diesem besonderen Fall. Ich erwähnte, dass dieses Diagramm auf der Beobachtung von neutralen und geladenen Vektorbosonen sowie auf der präzisen Messung ihrer Masse basiert. Und diese Massen werden beeinflusst, weil die Vektorbosonen einen kurzen Moment lang in ein Higgs übergehen können und ein Vektorboson und dann rekombinieren, die Quantenmechanik macht es möglich. Dadurch wird die Masse leicht korrigiert. Und dann kommt die Frage: Und sonst noch? Wenn es kein Higgs gibt, würde es diese Korrekturen dort nicht geben. Das sieht also ganz anders aus als dies hier. Wo wären wir, wenn es kein Higgs gäbe, welche Massen hätten die Vektorbosonen, wenn es kein Higgs gäbe? Wenn es solche Korrekturen nicht geben würde, muss das ein Punkt auf diesem Diagramm sein, wie sieht das Diagramm aus, wenn kein Higgs existiert? Verstehen Sie, was ich meine? Diese Korrekturen hier hängen vom Higgs ab, von bestimmten Dingen und daher bestimmt diese Größe dieses Diagramm. Jetzt möchte ich Ihnen noch etwas sagen, mal angenommen, diese Korrekturen gibt es nicht. Wie würde das Diagramm weiter verlaufen? Das wird ein bestimmter Punkt sein und den kann ich Ihnen verraten. Hier ist der Punkt, wenn kein Higgs existiert, ist dies der Punkt, an dem es keine Korrekturen an dieser Vektorbosonenmasse gibt. Und Sie wissen ja, es ist der Punkt der größten Wahrscheinlichkeit, denn der Tiefpunkt bedeutet je tiefer, desto größer die Wahrscheinlichkeit und je höher, desto kleiner die Wahrscheinlichkeit. Also wenn man sich das anschaut, würde ich sagen „der LEP hat uns doch bereits gezeigt, dass es kein Higgs gibt, es gab dort nichts, das ist doch ein Bluff.“ Das bringt mich zu der Annahme, dass es kein Higgs gibt. Es ist ein präziser Schuss in die Mitte und scheint wie ein Wunder, natürlich könnte diese Linie überall sein, aber ich habe mich eingehend mit der Theorie befasst, ich habe diese Korrekturen entfernt und mich gefragt, was dann herauskommen würde und das würde dabei herauskommen. Meine Schlussfolgerung daraus lautet, ich würde wetten, dass die Wissenschaftler nichts finden werden, um diese Lücke zu füllen, denn die Wirklichkeit ist, dass kein Higgs existiert. Aber das wollen sie nicht hören, sie wollen ein Higgs finden, dies der Presse verkünden und dann 25 Nobelpreise oder so gewinnen, so hoffen sie. Ich denke, so wird es laufen, und Sie hier gehören zu den Ersten, die einen kleinen Einblick in die Zukunft gewonnen haben. aber das Verhältnis der Vektorbosonenmasse sähe so aus, dass man an einen Punkt gelangt, es wäre ein Punkt, es hängt nicht mehr von der Higgsmasse ab. Das ist die Messung, die Messung verfolgt genau den Pfad der geringsten Menge an Sigma. Wenn man sich dieses Diagramm anschauen würde und eine Vorhersage in Bezug aus das Higgs machen müsste, würde ich nicht zögern, zu sagen, dass es keins gibt. Wenn es nun aber ein Higgs von ca. 140 GeV geben würde, wäre es irgendwo hier, aber das ist auf Korrekturfaktoren zurückzuführen, die man elektronisch berechnen kann und die fehlen, wenn es kein Higgs gibt. Verstehen Sie das? Hat noch jemand eine Frage? die in diesem Diagramm angezeigt werden? Wir haben also, noch mal, diese Vektorbosonen, die man erzeugen kann, die wir im LEP erzeugt haben und deren Masse kann man messen. Und die Massen, die man erhält, Sie kennen sie, man hat dann das Verhältnis dieser Massen, das ergibt sich aus der Theorie. Und es gibt Korrekturen dazu, die von dem Higgs abhängig sind. Wenn es kein Higgs gibt, gibt es keine Korrekturen. Wenn es ein Higgs gibt, gibt es eine Korrektur. Das erste Diagramm hat gezeigt, wie man herleiten kann, wenn man die Korrektur beobachtet, weil man davon dann die Higgsmasse herleiten kann...

Martinus Veltman (2010)

The Development of Particle Physics (Lecture + Discussion)

Martinus Veltman (2010)

The Development of Particle Physics (Lecture + Discussion)

Abstract

Particle physics mainly developed after World War II. It has its roots in the first half of the previous century, when it became clear that all matter is made up from atoms, and the atoms in turn were found to contain a nucleussurrounded by electrons. The nuclei were found to be bound states of neutrons and protons, and together with the idea of the photon (introduced by Einstein in 1905) all could be understood in terms of a few particles, namely neutrons, protons, electrons and photons. That was the situation just before WW II.

During WW II and directly thereafter information on the particle structure of the Universe came mainly through the investigation of Cosmic rays. These Cosmic rays were discovered by Wulf (1909) through measurements on the top of the Eiffel tower and Hess (1911) through balloon flights. It took a long time before the nature of these cosmic rays became clear; just after WW II a new particle was discovered by Conversi, Piccioni and Pancini. This particle had a mass of 105.65 MeV (compare the mass of the electron, 0.511 MeV and the mass of the proton, 938.272 MeV). The development of photographic emulsions led in 1947 to the discovery of another particle, the charged pion (mass 139.57 MeV), by Perkins. In subsequent years yet more particles were discovered, notably the K-mesons and the "strange baryons" such as the Lambda (mass 1115,683 MeV). Gradually the phenomenology of all these particles developed, new quantum numbers were invented and classification schemes developed. At the same time, the development of new devices and methods greatly furthered the knowledge of elementary particles. The most important of these are the particle accelerators, the cyclotron and developments thereoff, and the detection instruments such as bubble chamber and spark chamber.

In the beginning sixties Gell-Mann and Zweig came up with the idea of elementary constituents called quarks. These quarks did have unusual properties, the main one being that they did have non-integer charge, in contrast to all particles known at the time that did have integer charge (such as the electron and muon with a charge of -1). For this reason the quarks were not immediately accepted by the community. In addition, as we know now, they can only occur in certain bound states such that the charge of these bound states is integer. Thus the quarks by themselves are confined to bound states. The reason for this confinement became clear much later, around 1972.

The theory of the forces seen to be active between these particles is quantum field theory (QFT), a theory of such complexity that its development stretched over many years. Around 1930 Dirac, Heisenberg and Pauli formulated the foundations of QFT, but it was soon discovered that the theory as known then was very defective, giving rise to infinite answers to well defined physical processes. Fermi was the first to apply QFT to weak interactions, notably neutron decay. The theory developed by Fermi was a perturbation theory, with answers given in terms of a power series development with respect to some small constant, the coupling constant. The lowest order approximation of Fermi's theory was quite successful, but any attempt to go beyond the lowest order met with failure. In any case, Fermi's theory involving the then hypothetical neutrino postuled by Pauli, was successful enough to cement acceptance of that particle.

A breakthrough was due to Kramers, who already before WW II discovered that QFT implied certain corrections to the atomic spectra. Experiments by Lamb actually measured such corrections (Lamb shift), and Kramers ideas found acceptance by the community. In addition, Kramers introduced the idea of renormalization, a procedure whereby the infinities of QFT were localized, and where outside these isolated parts perfectly precise calculations could be done. Feynman, Schwinger and others took up these ideas and developed the QFT of electromagnetic interactions, allowing very precise calculations of the Lamb shift and other corrections, commonly called today radiative corrections. These developments, including very successful experimental confirmations, took place around 1948.

The development of QFT of the weak interactions was very difficult and lasted till aout 1971. A new idea, the interplay of forces arranged in a very careful manner such as to avoid the occurrence of infinities, was developed. This is known under the name of gauge theories. In such a theory there is a multitude of forces and particles such that all irreparable bad features cancel out. Thus the theory thereby predicted the existence of certain new particles, necessary to complete the complex structure of balancing infinities. The actual discovery of these particles, notably the Z0 and the charmed quark, topped by the discovery of the top quark in 1995, has firmly established the gauge theory of weak interactions.

The strong interactions, the forces responsible for the interactions between quarks and notably supposedly responsible for quark confinement, profited from the development of gauge theories. In the wake of the gauge theory of weak interactions also a gauge theory of strong interactions was formulated and investigated. An important step was taken with the establishment of asymptotic freedom for the gauge theory of strong interactions. By 1980 the Standard Model of Weak, em and strong interactions was settled; the Higgs sector of that model remains still to be tested, which hopefully will be done at least partially using the new machine L(arge) H(adron) C(ollider) at CERN, now running.

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