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13.12.11 · 19:00 Uhr
Die Suche nach dem Higgs-Teilchen endet 2012
Kategorie: Naturwissenschaften · Kommentare: 34
Zuerst machten Gerüchte die Runde: Die Entdeckung des lang gesuchten Higgs-Teilchens steht kurz bevor. Am 13. Dezember wollen die Physiker am CERN dieses großartige Ergebnis verkünden. Ziemlich schnell erklärten CERN und die beteiligten Physiker aber: Es ist noch zu früh. Wir haben noch nicht genug Daten.. Trotzdem wurde das Seminar, das heute am europäischen Kernforschungszentrum CERN stattfand, von aller Welt beobachtet. Auch wenn nicht mit dem großen Durchbruch zu rechnen war, waren doch alle gespannt auf die Präsentation der Daten, die in den letzten Jahren gesammelt wurde. Was gezeigt wurde, war vielversprechend!
Seit 2009 läuft der Teilchenbeschleuniger LHC nach Plan und hat bis heute knapp eine Billiarde Teilchenkollisionen aufgezeichnet. Das haben die beiden großen Detektoren ATLAS und CMS erledigt. Beide Teams arbeiten unabhängig voneinander und sind auf der Suche nach dem Higgs-Boson. Dieses Elementarteilchen ist das letzte, das den Wissenschaftlern in ihrem Standardmodell der Teilchenphysik noch fehlt. Das Higgs-Boson wurden Ende der 1960er Jahre von einer Gruppe von Wissenschaftlern postuliert um zu erklären, warum die verschiedenen Teilchen verschiedene Massen haben. Bis jetzt war es allerdings nicht möglich, die Existenz des Higgs-Teilchens nachzuweisen. Wenn man es findet, dann wäre es ein Triumph für die theoretische Physik und die Krönung einer der erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorien überhaupt. Kann man dagegen zeigen, dass es nicht existiert, ist das fast ebenso revolutionär. Denn das bedeutet, dass man mit der aktuellen Theorie einen wesentlichen Aspekt der Natur falsch verstanden hat und sich etwas fundamental Neues ausdenken aus - was zu ebenso fundamental neuen Erkenntnissen führen wird. Es ist also nicht verwunderlich, wenn die Physiker dieser Welt (und mit ihnen die Medien) gespannt darauf warten, was die Forscher am LHC für Daten präsentieren.
Heute Nachmittag war es soweit. Fabiola Gianotti hat die Daten des ATLAS-Teams präsentiert und Guido Tonelli die des CMS-Detektors (wer möchte kann sich ihre Folien hier runterladen). Die wesentlichen Diagramme sind diese beiden hier:
Die beiden Bilder brauchen vielleicht ein wenig Erklärung (und ich bin einfach mal so frei, die Erklärung zu kopieren, die ich für diesen Beitrag geschrieben habe). Auf der x-Achse ist die Masse aufgetragen (in der bei Teilchenphysikern üblichen Einheit Elektronenvolt/c²). Man weiß nämlich nicht, welche Masse das Higgs-Boson hat. Man kann nur vorhersagen, wie es sich - je nach Masse - verhalten wird. Diese Vorhersagen findet man im Diagramm. Sollte das Higgs-Teilchen existieren und am LHC erzeugt werden, dann wird es nicht stabil bleiben, sondern gleich wieder zu anderen Teilchen zerfallen. Wie das passiert, hängt von der Masse ab. Es gibt also eine gewisse Erwartung, wie sich die Zerfallsprodukte bei den Teilchenkollisionen verhalten müssen, wenn das Higgs existiert. Diese Erwartung wird mathematisch durch die "cross section" ausgedrückt die man im Experiment misst und dann sie mit der Erwartung aus der Theorie vergleicht. Das Messergebnis wird durch die Erwartung dividiert und diese Zahl ist auf der y-Achse aufgetragen. Der Wert ist so normiert, dass man mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit davon ausgehen kann, dass das Higss nicht existiert, falls er kleiner als 1 ist. Die schwarzen Punkte sind die Messwerte, die für die verschiedenen Massen erhalten wurden. Überall dort, wo die schwarze Punkte unter der Linie landen, entsprechen die Zerfallsprodukte also nicht denen, die man erwarten würde, wenn es das Higgs-Teilchen gäbe. Dort kann man das Higgs also ausschließen. Dort wo die Messwerte über der Linie landen, sieht es vorerst so aus, als könnte das HIggs existieren. Allerdings darf man nicht vergessen, dass man es hier mit Statistik und Wahrscheinlichkeiten zu tun hat. Je mehr Kollisionen man inkludiert, desto genauer werden die Ergebnisse. Die Kurve kann sich also noch ändern, wenn mehr Daten berücksichtigt werden und dann könnten die Messwerte unter die Linie fallen. Wie wahrscheinlich es zur Zeit ist, dass die Datenpunkte auf eine echte Entdeckung hindeuten und keine statistischen Schwankungen sind, geben die farbigen Bänder an. Fallen die Datenpunkte mit der gepunkteten Linie zusammen, dann könnte man die Messergebnisse auch ganz ohne Higgs erklären. Die Zerfallsprodukte könnten dann von schon bekannten Teilchen stammen (die ebenfalls instabil sind und zerfallen). Weichen die Messwerte aber von der gepunkteten Linie ab, dann ist das ein Zeichen dafür, dass man es mit einem unbekannten Teilchen zu tun hat. Je größer die Abweichung, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Effekt echt ist. Liegen die Messwerte im grünen Band, dann muss das noch nicht viel bedeuten. Die Chance, dass man sich irrt und anstatt eines neuen Teilchens hier nur eine statistische Variation sieht, beträgt fast 32 Prozent. Etwas besser ist es im gelben Bereich. Befindet sich ein Messwert am äußeren Ende des gelben Bandes, dann beträgt die Chance eines Irrtums nur noch 4,5 Prozent. Das ist ein deutlicher Hinweis, dass man weiter suchen soll. Aber leider noch keine Bestätigung einer Entdeckung. Dazu muss die Abweichung zwischen der Erwartung und dem Messwert wirklich groß und die Wahrscheinlichkeit eines Irrtums muss weniger als 0,0002 Prozent betragen. Erst erreicht man den Bereich, wo man es in Erwägung ziehen kann, eine Entdeckung zu verkünden.
Wie sieht es also nun aus mit dem Higgs? Fangen wir mit den Ergebnissen des ATLAS-Teams an. Dort zeigt sich, dass ein Higgs-Teilchen im Bereich zwischen 115-130 GeV existieren kann. Bei etwa 125 GeV sieht man einen deutlichen Überschuss, die Messwerte liegen klar über der schwarzen Linie und außerhalb des grünen/gelben Bandes. Bei den Daten des CMS-Teams kann das Higgs im Bereich zwischen 115 und 127 GeV existieren und man sieht einen Überschuss in der Nähe von ca. 124 GeV. Die Daten, die von den zwei unabhängigen Teams und den zwei verschiedenen Detektoren gewonnen wurden, stimmen also gut überein. Was sagt das nun über die Existenz des Higgs-Teilchens aus?
Noch nichts konkretes, leider. Der Überschuss bei 124-125 GeV kann ein Zeichen dafür sein, dass das Higgs-Teilchen existiert und diese Masse hat. Es kann sich aber auch um statistische Fluktuationen handeln die verschwinden, wenn man mehr Daten inkludiert. Noch hat man nicht die nötige statistische Sicherheit erreicht. Aber die Ergebnisse zeigen, dass man sich auf dem richtigen Weg befindet und das Ziel in Reichweite ist. Das Higgs kann sich nicht mehr lange verstecken. ATLAS und CMS haben seine Existenz für eine großen Bereich an möglichen Massen ausgeschlossen und nur ein kleines Intervall bleibt noch übrig. Mit den Daten, die 2012 am LHC gewonnen werden, wird man das Higgs in diesem Intervall entweder definitiv nachweisen können. Oder man zeigt, dass es auch hier nicht existieren kann. So oder so, nächstes Jahr werden wir eine Antwort darauf bekommen, ob das Higgs-Teilchen existiert oder nicht! Und egal wie die Antwort ausfällt: Sie wird uns dabei helfen, die Natur besser zu verstehen als das jetzt der Fall ist!
Autor: Florian Freistetter· 34 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
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Kommentare (34)
Background fluctuations sind nur statistische Schwankungen? Oder sind das die diversen Teilchen, die noch entstehen? (Hoffentlich ist die Frage nicht zu dumm)
@Theres: "Background fluctuations sind nur statistische Schwankungen? Oder sind das die diversen Teilchen, die noch entstehen? (Hoffentlich ist die Frage nicht zu dumm) "
Nein, die Frage ist gar nicht dumm. Teilchenzerfälle sind statistische Ereignisse. Vergleich es mit dem Werfen einer Münze. Wenn du sehr viele Münzen wirft, ist die Chance groß, dass du 50% Kopf und 50% Zahl hast. Je weniger Würfe, desto mehr kann es schwanken. Bei 10 Würfen kannst du durchaus auch mal 10 mal Kopf dabei haben. Oder bei 100 Würfen 95 mal Zahl. Kann vorkommen. Genauso ist es bei den Teilchen. Die können nach Schema A zerfallen oder B oder C oder ... Bei der Messung sehr vieler Zerfälle sollte man im Schnitt die durchgezogene Linie kriegen. Wenn die Messergebnisse abweichen, dann entweder, weil da ein neues Teilchen ist. Oder weil halt zufällig 10 mal Kopf gekommen ist ;) Wenns wirklich nur Schwankungen sind, dann sollte der Überschuss kleiner werden, je mehr Daten hat man hat. Ist es dann Higgs, dann wird er größer.
Die Frage hat sich jetzt erledigt ... :)
Also scheint 2012 doch ein besonders Jahr zu werden . *schnellwiederverschwind*
Ups,
danke für die Antwort, Florian, das ging überkreuz!
Etliche Teilchen zerfallen ja auch noch ähnlich, und das hatte ich beim Stellen der Frage vergessen ... deine Erklärung lässt nur die Frage offen, ob es 2012 endlich klappt :)
@Theres: "deine Erklärung lässt nur die Frage offen, ob es 2012 endlich klappt :) "
Ja, also da sind sich alle Physiker einig, die ich bisher dazu gehört habe. 2012 wird man genug Daten haben, um das Higgs zu finden oder seine Existenz auszuschließen.
Es hat lange genug gedauert, so gesehen. Dann hat aber nichtschonwieder Recht ... und es wird spannend, sehr.
Warum müsste man sich etwas "fundamental Neues" ausdenken, wenn das Higgs doch widerlegt würde? Der Teil des Standardmodells mit Photon, Gluon, W/Z-Bosonen ist doch weiterhin richtig, oder?
haben denn wohl schon einige theoretischen physiker einen plan b in der schublade für den fall, dass sich die idee mit dem higgs teilchen als falsch herausstellt?
Alternative wäre die Strang-Theorie (im Gegensatz zur abstrusen String-Theorie). Die kommt ohne neues Teilchen aus.
Genauer habe ich mir das aber auch noch nicht angeguckt.
@pluke: Es gibt Modelle ohne fundamentales Higgs, siehe hier: http://en.wikipedia.org/wiki/Higgsless_model , wobei die mir bekannten (Technicolor, zusätzliche Dimensionen, Top Quark Kondensat) alle im Endeffekt auch wieder den Higgs-Mechanismus verwenden, nur ist dort das Higgs-Teilchen eben kein elementares Teilchen, sondern aus anderen Teilchen zusammengestzt, oder es ist eine zusätzliche Komponente (aus der zusätzlichen Dimension) eines bekannten Feldes. Aber, wie gesagt, der Mechanismus ist derselbe und man müsste zumindest etwas Higgs-artiges finden. Mir ist nicht bekannt, ob es eine fundamental andere Idee gibt, wie man (renormierbar) massive Eichbosonen beschreiben kann.
@Simpson: Der Photon/Gluon- Teil wäre wohl weiterhin richtig, aber die W/Z-Bosonen sind massiv und für die Beschreibung dieser Masse ist das Higgs-Boson vor allem notwendig.
@Simpson, Nachtrag: Innerhalb des Standardmodells kommt das masselose Photon auch aus dem Higgs-Mechanismus. Was man ohne Higgs neu erklären müsste ist die schwache Wechselwirkung, die bisher mit der elektromagnetischen zur elektroschwachen zusammengefasst wird. Man könnte aber die QCD (starke WW) und die QED (elektromagnetische WW) alleine beibehalten. Bisher ist man aber ganz glücklich darüber, dass man QED und schwache WW zusammen beschreiben kann und will das nach Möglichkeit behalten.
Aber momentan sieht es ja auch so aus, als würde das alles so passen. Eigentlich schade...
Lieber Florian Freistetter,
ich hätte da eine Nachfrage. In deinem Blog-Eintrag schreibst Du
"Sollte das Higgs-Teilchen existieren und am LHC erzeugt werden, dann wird es nicht stabil bleiben, sondern gleich wieder zu anderen Teilchen zerfallen"
Bis gerade eben dachte ich, dass das Higgs-Teilchen nicht in andere Teilchen zerfallen kann, weil es ein Elementarteilchen ist (bzw. sein soll) und als solches eben nicht in kleinere Strukturen zerlegbar ist - hab ich da etwas falsch verstanden?
Vielleicht hast Du ja Zeit zu antworten und weißt eine Erklärung, die Nicht-Physiker verstehen :-) ?
Beste Grüße
Gianna
@Simpson: "Der Teil des Standardmodells mit Photon, Gluon, W/Z-Bosonen ist doch weiterhin richtig, oder? "
Ja, aber das SM kann nicht erklären, warum das Photon keine Masse hat, Gluonen und W/Z-Bosonen aber schon. Laut SM müssten sie alle masselos sein. Erst das Higgs-Feld löst das Problem. Wenn das nicht existiert, muss man sich was anderes ausdenken.
@pluke: "haben denn wohl schon einige theoretischen physiker einen plan b in der schublade für den fall, dass sich die idee mit dem higgs teilchen als falsch herausstellt? "
Klar, die Theoretiker haben Theorien zuhauf. Bis jetzt scheint aber das Higgs-Feld am wahrscheinlichsten.
@John: "Alternative wäre die Strang-Theorie (im Gegensatz zur abstrusen String-Theorie). Die kommt ohne neues Teilchen aus. Genauer habe ich mir das aber auch noch nicht angeguckt."
Wieso ist die Stringtheorie abstrus? Und was um Himmels Willen soll die "Strang Theorie" sein?
@Gianna: "Bis gerade eben dachte ich, dass das Higgs-Teilchen nicht in andere Teilchen zerfallen kann, weil es ein Elementarteilchen ist (bzw. sein soll) und als solches eben nicht in kleinere Strukturen zerlegbar ist -"
Ja, das ist ein Mißverständnis das aus dem Wort "zerfällt" kommt. Sollte man nicht verwenden. Wenn Physiker davon sprechen, dass ein Teilchen zerfällt, dann meinen sie damit nicht, dass es sich in kleinere Bestandteile aufspaltet. Zumindest bei Elementarteilchen kann das ja nicht der Fall sein. Damit ist eher eine Umwandlung gemeint. Masse und Energie sind ja austauschbar (E=mc²). Und bei instabilen Teilchen führt das dazu, dass aus der Energie, die ihrer Masse entspricht, neue Teilchen entstehen können.
"Und was um Himmels Willen soll die "Strang Theorie" sein? "
Naja wenn der String zwickt wird er zum Strang....
Sorry for OT
@Florian
> @Theres: "deine Erklärung lässt nur die Frage offen, ob es 2012 endlich klappt :) "
>
> Ja, also da sind sich alle Physiker einig, die ich bisher dazu gehört habe. 2012 wird man
> genug Daten haben, um das Higgs zu finden oder seine Existenz auszuschließen.
Zumindest, wenn der LHC wie geplant laufen wird, und die anvisierte (gesteigerte) Luminosität (das entspricht ungefähr der Menge der Teilchen die pro Zeit zur Kollision gebracht werden) erreicht wird. Nur in diesem Fall dürften die Daten von 2012 gerade ausreichen um ganz knapp die "5 sigma" Signifikanz zu knacken, wenn das Higgs-Boson eine Masse zwischen 115 und 126 GeV hat.
Andererseits ist der LHC (wenn er denn gelaufen ist) bislang seinen Erwartungen mehr als treu geblieben.
Wieso zerfällt das Higgs Teilchen im Experiment überhaupt?
Die Higgs Teilchen/Feld in der "Natur" zerfällt ja auch nicht!?
Nichtmal google kennt die strang-theorie, strange. Trotzdem ist die string theorie irgendwie strange ... alleine die sache mit den aufgewickelten dimensionen verstehe ich irgendwie nicht. Liegt aber viellicht auch an lesch der mir das im netz verzellt hat und ich - unwissende - war da wohl nicht die einzige.
Frag mich ehrlich gesagt auch, was die String-Theorie in den Bereich des abstrusen draengen sollte. Gut... letztlich ist alles eine Frage der Falsifikation (und bei manchen offenkundig auch eine der persl. Vorliebe ^^), aber letztlich sind diese Theorie und jene zur Schleifenquantengravitation doch sattsam fundiert (was nicht impliziert, dass sie stimmen). Letztere gefaellt mir, da sie elegant das Problem etwaiger Singularitaeten ausklammert - aber vllt. bin ich auch zu konservativ *g*
sorry fuer ot
@Florian: Kleine Korrektur: Gluonen sind masselos, nur W- und Z-Bosonen bekommen durch den Higgsmechanismus ihre Masse.
@Manea-K:
Präziser: Im Standardmodell sind Gluonen masselos.
Experimentelle Bestätigung gibt es dafür noch nicht.
@ gotchi
"strand model" - Ist es vielleicht das? Vertippten tut man sich leicht einmal.
(siehe hier: http://www.motionmountain.net/motionmountain-volume6.pdf )
Das wird meine gute- Nacht- Lektüre.
@Florian
Hey, dein Blog ist auf http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=backlinks verlinkt.
Wie wäre es mit einer Wette hier bei SB, sozusagen ein "Higgs-Toto"? Jeder kann tippen, wie schwer das Teil am Ende sein wird, wer am nächsten dran ist, hat gewonnen.
@Die Chris: "die sache mit den aufgewickelten dimensionen verstehe ich irgendwie nicht. " Hilft das? http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/09/was-sind-dimensionen.php
@ Tom:
"Wieso zerfällt das Higgs Teilchen im Experiment überhaupt?
Die Higgs Teilchen/Feld in der "Natur" zerfällt ja auch nicht!?"
Zunächst einmal sind Experiment und Natur das Gleiche. Im Experiment werden nur gewisse (natürliche) Bedingungen kontrolliert hergestellt, damit die physikalischen Vorgänge präzise vermessen werden können.
Das Higgs-Boson zerfällt also im Experiment genauso schnell, wie in der "Natur".
Man muss immer aufpassen, das Higgs-Boson, welches am LHC gesucht wird und das irgendwann zerfällt nicht mit dem Higgs-Feld zu verwechseln, welches an die W- und Z-Bosonen und die Fermionen koppelt und diesen Masse verleiht.
Das Higgs-Feld "zerfällt" natürlich nicht sondern ist immer und überall vorhanden.
Viele Grüße
@ Florian
Ja aber die Wahrscheinlichkeit, dass man 95 oder mehr mal Zahl erhält (also maximal 5 mal Kopf) bei 100 versuchen und fairer Münze, beträgt, wenn ich mich nicht vertan hab
( Summe_( von k=0 bis 5) ( 100 über k) / 2^100 )
= 1/(2^100)+ 100/(2^100)+4950/(2^100)+ 161700/(2^100)+ 3921225/(2^100)+ 75287520/(2^100)
also rund 6.3 × 10^-23
Also viel unwahrscheinlicher als die 0,0002 Prozent Unsicherheit die man bei der Entdeckung von Higgs zulassen würde ;D
Eine der spannenderen Beobachtungen ist aber doch, das 125 GeV einen Grenzfall für die Anhänger der Susy darstellt. Irgendwo in dieser Gegend gibt es wohl einen Treshold bei dem Probleme mit der Vakuumstabilität der Theorie auftreten (glücklicherweise ist das Vakuum ja nun schon einige Jahrmilliarden nicht zerfallen was eine gewisse Grenze für seine Halbwertszeit setzt leider aber wohl nicht für die Weltuntergangspropheten :-) Diese Probleme sind wohl am einfachsten durch vergleichbar leichte Susy Teilchen zu beseitigen so dass man eine gewisse Evidenz für Supersymmetrie bei niedriger Hihhs Masse hätte. Wenn ich es richtig verstehe liegt 125GeV gerade so dicht an der Kante das man dazu jetzt noch nichts genaues sagen kann. Immerhin dürfen so die Anhänger der Supersymmetrie (und damit auch die der Stringtheorie welche eigentlich nur zusammen mit der Susy 'so richtig funzt') wohl noch hoffen - liegt die Masse bei 130GeV so wäre mit LHC - ( und wohl auch viel höheren Energien ) wohl kaum noch je eine Hoffnung ein Susy Teilchen zu sehen, und eine experimentelle Evidenz für die Supersymmetrie in weite Ferne gerückt.Die ist aber eine wohl noch viel spannendere Sache als das Higgs und wie schon gesagt: 125 GeV +- x lässt das weiterhin offen.
P.S. Findet nicht jeder nicht abstrus denkende der sich erstmals mit Stringtheorie beschäftigt selbige 'abstrus'?
@Theres
Wie bitte? Ich hab nie was gesagt von 'strange' oder 'strand' oder dergleichen, sondern einzig ins Feld gefuehrt, dass ich Polemik angesichts vielversprechender Theorien (gefuehrte Beipiele meinerseits waren "String" & "Schleifenquantengrav." - sonst nichts) fuer unangebracht halte. Also eigentlich das Gegenteil des Posters, der irgendwas hinsichtlich "strang" oder sonstigem konfabulierte. ;)
Wieder einmal eine schöne Erklärung, Danke Florian!
Wie schön mal so etwas lesen zu können. In den Massenmedien (haha!) muss ich ständig was von "Gottesteilchen" lesen und komme aus dem Kopfschütteln nicht mehr heraus!
Beschreibt 125 GeV quasi nicht auch die Masseenergie-
dichte dieses Teilchens, die es so zu einem Ort macht ?
Wenigstens kann man sich dann Weihnachten 2012 Happy Higgs-Mass wünschen :D:D
@H.M.Voynich: Stimmt schon, aber die QCD als ganze ist bei hohen Energien recht gut getestest, das spricht dafür, dass ihre Voraussetzungen stimmen.
Weißt Du eine Möglichkeit wie man das prinzipiell überhaupt testen könnte? Unter der Annahme, dass die QCD korrekt ist, fällt mir beim besten Willen nichts ein, weil man sie dann ja nicht einzeln beobachten kann.