onestoneblog

Ernsthafter Spass – Serious Fun

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens

Zur Zeit lese ich im Rahmen eines Buchclubs „Die Vermessung des Universums“ von der amerikanischen Physikerin Lisa Randall. Es geht um moderne Grundlagenforschung und auch ein wenig Wissenschaftstheorie. Ein Hauptthema ist der Large Hadron Collider (LHC), der vor allem durch die Suche nach dem Higgs-Teilchen und der damit verbundenen Frage, warum Teilchen überhaupt eine Masse haben,  einer breiteren Öffentlichkeit bekannt geworden ist, obwohl dies nur ein Forschungsziel unter vielen ist.

Inzwischen wurde das Higgs-Teilchen tatsächlich gefunden, und da das Kapitel dazu nur in den aktuelleren Auflagen des Buches zu finden ist, habe ich dieses für die anderen Leser zusammengefasst, die ein älteres Exemplar haben. Und weil in letzter Zeit abgesehen von meinen bescheidenen Zeichnungen ohnehin wenig auf diesem Blog erschienen ist und dieser Text auch ohne den Rest des Buches zu kennen von Interesse sein könnte, habe ich mich entschlossen, ihn hier auch zu veröffentlichen. Bei der FAZ habe ich eine Rezension gefunden, dem Fazit dort würde ich bisher durchaus zustimmen, ich habe es aber noch nicht ganz fertig gelesen, der rote Faden wird aber wohl auch in den letzten Kapiteln nicht mehr auffindbar sein.

 

Zusammenfassung

Diese Woche stand das als Anhang in den neueren Auflagen des Buches beigefügte Zusatzkapitel auf dem Programm, das in der deutschen Ausgabe den Titel „Die Higgs-Entdeckung. Die Macht des leeren Raumes.“ trägt.

Wie immer beginnt Lisa Randall mit einer persönlichen Anekdote, sie war am 4. Juli 2012 gerade auf Urlaub in Griechenland, wo sie die offizielle Bekanntgabe der Entdeckung des Higgs-Teilchen erreichte, aber kurz darauf die Internetanbindung in die Knie ging.

Einige Tage später sollte sie bei einem Radiosender über die Entdeckung sprechen, und wollte allgemeinverständliche Worte finden, nachdem Dennis Overbye in der New York Times am Tag der Bekanntgabe schon mal schön formuliert hatte: „Wie Omar Sharif, der sich in Lawrence von Arabien in der flimmernden Wüste als Mann auf einem Kamel materialisiert, trat das schwer zu fassende Boson seit dem letzten Winter langsam in den Blick …“.

Sie verglich dann die Jagd auf das Higgs-Teilchen mit der Suche nach einem Freund in einem vollen und lauten Stadion, man versucht, die bekannte Stimme in der allgemeinen Geräuschkulisse herauszuhören, und da man die Suche einschränken kann (man weiß ja einiges über den Freund, vielleicht hat er beispielsweise einen bevorzugten Sektor, so wie man vorher auch einige Eigenschaften des Higgs-Bosons abschätzen konnte), und so wie man mit diesen Informationen den Freund unter tausenden Personen in einem Stadion finden kann, konnte man die Higgs-Teilchen-Signatur eben auch im Hintergrundrauschen der Kollisionsdaten finden.

Am 4. Juli waren die Forscher mit der Analyse der Daten schließlich soweit, dass die Entdeckung bekannt gegeben werden konnte, in der Fachsprache spricht man von einem 5-Sigma-Niveau, was bedeutet, dass die Daten mit einer Wahrscheinlichkeit von 1,7 Millionen : 1 auf das vorhergesagte Higgsteilchen hindeuten.

Es folgt eine erneute Beschreibung des Higgs-Mechanismus, -Feldes und -Teilchens, welche im Wesentlichen noch mal die Sachen zusammenfasst, die wir schon aus anderen Kapiteln kennen.

Das Higgs-Feld ist, im Unterschied beispielsweise zu elektromagnetischen Feldern, nicht lokal begrenzt sondern füllt den gesamten Raum aus, und durch die Interaktion mit diesem Feld erhalten alle Elementarteilchen (natürlich mit Ausnahme der masselosen) ihre Masse, je größer diese ist, desto stärker wechselwirken sie mit dem Higgsfeld.

Randall beschreibt das Feld als Träger einer Art von Ladung, die mit der schwachen Kernkraft verknüpft ist und die wir nicht direkt „empfinden“ können, weil sie eine so kurze Reichweite hat, aber beispielsweise den Betazerfall von Neutronen (in ein Proton, Elektron und ein Neutrino) ermöglicht. Weil jedes Teilchen auf seine individuelle Art mit dem Higgsfeld wechselwirkt, entsteht das breite Spektrum der verschiedenen Teilchenmassen. Und falls man sich fragt, warum eigentlich das Higgs-Teilchen selbst eine Masse hat, wird das hier auch beantwortet, weil es nämlich auch selbst mit dem Feld wechselwirkt.

An dieser Stelle wirft die Autorin eine noch ungelöste Frage auf, über die wir uns vielleicht Gedanken machen können:

Sie können nun fragen, ob das Higgs-Feld auch ein Träger von Energie ist. Wir kennen die Antwort nicht, da alles, was man messen kann, der Gravitationsenfluss der Nettoenergie aller Felder des Universums ist. Diese Energie hat einen von Null verschiedenen Wert, der als dunkle Energie bezeichnet wird, die selbst ein reichhaltiges und faszinierendes Thema ist. Die dunkle Energie ist ebenfalls mit dem leeren Raum verknüpft – sie ist die Energie, die der leere Raum besitzt. Einstein hat uns gelehrt, dass jede Energiequelle Folgen für die Schwerkraft hat, u. a. auch für die absolute Energie eines leeren Universums. Tatsache ist, dass der leere Raum nicht wirklich leer ist. Er kann Energie und Ladung aufweisen, nur eben keine Materie.

Über den leeren Raum hat Martin Bäker auch etwas Informatives geschrieben, wenn jemand das Thema vertiefen will.

Dann werden nochmal die Zerfallsarten des Higgs-Bosons kurz beschrieben, wobei es eben hauptsächlich in Bottomquarks und -antiquarks zerfällt, welche aber bei den LHC-Kollisionen nur schwer von durch andere Prozesse entstehende Bottomquarks zu unterscheiden sind. Deshalb beruht die Entdeckung in erster Linie auf zwei anderen Zerfallsmodi, nämlich diejenigen, bei denen Photonen erzeugt werden (was in 0,2% der Fälle passiert) oder bei denen virtuelle schwache Eichbosonen entstehen, wobei noch mal kurz darauf eingegangen wird, dass dieser Zerfallsprozess nicht klassisch beschrieben werden kann (die Summe der Energien von zwei W- oder Z-Bosonen beträgt 160 bzw. 182GeV, der Grundsatz der Energieerhaltung wäre also verletzt), ist also nur quantenmechanisch über virtuelle Teilchen zu verstehen. Wie das mit den virtuellen Teilchen im Detail funktioniert (und noch einiges mehr) hat wiederum Martin Bäker in einer Artikelserie erläutert.

Es werden dann noch die Monate vor der endgültigen Bekanntgabe der Entdeckung geschildert, dass man auf einem guten Weg war wurde für Randall im Dezember 2011 klar, als die ATLAS-Daten ein mögliches Signal zeigten, die CMS-Daten aber noch nicht eindeutig waren. Es folgen ein paar Anekdoten über einen CERN-Besuch und eine Konferenz im März, wo noch das „Überlichtgeschwindikeitsneutrino“ Thema war, welches sich ja auf ein defektes Kabel zurückgeführt werden konnte. Ein paar Details aus dem Leben von Peter Higgs und Francois Englert, die zusammen mit Robert Brout, Gerald Guralnik, Carl R. Hagen und Tom Kibble den sogenannten Higgsmechanismus entwickelten, runden die Geschichte ab.
Einige der Beteiligten hätten wohl erhofft, das man das Higgs-Teilchen nicht in der vorhergesagten Form finden würde, denn dann hätte man nach etwas noch Überraschenderem und Interessanterem Ausschau halten müssen, das sich widerspruchsfrei in das Standardmodell einfügt. Es ist vielleicht vergleichbar mit dem Gefühl, das man selber hat, wenn man kurz vor dem Abschluss eines größeren Projekts steht, und dann fällt einem noch dieses und jenes ein, was man noch besser machen könnte, bevor man sein „Baby“ aus der Hand gibt.

Zwischen März und Juli wurden noch intensiv weitere Daten ausgewertet und am 4. Juli folgten schließlich die begeistert aufgenommenen Vorträge von Joe Incandela und Fabiola Gianotti, Sprecher der CMS- und ATLAS-Experimente. An beiden Detektoren war eine Entdeckung gemacht, die höchstwahrscheinlich mit dem Higgs-Mechanismus verknüpft war, von der man aber noch nicht wusste, ob es das einfache Art des Higgs-Bosons war oder etwas Komplizierteres, das dieselbe Rolle spielt, und dies werden die Daten aus weiteren Teilchenkollisionen zeigen. Es wurde beschlossen, den LHC noch etwas länger als ursprünglich geplant laufen zu lassen, bevor die Wartungs- und Aufrüstungsphase begann, um die Eigenschaften des gefundenen Teilchens noch etwas genauer zu bestimmen. Am 14. Februar 2013 wurde der LHC schließlich vorläufig abgeschaltet, das genaue Datum hat aber nicht mehr den Weg ins Buch gefunden, ich habe es dort nachgelesen.

Es folgt ein Ausblick auf offene Fragen, die mit Hilfe des LHC weiter erforscht werden sollen, beispielsweise ob das gefundene Teilchen die einzige Higgs ist oder ob es noch andere Varianten gibt, die auf einen noch komplexeren Mechanismus zurückzuführen wären. Randall sagt, dass es höchstwahrscheinlich Teil eines größeren Sektors neuer Teilchen ist, und sie erwähnt noch das Hierarchieproblem, die dunkle Materie und die Supersymmetrie, nach der jedes bekannte Teilchen einen sogenannten Superpartner mit gleicher Ladung aber anderem Spin hätte. Diese Themen werden auch in den nächsten regulären Buchkapiteln besprochen, weshalb ich auf jeden Fall weiter lesen werde, flapsig gesagt gehören diese Themen zum „heißen Scheiß“ der Grundlagenforschung, und die Autorin ist da mitten drin.

Ein paar Sätze unter der Überschrift „Religion, Nutzen und dergleichen…“ schließen den Anhang ab, das geflügelte Wort Gottesteilchen hat natürlich nichts mit Religion zu tun, wenn ich mich richtig erinnere geht das auf die Formulierung gottverdammtes Teilchen zurück, die daher stammt, dass es so schwer zu finden sein würde, die Formulierung war aber zu pointiert für einen Buchtitel oder ähnliches, und deshalb wurde dann das mediengerechte Gottesteilchen daraus. Der praktische Nutzen aus der Entdeckung lässt sich noch nicht abschätzen, immerhin hat das CERN das World Wide Web hervorgebracht und das, was die Entdeckung des Elektrons und der Quantenmechanik ermöglicht haben, wie beispielsweise den Bildschirm, auf dem der Text hier gerade gelesen wird, war vor 100 Jahren auch noch nicht erfunden.

Serie: Konzeptzeichnungen 11

Eine Raumstation

SRScans_0025-forBlog

Mein Entwurf einer Raumstation, nicht sehr originell wie ich gerne zugebe, ähnliche Designs finden sich in vielen Science Fiction Universen. Ist wohl eine Art Standardmodell.

Serie: Konzeptzeichnungen 10

Diese Woche: Der Kreuzer „Ulysses“

SRScans_0004-forBlog

Serie: Konzeptzeichnungen 9

„Howler“ – ein schwerer Transporter

SRScans_0003-forBlog

Bei den Zeichnungen von letzter Woche, die aufgrund von schlechter Planung mit Verspätung erschienen, fehlten die Bezeichnungen für die Mechs – anscheinend ist mir damals nix Gescheites mehr eingefallen – beim heutigen Schiff war das scheinbar viel einfacher, ein schwerer Transporter namens Howler, aufgrund noch unzureichender Englischkenntnisse war ich der Meinung, das hieße auf Deutsch „Schlepper“. Wie man sich täuschen kann, das ist ja ein Brüller. 😉

Serie: Konzeptzeichnungen 8

Mit etwas Verspätung zwei Star Raiders-Mechs ohne weitere Worte.

SRScans_0019Mechs03

Serie: Konzeptzeichnungen 7

Heute ausnahmsweise 2 Bilder, eine Fregatte und ein (unfertiges) Schlachtschiff

SRScans_0014-forBlog

Beim Betrachten der Konstruktion denke ich gerade Turtle wäre auch eine nicht unpassende Bezeichnung für diese Fregatten gewesen.

SRScans_0005-forBlog

Das hier dürfte der letzte und nicht ganz fertige (auch reichlich zerknitterte) Versuch einer Großschiffkonstruktion gewesen sein, das ist noch keinen eigenen Blogeintrag wert. Das Design gefällt mir aber auch heute eigentlich noch ganz gut.

Ich hoffe in den nächsten Wochen Zeit für einen Blender-Workshop zu finden, dann probier ich das nochmal ohne Bleistift und Papier , dieses Schiff scheint mir als Anfängermodell geeignet. Ich wollte sowieso schon lange ein 3D-Gittermodell konstruieren, mal sehen ob das jetzt tatsächlich was wird, das Ergebnis werde ich dann jedenfalls hier hochladen, kann aber noch länger dauern.

Serie: Konzeptzeichnungen 6

Dieses Mal drei Luft/Raumjäger

SRScans_0030-forBlog

Weil es in einem Spiel wahrscheinlich auf Dauer langweilig geworden wäre, nur kapitale Raumschiffe durch das All zu bewegen und sich mit Mechs alleine das in Taktikspielen bewährte Schere-Stein-Papier-Prinzip nur unzureichend umsetzen lässt, gab es auch Luft/Raumjäger. Hier sind die ersten drei Modelle, hoffentlich fällt es beim Disneykonzern (dem aktuellen Star Wars-Rechteinhaber) niemandem auf, dass der LSF-1A ziemlich offensichtlich vom A-Wing Raumjäger inspiriert war. 😉

Hier kam ich auch davon ab, mir Namen für die kleinen Dinger einfallen zu lassen, deshalb die in der Grafik erklärten Akronyme.

The Golden Age of Surveillance oder warum das Internet kein Ponyhof ist

Update 03.03.2014

Gestern habe ich einen aktuellen deutschsprachigen Vortrag zum Thema Kommunikationssicherheit von Frank Rieger, Experte für Kommunikationssicherheit und ein Sprecher des Chaos Computer Clubs entdeckt. Mehr Infos sind auf der verlinkten Seite zu finden.

Ursprünglicher Eintrag 15.02.2014

Wenn man sogenannten Experten zuhört, die in letzter Zeit häufig zu Finanz- und Wirtschaftsthemen befragt werden, kann man ja durchaus der Meinung sein, dass der Begriff Experte auch nicht mehr das ist, was er mal war, und etwas inflationär benutzt wird. Man möge diese etwas billige Polemik verzeihen, sie soll nur herausstreichen, dass diese Bezeichnung für Bruce Schneier beim Thema IT-Sicherheit sicher keine Übertreibung ist, der Herr kennt sich wirklich aus.

Der 11. Februar 2014 wurde ja zum Day we fight back, nämlich gegen die NSA-Überwachung, erklärt. Kaum jemand, zumindest hier in Europa, ging hin, ich habe zwar im Jänner von diesem Aktionstag gehört und ihn dann verpasst, in den Leitmedien wurde kaum bis gar nicht berichtet. Bezeichnend war beispielsweise, dass auf heise.de am Abend des 12. Februar ca. 160 Leserkommentare zu diesem Thema eingegangen waren, die etwa gleich alte Meldung zum Kursrutsch beim Bitcoin-Pyramidenspiel hatte zum gleichen Zeitpunkt schon >350 Kommentare.

Am Tag davor hat Schneier eine Vorlesung online gestellt, und im Unterschied zur bisherigen Berichterstattung über die Massenüberwachung, die der Salamitaktik folgte, kann man hier in einer knappen Stunde das bestürzende Ausmaß der digitalen Bespitzelung erkennen. Während uns spätestens seit diesem Gespräch mit Sascha Lobo bekannt sein sollte, dass das Internet kaputt (sic!) ist, hilft uns dieser Beitrag abzuschätzen, wie kaputt es wirklich ist und wie man an eine Reparatur herangehen könnte, nämlich indem man den Aufwand für Überwachung steigert, sprich verteuert. Unverschlüsselte Metadaten sind wohl der Kern des Problems, und Verschlüsselung kann funktionieren, wenn sie ausreichend sicher implementiert ist. Einige zur Zeit angewandte Methoden bieten keinen Schutz mehr, da sie auf schlechten Zufallszahlengeneratoren aufgebaut sind, auf der anderen Seite besteht nach wie vor hoher Aufklärungsbedarf über sichere Passwörter.

Wer nach Schneiers Worten noch nicht genügend verunsichert ist, könnte vielleicht noch diese Meinung des Technology Review Redakteurs Wolfgang Stieler lesen, aber Vorsicht, wer anfällig für Paranoia ist, sollte dem Link lieber nicht folgen.

Solange jedoch sogar IT-Interessierte beispielsweise Bitcoin mehr Aufmerksamkeit schenken als der Massenüberwachung, wird sich wohl nicht viel ändern. Von der Politik eine baldige Lösung des Problems zu erwarten, ist ebenso illusorisch, es ist wieder mal ein Treppenwitz der Geschichte dass der ehemalige deutsche Innenminister Friedrich nicht wegen seines Verhaltens seit Bekanntwerden der Snowden-Dokumente zurücktreten musste, sondern nun als Landwirtschaftsminister wegen einer unappetitlichen anderen Affäre.

Sich von der hierzulande verantwortlichen Innenministerin Mikl-Leitner irgendeine Reaktion abseits von „schaun wir mal, was die Deitschn machen“ zu erhoffen, ist wohl auch Überschätzung der österreichischen politischen Kompetenz, noch dazu wo man solch diffizile Themen einfach mal nach Brüssel abschieben kann und derweil fröhlich Polizeiposten schließen kann. Man senkt also das (natürlich subjektive) Sicherheitsgefühl in der echten Welt, während man nichts dazu beiträgt, die digitale Sicherheit zu stärken. Eine interessante Amtsauffassung hat man da beim Innenministerium.

Weil es nach diesem Abschlussrant so schön reinpasst noch ein feiner kleiner Song von Monomania.

Für weitere Informationen zur NSA Affäre bietet die heise-Timeline einen guten Ausgangspunkt.

Ich freue mich über Kommentare zu diesem Thema, was halten Leser davon? Ist das eh alles egal und die da oben werden schon wissen was sie tun aber lasst uns damit in Ruhe, die können gern alles wissen was ich so im Netz mache und mit wem ich worüber kommuniziere und wo ich mich grad so rumtreibe? Nur ein gläserner Bürger ist ein guter Bürger, aber Politik und Wirtschaft dürfen ruhig hinter verschlossenen Türen verhandeln (kleines Beispiel: transatlantisches Freihandelsabkommen)?
 
Oder nehmt ihr die digitale Sicherheit so gut es geht selbst in die Hand. Hat jemand Tipps, wie man seine Kommunikation und Systeme mit halbwegs einfachen Mitteln möglichst sicher macht?
Nachtrag 16.02.: Schließlich werden diese Schwachstellen der digitalen Kommunikation nicht nur von Geheimdiensten, sondern auch von Kriminellen genutzt – und es ist gar nicht so einfach abzuwägen,  welche Seite die größere Bedrohung ist.
 
Deswegen habe ich Kommentare ohne Anmeldung hier freigeschaltet, man kann ruhig eine Fantasie-Mailadresse angeben, mich interessiert nicht wer ihr seid, sondern was ihr dazu meint.
 

Serie: Konzeptzeichnungen 5

Zurück zu den Pötten, heute ein „Zerstörer“.

SRScans_0013-forBlog

Ein Spieleuniversum, in dem nicht gekämpft werden kann, ist ziemlich langweilig, deshalb gab es natürlich auch Kriegsschiffe, nicht sonderlich kreativ war zwar die Schiffsklassenbezeichnung „Warrior“, aber es ging auch mehr um den Spaß am Konstruieren als an der Namensfindung, das hätte sich leicht ändern lassen, notfalls mit Radiergummi. 😉

Sternschaun? Viel zu hell!

LolCat001tooBright-forBlog

Eines der netteren Dinge die das Internet hervorgebracht hat sind Lolcats und deshalb hab ich mich mal an einer eigenen versucht.

Ich setze das stillschweigende Einverständnis der Katze zur Veröffentlichung voraus, immerhin ist eine automatische Gesichtserkennung für Katzen soweit ich weiß noch nicht von Google & Co geplant.

Damit dies kein ansonsten völlig sinnloser Blogeintrag bleibt noch ein paar Astronomielinks:

-das Astronomiefoto des Tages bei der NASA, auch in deutschsprachiger Version verfügbar

-einer meiner Lieblingsblogs, nicht ausschließlich zu Astronomie sondern auch andere interessante Themen

-um tiefer in die Materie einzusteigen ist die Seite Astronomie Wissen inklusive Lexikon hilfreich

-aktuelle ESA-Nachrichten

-hier noch ein erst kürzlich entdeckter deutscher Astronomieblog.

Anmerkung: Ich wollte noch einen Link zu einer schlichten Seite auf der man laufend die aktuellen Statusdaten vieler Weltraummissionen sehen kann reinstellen, kann die aber grad nicht finden. Vielleicht weiß ja ein Leser welche Seite ich meine und schreibt einen Kommentar.

Beitragsnavigation