Martinus Veltman

The LHC at CERN and the Higgs

Category: Lectures

Date: 3 July 2012

Duration: 34 min

Quality: HD MD SD

Subtitles: EN DE

Martinus Veltman (2012) - The LHC at CERN and the Higgs

The LHC at CERN and the Higgs.Lecture by Martinus Veltman, Lindau, July 1-7, 2010.Particle physics mainly developed after World War II. It has its roots in thefirst half of the previous century, when it became clear that all matter ismade up from atoms, and the atoms in turn were found to contain a nucleussurrounded by electrons

Well, these are very exciting days if you are a high energy physicist. At CERN they threaten you almost every day with the latest news. In fact you have to buy the paper to be sure that you are up to date. And after 40 years that’s something. But to date there is no news from the Higgs. Ok. So, what really is going on? So, let me try to give you the story. The story that I am going to tell you I have prepared for something like an hour but I have only half an hour. So I have a problem which I will solve. So, let me first go with the introduction. The introduction is telling you about elementary particles. You start off with the helium atom in which you discover there are a proton and a neutron and an electron circling it. And then the proton and the neutron are made of quarks. And quarks come in 3 kinds, up, down and strange which you don’t see here yet. And then on top of it every quark comes in 3 colours. So there are 3 times 3 different quarks. That’s what we have today. There are more than 3 quarks actually. And then you have something called neutron decay and that’s where we saw, at least not we but Mr. Becquerel way back in 1895 or so or later for the first time had the neutrino. He didn’t know he had a neutrino because you can’t see the neutrino. But that happens when the neutron decays and he was looking at the first form of radioactivity at the time. And so he was basically looking to this decay where a neutron goes to a proton while emitting an electron and a neutrino. And it is in this relation more than anywhere else that Einstein’s famous relation E=m*c^2 is actually verified. That’s the relation that’s especially important in particle physics and not that important anywhere else. So, that’s interesting to note. Then this was actually, this was pre-1905. So the reaction that established the E=m*c^2 was something that came before the equation itself. Well, ordinary matter then is made up from these particles. There’s the up quark in 3 colours, the down quark in 3 colours and the electron neutrino and the electron. Now this is the first family and from that all matter as we know it is made up. But as you go on and as you research and the basic thing for research for us has been CERN in Europe. At CERN you can see here, you see that the airport from Geneva, downstairs, you see it gives you an idea how big the thing is. And this is used to make new particles. So I have to explain how you make new particles. You make new particles by creating which I will call... Well, I don’t know how to call it, a fireball or a superparticle or something. You create a point which has a lot of energy. And then you let that point, that energy, you let it decay. That’s the principle that governs the operation of big accelerators. You collide 2 particles, protons, electrons, whatever and then at a point of collision you wait till you see other particles coming out and then you can study those. So, that’s the basic tool that we have in studying elementary particle physics. And here you see a small list of all these particle machines that have come into action in the time since they were invented. The first one is the Cockcroft-Walton of 1932 and it had an energy of 1 MeV, 1 million eV, the same energy that you get if you let an electron go through a field of 1 million volts. And from there all the way on you see all the steps. There is the Van de Graaff accelerator which has played a big role in education since every university could have one. There is the cyclotron which is much bigger already. And that could go a lot higher to a 1,000 MeV. That was already a machine going beyond what static electricity can do. Then there’s the Cosmodrome, the first circular machine which was in Brookhaven in 1953. And it has 3,000 MeV. That was considered a tremendous energy in those days. Later on at Brookhaven and also at CERN, CERN got its first; the first machine that CERN got was actually a cyclotron. The first machine that CERN actually had was a cyclotron but later on, quite in the beginning, in 1960 CERN started having a bigger machine. That’s the CERN PS, the Proton Synchrotron. It had an energy of 30 GeV. This was about the time that I arrived at CERN. So I saw all the action there. And I saw how this machine was switched on. I can tell you such a machine switching on, that’s an exciting moment. In any case there have been more such exciting moments as time went on. But after CERN and Brookhaven did this there came Fermi Lab. And CERN is a new machine, 10 times bigger. It always goes through the factor of 10 somehow. And came this 300 GeV CERN machine, Fermi Lab machine, and many discoveries have been made with this machine. Fermi Lab went up by another factor of, well, something to 1 TeV, 1,000 GeV, in 1983. And CERN with the LHC is supposed to go to 7,000 GeV eventually. At this time it’s around 7 TeV and is supposed to go to 14 TeV which is... A tremendous amount of energy has been obtained at these accelerators. Ok, I will go through this. This is the inventor of the cyclotron, Mr. Lawrence. And this is the Cosmotron, the first circular machine. It’s already getting big. And here is... At the CERN is this machine of 30 GeV of 1960. And I think that was a big piece of progress and you can see here how that machine... how big it is. Now Fermi Lab, well, then came later on. We got the super machines which were yet the factor 10 bigger than this machine here. That was the Proton Synchrotron and later on Fermi Lab used superconductivity. The magnets which you see in the picture here actually became superconducting magnets which allowed for higher magnetic fields and therefore higher energy for the beam to go around. And so came the Tevatron which had an energy of 1,000 GeV. And that happened in 1983. And then the important discovery was made essentially by Mr. Touschek. Touschek is someone who was sitting in jail during a part of the war. And it’s there that he worked together with the Norwegian Wideroe. He built the first storage ring. At least on paper because in the jail it’s very hard to build anything. In any case they used to come together. Wideroe would come to jail and bring Touschek something that he needed, that is alcohol in fact. And together they started working on these things. Wideroe has had some trouble after the war proving that he was not a Nazi and Touschek went on to Italy to build his first ring, ADA. And because this was a storage ring you had the particles, And that is also what he saw for the first time happening in Frascati, with the ADA. That was a great piece of progress and it made the energy much bigger. Because shooting a beam on a target just really makes for not too high energy. But if you can collide them, that makes all the difference. So, that’s what happened. And ever since people have been busy trying to make storage rings, first at CERN and later elsewhere. And in this way we got a very effective energy that became very big. The effective energy this day if you go to LEP is about 200 GeV. That seemed at the scale of things I’m talking now not to be that much but you see it was all effective. It was one of the better machines. And the great thing about those beams as well: they are going around and around, you can make them collide all the time. The disadvantage of beams like that, storage rings, is that the density of these rings is not too high. So you have difficulty in getting events. All that is quite complicated and it’s not for me to discuss that. The important point is that in the process of making all these machines, progress was being made in understanding particles. And the important thing is... Now, let’s see. The proton has a mass of 1 GeV. Cyclotrons cannot make particles heavier than a proton. You can only make a K meson and so on. But when you go to higher and higher energy you can make more and more new particles. And so by the end of the previous century, I mean 1900 something, 1990 or so, many new particles were found. And so all of these particles were essentially created artificially by these machines. And out came something which was utterly surprising. And this I need to emphasise. We are facing things and in the noise about the Higgs we have a tendency to forget those problems. But this is not right in my feeling. The first problem that we are facing is the problem of the 3 families. When you have something like this... This is a particle that we discovered. The up quark, the down quark, these are the first family. It’s the family that makes up for ordinary matter as we know it. The second family is something that you don’t see around but you can make it sort of easily. At least some of it. And then the third family it gets hard and that was discovered and completed, the scheme of things was completed, only in 1995 or 6 or so when they discovered the top quark. You realise that if you look to this picture and leave out the top quark you can make a prediction. There’s people who make that kind of prediction. So the top quark was predicted in that sense. Ok, they were all discovered and that is what we stand with at the year 2000. And there is just nobody, nobody who knows why there are 3 families. All kinds of things have been tried. I remember thinking of this supersymmetry and supersymmetry held a promise of explaining why there are 3 generations but it never fulfilled that promise. So to this day we don’t know. There is one piece that you have to add to this puzzle here. The question is now if you see 3 you might be tempted to think there should be 4, 5, 6, 7. How do you know? After all when you look to the last family there, the top quark is very, very heavy, very difficult to produce. So you could imagine that the next family is even more difficult to prove, to make. But that doesn’t hold for electrons. And then there came something else. That’s where you need the theorists. And the theorists discovered something at a time. They discovered there was a measurement relating somehow, buried deep in all the data, which gave you an idea. And that is very specific of the kind of theory that we have. In the theory we have locations, points where you can actually see what happens up there whereby up there I mean for high masses. And so we know at this point because of the agreement of the data with the best standard model there is only 3 generations. We know from that that in all likelihood unless there is some sort of funny conspiracy. In all likelihood this is all. And now this gets a problem. So, I want to sketch a little bit more to let you know where our problems are. If you have something like this, 3 particles, if those 3 particles would come about in a sense like we have seen the system of atoms and so on from Mendeleev. You know that you have to have many elementary things than the table of elements, you know, hydrogen, helium and so on. So, if you see a thing like that and first of all if you think there could be more, then it would be natural to think that those particles are the result of some bound states. That’s the very natural assumption. Well the first blow you get when they tell you that there is no more than 3 because if you have bound states you expect there to be more than 3. And so here is the first problem. In thinking of bound states you cannot explain this business by bound states or you would have to invent a trick whereby making a bound state is not something that you can make things of heavier and heavier, larger and larger mass. So no bound states. So, here you see you have 3 sets and you cannot make them bound states of something. So, this is where things get real hairy. But we don’t know about that and to this day that is a problem that we do not know how to attack. What I am saying right now is almost literally the same as something that I said at a conference in 1979 at Fermi Lab. And that just shows you how much progress there has been. In 30 years we have been facing this problem here and no one knows the solution to this particular problem. And this problem, if you want my opinion, I consider to be something which is more strange, further out than such a thing as a Higgs particle. Ok. Now, if you look to all those particles, there are forces between those particles. Some of them we know like gravitation and electromagnetism. But we know a bit less about the strong forces the forces that keep the nuclei together. But then there are the weak forces. That’s the first force which makes the neutron decay. And then there are the Higgs forces which at this point completely theoretical things. So, let’s see how that goes. With every force is associated a particle. And on the other hand, the mass of such a particle gives actually an idea of the reach of that interaction. Now, gravitation and electromagnetism have essentially an infinite range. Gravitation goes as far as our solar system and beyond and we suppose that it also goes... if it creates and holds galaxies, although we don’t know for sure. So that is gravitation and that has, if not a long, an infinite range. It has a very long range. The other one is electromagnetism. Associated with that is... That’s also long range force. And associated with those 2 fields are the particle that we call, from quantum theory, we call them the graviton and the photon. So the graviton has a mass now 0 which means it has infinite range. And the photon has mass 0 which means that electromagnetism, Coulomb field and so on also have an infinite range. Now the graviton has never been seen really. It is experimentally not a thing that you can easily get at. The photon we know of course and of the photon we know with rather large precision that its mass is 0. You can argue about to what extent. There’s an amusing story about that, it has to do with a lecture that Feynman once gave. But I won’t go into that. So the photon we think is, well, about massless. As good as it can. Now, the weak forces, that’s another story. The weak forces have several particles. And one of them called Z. With masses of 80 and 90 GeV. So these are really very massive particles. These particles of the weak interactions have a mass that is like about 100 times those of the proton of the neutron. That in itself is already remarkable. The orders of magnitude when you do this particle physic business they really stagger you. So the W and the Z are both very high mass particles. So it took a while before they got discovered, before they got experimentally demonstrated. And in fact I would say that only came through after we got the more precise idea how heavy they were. Well, at this point dealing with these massive particles is something that for theoretical physics is very difficult to do. So at this moment theoretical physics ended. And now we have to ask ourselves what happens when you have forces with a heavy mass, intermediated by particles with heavy mass. How does that work on the scale of elementary particles? Our first example that I look at is the muon decay. The muon is a particle of about 100 MeV, its 0.1 GeV. And it decays all by itself into 2 types of neutrinos and an electron. But it does that through the intermediary of a W which has a mass of 80 GeV. And here we see a feature of quantum mechanics. You can have a very heavy particle play a role, given that it doesn’t take too much time. Just observed the relation at work. So the intermediary particle, the W, can play a role as long as you don’t try to actually make it because then it would exist for a long time. And that doesn’t work, that’s too much energy. So it is this type of reaction that allows you to get these particles to be active also at low energy. Now if you do it that way then you get also a thing like this. If you have a particle that is an intermediary particle for a short time and which cannot really exist because it’s too heavy, you call it a virtual particle. You can always call anything, anything but. So, a particle like that is called a virtual particle. And also other reactions can occur. And now we have here a reaction that is important to us. You can have a mu meson. It can split up for a small moment into a neutrino of the muon type as well as a W-. And recombine quickly. It has to be recombined quickly but this is a possibility. And in fact when you think about it, you discover that this is a quantum equivalent of a particle sitting in its own field, in this case the field of the weak interactions of the Ws. So here sits a particle in its own field and that generates this diagram and you can translate it in a contribution to the mass of that particle. And then it turns out, that’s the second step, that this mass is infinite. So here theory makes progress. But then we hit a wall and the wall is that the calculation that you want to believe in actually is giving infinite as a result. So you get an electron of infinite mass. And what the hell can we do with that? Well, no one can do anything with it. An electron sitting in its own field for all we know there is an infinity there. And we don’t know how to deal with it. Well we know how to deal with it but we don’t know anything about that particular infinity. So that energy, the self-energy is infinite. But on the other hand we know that that energy cannot be infinite because the electron has a mass of half an MeV which is not infinite. No one has solved this particular problem. And there has only been a partial solution to that problem due to a theoretical physicist from Leiden, Holland, Mr Kramers. And in 1948 he came up with the idea: Look, if you see something that you cannot solve, leave it. That’s what he did. That’s not such an un-logical statement. So what he did, he said: "Ok, as long as in a given theory the number of infinities like this one sketched here is finite, what you can do is you can take the experimental values for those quantities, substitute them for the infinities which of course is an ugly thing to do and then make predictions for other observables." So that’s the procedure proposed by Kramers. It’s since then become official. It’s called renormalisation. And the theory where you can do that... You can do that with the theory only if that theory has a limited number of infinities. Because if you have an infinite number of them, you have to fit an infinite number of data and that doesn’t go. So the renormalisable theories are the ones that allow you to make this procedure. And in 1948 it was established that quantum electrodynamics, the quantum version of Maxwell’s theory, was actually renormalisable. And has created a lot of excitement and produced a few predictions. The prediction where the anomalous magnetic moment of the electron and the muon. And there was also something called the Lamb shift. So the theory following the recipe of Kramers produced actual results. And this was a great moment in particle physics. So, that’s extended the life of field theories. Field theories in particle physics have had really difficulty getting there. I mean it’s like a difficult child that grows up and you have a difficulty every time around the corner. Now, in this case the difficulties was the one of the infinites. Before there were other problems. But by 1948 we got through that hurdle. We still were facing another hurdle but anyway that’s how far we got done. Weak interactions, the ones involving Ws and Zs, they remained mysterious at that time. But in 1964 it was discovered that the certain type of theory with much internal symmetry it has a new element coming in it. Namely you got a theory, you got an infinity there and you made something else that gave the infinity with an opposite sign. And this kind of procedure is what became attractive at the time. That was created for the weak interaction. So we got a symmetry guaranteeing renormalisability, that’s what happened. And such a theory is called Yang-Mills theory. The first particles in that theory, the equivalent of the photon and the graviton, also here were massless. And so the problem the remained was to give a mass to those particles. With massive particles the theory became non-renormalisable. It was a big disappointment. And in 1971 it was discovered that the renormalisability of the theory could be restored at a cost introducing 1 new particle, the Higgs particle named after Peter Higgs who proposed a particle in 1964 but did do nothing about renormalisability. So that’s the situation that we got in ’71. We could make the theory of weak interactions renormalisable, but at a cost of a new particle. And that shows you something about the Higgs. It’s really a theoretical figment. It’s very hard for you to grasp why we need the Higgs. It is there to cancel an infinity. How would you visualise that? I know only 1 way of doing it, where you have a scattering process. Let’s say a proton of an electron or 1 quark of an electron; you have between them the Coulomb law. That goes like 1 over R so obviously that is going to explode when these particles come very near. Then the way to solve that problem is to create another force which was the force due to W and Z which becomes effective only at very short range. And you make that have the opposite sign. So they scatter and by the time you get very close the weak interactions and electromagnetism conspire to cancel each other. But if you do that you discover theoretically that you cannot do the actual cancellation too in the largest detail. You have to make something more. And then comes in the Higgs field which also is an exchange between the two. And it sort of cancels the last piece. That’s a complicated construction that the theorists have made of that theory. And that’s the Higgs particle. And so we need it for theoretical reasons but you have a hard time visualising why you need that particle because you have to dig into the calculation of infinities and things like that. Now, this Higgs particle which by itself is not a prediction of the theory, the mass of this we don’t know. The action of cancelling force is not something that you can get the mass from. Whether it happens at small distance or large distance doesn’t really matter. And that has been looked for ever since 1972 or ’71, roughly there. And I remember every year the limit on the mass, that’s the lower limit, used to go up. So, it started off at about 500 MeV, went to 1 GeV, went to 10 GeV. Then there were people saying it was 30 GeV and so on and so forth. So I myself contributed to the mass by adding that, and that was a safe bet since they have seen it not since now. So, maybe it’s not there at all. So I contributed the idea that it wouldn't be there. Of course that gives then the problem. You get the problems of remaining infinities. Well, you have to deal with that. So now at CERN the latest news is that they might have seen the Higgs with a mass of about 125 GeV. It comes about Thursday we will know for sure. Well, for sure? A little bit sure. So the Higgs is coming up. What does it mean? And that’s the thing that I have to tell you. What does it mean if they discover the Higgs at the LHC? First of all, it completes the standard model. Unfortunately completing that standard model is like closing a door. You close a door on the standard model and you stand in a room of which you don’t see a door anymore. So the difficulty with that solution, namely that the Higgs is there, is that we have no idea what experiment to do to better understand the whole thing of particles which I just explained to you has big problems such as the family structure, the masses and so on. So in a sense discovering the Higgs is sort of a bad thing. Well, it’s sad but true. And so here we are then, if the Higgs indeed is found, and the fact is that then they can go on at CERN for another couple of years establishing the properties of that particle. They have to do that, they have to show that that particle has all the properties that you expect of it. Which is very precise, we know precisely what it should do. And after that we can say: "Let’s close the stuff and let’s go home (laugh). You want me to go home now." So that’s the situation and I wanted to go a little bit further than that and so I won’t. There’s the Higgs decay. How can it decay? That’s how you can see it. And then I’ve got on to another problem. That is cosmology. Because the Higgs has its problems we suspect with cosmology. The Higgs field is something that is there in space everywhere around. And if that’s the case gravity is the first one to detect it and a short calculation tells you that gravity would, when there was such a Higgs, make our universe about this size. This is against experimental data. So, it has a disastrous consequence for cosmology. But of course cosmology who have an intellectual... how you can say that intellectual capability of solving all problems, they can solve this one too. What they do is they assume that the universe before the Higgs comes into being is actually curved the other way around. And then comes the Higgs and now comes out flat with a precision of running god knows how many 10 to something order, pretty unbelievable. But that’s the situation that we have. And as the cosmologists go on and start discovering the universe and coming up with new explanation every time there happens to be one. We have to wait. But it is a real difficulty I would say. There’s the cosmological constant and that can be solved in 2 ways which I insist on saying. It can either be, and that will be there is something wrong with gravitation, there is something wrong with the Higgs system or there can be something wrong with gravitation. With our understanding of gravitation. Now that’s real serious. So when they come out at CERN with the announcement please keep this in mind that we are in fat trouble somewhere else. And here’s Mr. Peter Higgs trying to tell that to me. He says it’s 125 GeV. And I say I don’t believe you and then he’s right for god sake. And this is Mr. Einstein and the theory of relativity has been suffering all kinds of difficulties. Here he has a problem.

Nun, das sind ziemlich aufregende Tage, wenn man ein Hochenergie-Physiker ist. Am CERN drohen sie uns so ziemlich jeden Tag mit den neuesten Nachrichten. Man muss tatsächlich die Zeitung kaufen, um sicher zu gehen, dass man auf dem neuesten Stand ist. Nach 40 Jahren heißt das schon was. Aber bisher gibt es keine Neuigkeiten von den Higgs. Ok. Also, was passiert nun tatsächlich? Lassen Sie mich versuchen, Ihnen die Geschichte zu erzählen. Die Geschichte, die ich Ihnen erzählen werde, habe ich für eine Vortragsdauer von etwa einer Stunde vorbereitet, ich habe aber nur eine halbe Stunde zur Verfügung. Damit habe ich ein Problem, dass ich lösen werde. Kommen wir zunächst zur Einleitung. Die Einleitung handelt von Elementarteilchen. Es geht los mit dem Helium-Atom, in dem ein Proton und ein Neutron entdeckt werden sowie ein Elektron, das diese umkreist. Das Proton und das Neutron bestehen aus Quarks. Und die Quarks kommen in 3 Arten vor, dem Up-Quark, dem Down-Quark und dem Strange-Quark, das Sie hier noch nicht sehen. Und darüber hinaus kommt jedes Quark in 3 Farben vor. Somit gibt es 3 mal 3 unterschiedliche Quarks. Das ist das, was wir heute haben. Genau genommen gibt es mehr als 3 Quarks. Dann haben wir den sogenannten Neutronenzerfall und bei dem haben wir, naja nicht wir, sondern Herr Becquerel im fernen 1895 oder so oder später, das erste Mal das Neutrino gesehen. Er wusste nicht, dass er einen Neutrino hatte, weil man das Neutrino ja nicht sehen kann. Aber das geschieht beim Zerfall des Neutrons und er schaute sich damals die erste Form der Radioaktivität an. Also sah er sich im Prinzip diesen Zerfall an, bei dem ein Neutron zu einem Proton wird und dabei ein Elektron und ein Neutrino abgibt. Und es ist genau dieser Zusammenhang - mehr als jeder andere -, der Einsteins berühmte Relativitätstheorie E=m*c^2 bestätigt. Das ist der Zusammenhang, der in der Teilchenphysik von besonderer Bedeutung ist, und in anderen Bereichen eben nicht so sehr. Interessant anzumerken ist also, dass das eigentlich..., das war vor 1905. Somit war die Reaktion, die zu E=m*c^2 führte etwas, was vor der Gleichung selbst kam. Nun gut, gewöhnliche Materie besteht also aus diesen Teilchen. Es gibt das Up-Quark in 3 Farben, das Down-Quark in 3 Farben und das Elektron-Neutrino und das Elektron. Das ist nun die erste Familie und daraus besteht alle Materie, so wie wir sie kennen. Aber es geht weiter und es wird geforscht und die Basis für Forschungsarbeit ist für uns in Europa das CERN. Das CERN können Sie hier sehen, Sie sehen den Flughafen von Genf, unten, das gibt Ihnen einen Eindruck von der Größe dieser Anlage. Und die wird verwendet zur Erzeugung neuer Teilchen. Nun muss ich erklären, wie neue Teilchen erzeugt werden. Neue Teilchen entstehen durch Erzeugung von etwas, was ich bezeichnen möchte als... Nun, wie soll ich es nennen, einen Feuerball oder ein Superteilchen oder so was. Man erzeugt einen Punkt, der sehr viel Energie besitzt. Und dann lässt man diesen Punkt, diese Energie, zerfallen. Das ist das Prinzip, nach dem große Beschleuniger arbeiten. Man lässt 2 Teilchen kollidieren, Protonen, Elektronen oder was auch immer und am Kollisionspunkt wartet man, bis andere Teilchen dabei entstehen und diese können dann untersucht werden. Das ist das wesentliche Instrument, das wir für Untersuchungen in der Elementarteilchen-Physik nutzen. Und hier sehen Sie eine kleine Liste aller Teilchenbeschleuniger, die seit deren Erfindung zum Einsatz gekommen sind. Der erste Beschleuniger war der 1932 entwickelte Cockcroft-Walton und der hatte eine Energie von 1 MeV, 1 Million eV, die gleiche Energie, die man erhält, wenn man ein Elektron ein 1-Million-Volt-Feld durchdringen lässt. Und von da an sieht man alle Schritte. Hier haben wir den Van de Graaff-Beschleuniger, der eine große Rolle im Bildungsbereich spielte, da jede Universität sich einen hinstellen konnte. Dann haben wir den Zyklotron, der schon sehr viel größer ist. Und der konnte sehr viel höher gehen, bis 1.000 MeV. Das war schon eine Apparatur, die weit über das hinausging, was statische Elektrizität schafft. Dann haben wir das Kosmodrom, die erste ringförmige Apparatur, die 1953 am Brookhaven entstand. Die hat 3.000 MeV. Zu damaliger Zeit galt das als enorme Energiemenge. Später am Brookhaven und auch am CERN, das CERN bekam seinen ersten Beschleuniger; die erste Apparatur die das CERN bekam war eigentlich ein Zyklotron. Die erste Apparatur, die das CERN tatsächlich hatte, war ein Zyklotron, aber später, ziemlich am Anfang, im Jahre 1960, bekam das CERN eine größere Apparatur. Das ist das CERN PS, das Proton Synchrotron. Das besaß eine Energie von 30 GeV. Das war in etwa die Zeit, in der ich ans CERN kam. Also habe ich die ganze Aktion dort mitbekommen. Und ich sah, wie die Apparatur eingeschaltet wurde. Und ich kann Ihnen sagen, wenn man sieht, wie eine solche Apparatur eingeschaltet wird, das ist schon ein aufregender Moment. Und im Laufe der Zeit hat es noch mehr solcher aufregender Momente gegeben. Aber nachdem das CERN und das Brookhaven soweit waren, kam das Fermilab. Und CERN ist eine neue Apparatur, 10 mal größer. Es geht immer irgendwie um den Faktor 10. Dann kam diese 300 GeV CERN-Apparatur, Fermilab-Apparatur, und mit diesem Beschleuniger wurden viele Entdeckungen gemacht. Fermilab ging dann 1983 um einen weiteren Faktor von, naja, so auf 1 TeV, 1.000 GeV, hoch. Und das CERN mit dem LHC soll letztendlich bis 7.000 GeV gehen. Zum jetzigen Zeitpunkt sind wir bei etwa 7 TeV und es soll bis 14 TeV gehen, was... Eine enorme Energiemenge wurde an diesen Beschleunigern erreicht. Ok, ich werde das hier durchgehen. Das ist der Erfinder des Zyklotrons, Herr Lawrence. Und das ist das Kosmotron, die erste ringförmige Apparatur. Das wird schon größer. Und hier ist... Am CERN ist diese 30 GeV-Apparatur von 1960. Und ich denke, das war schon ein Riesenfortschritt und hier können Sie sehen wie... wie groß diese Apparatur ist. Dann Fermilab, das kam dann später. Wir bekamen die Superbeschleuniger, die noch um den Faktor 10 größer waren als diese Apparatur hier. Das war der Proton Synchrotron und später verwendete das Fermilab Supraleitung. Die Magneten, die Sie hier auf den Bildern sehen, wurden zu supraleitenden Magneten, die größere magnetische Felder und damit höhere Energien für den umlaufenden Strahl ermöglichten. Und so kam der Tevatron, der eine Energie von 1.000 GeV hatte. Das war 1983. Und dann wurde eine wichtige Entdeckung gemacht, im Wesentlichen von Herrn Touschek. Touschek ist jemand, der während eines Teils des Krieges im Gefängnis saß. Und dort hat er mit dem Norweger Wideroe zusammengearbeitet. Er baute den ersten Speicherring. Zumindest auf dem Papier, denn im Gefängnis ist es ja ziemlich schwierig, etwas zu bauen. Jedenfalls kamen sie oft zusammen. Wideroe kam dann für gewöhnlich ins Gefängnis und brachte Touschek etwas mit, was er brauchte. Und das war Alkohol. Und zusammen begannen sie an diesen Dingen zu arbeiten. Nach dem Krieg hatte Wideroe einige Probleme zu beweisen, dass er kein Nazi war und Touschek ging nach Italien, um seinen ersten Ring zu bauen, ADA, A D A. Und da es sich um einen Speicherring handelte, hatte man nun die Teilchen; Und das ist auch das, was er zum ersten Mal in Frascati, mit dem ADA, sah. Das war ein riesiger Fortschritt und es ermöglichte eine sehr viel höhere Energie. Denn wenn ein Strahl auf ein Ziel geschossen wird, dann entsteht nicht allzu viel Energie. Aber wenn man eine Kollision der beiden herbeiführt, dann macht das einen gewaltigen Unterschied. Das passierte nun. Und seitdem versuchen die Menschen emsig, Speicherringe zu bauen, erst am CERN und später auch anderswo. Und auf diese Weise bekamen wir eine sehr effiziente Energie, die sehr hoch wurde. Die effiziente Energie ist heute, wenn man am LEP schaut, etwa 200 GeV. Bei der Größenordnung, von der ich hier heute spreche, scheint das nicht übermäßig viel, aber wie sie sehen, war das alles effizient. Es war eine der besseren Apparaturen. Und das Schöne an diesen Strahlen ist: Sie laufen rund herum und rund herum, man kann sie alle naselang kollidieren lassen. Der Nachteil solcher Strahlen, von Speicherringen, ist, dass die Dichte dieser Ringe nicht allzu hoch ist. Somit hat man Probleme, Ereignisse herbeizuführen. Das ist alles ziemlich kompliziert und ich möchte das hier nicht weiter vertiefen. Ein wichtiger Punkt ist, dass während des Entwicklungsprozesses all dieser Apparaturen, zusätzliche Erkenntnisse über die Teilchen gewonnen wurden. Und das Wichtige ist... Nun, schauen wir mal. Das Proton hat eine Masse von 1 GeV. Zyklotrone können keine Teilchen hervorbringen, die schwerer sind als ein Proton. Man kann nur ein K-Meson erzeugen und so weiter. Aber wenn man zu immer höherer Energie übergeht, kann man immer neue Teilchen erzeugen. Und so wurden bis Ende des letzten Jahrhunderts, ich meine 1900 und irgendwas, 1990 oder so, viele neue Teilchen gefunden. Und all diese Teilchen wurden im Wesentlichen künstlich mit diesen Apparaturen erzeugt. Und heraus kam etwas, das doch äußerst überraschend war. Das muss ich hier mal unterstreichen. Wir gehen Dinge an und bei all dem Tamtam über die Higgs neigen wir dazu, diese Probleme zu vergessen. Aber in meiner Wahrnehmung ist das nicht korrekt. Das erste Problem, dem wir uns entgegensehen, ist das Problem der 3 Familien. Wenn man so etwas hier hat... Das ist ein Teilchen, das wir entdeckt haben. Das Up-Quark, das Down-Quark, diese gehören zur ersten Familie. Das ist die Familie, die die gewöhnliche Materie bildet, so wie wir sie kennen. Die zweite Familie ist etwas, das man nicht sieht, das aber leicht zu erzeugen ist. Zumindest einige davon. Bei der dritten Familie wird es dann schwierig und die, also das Modell, wurde erst 1995 oder 96 oder so entdeckt und vervollständigt, als das Top-Quark entdeckt wurde. Wenn man sich dieses Bild anschaut und das Top-Quark außer Betracht lässt, dann kann man etwas vorhersagen. Es gibt Menschen, die solche Vorhersagen machen. Auf diese Weise wurde das Top-Quark vorhergesagt. Ok, sie wurden alle entdeckt und da befinden wir uns im Jahr 2000. Und niemand, wirklich niemand kann sagen, warum es 3 Familien sind. Es wurde schon alles Mögliche versucht. Ich erinnere mich, wie wir über diese Supersymmetrie nachdachten und die Supersymmetrie versprach eine Erklärung dafür zu geben, warum es 3 Generationen gibt. Aber sie hat ihr Versprechen nicht gehalten. Bis heute wissen wir es nicht. Ein Puzzleteil muss hier noch hinzugefügt werden. Die Frage ist: Wenn man 3 sieht, könnte man versucht sein zu glauben, es könnten 4, 5, 6 oder 7 sein. Wie kann man das wissen? Nun ja, wenn man sich die letzte Familie dort anschaut, das Top-Quark ist sehr schwer und sehr schwierig zu erzeugen. Also kann man sich vorstellen, dass die nächste Familie noch schwieriger nachzuweisen, zu erzeugen wäre. Doch das gilt nicht für Elektronen. Und dann kam noch etwas dazu. Dafür braucht man dann die Theoretiker. Und die Theoretiker entdeckten dann auf einmal etwas. Sie entdeckten, dass es einen Messwert gab, der irgendwie einen Zusammenhang schuf, tief verbuddelt zwischen all den Daten, und das brachte sie auf eine Idee. Und das ist sehr speziell für die Theorie, die wir haben. In der Theorie haben wir Orte, Punkte, an denen man tatsächlich sehen kann was dort oben geschieht, mit "dort oben" meine ich für große Massen. Und deshalb wissen wir zum gegenwärtigen Zeitpunkt aufgrund der Übereinstimmung der Daten mit dem besten Standardmodell, dass es nur 3 Generationen gibt. Wir wissen das mit großer Wahrscheinlichkeit, es sei denn es läge eine Art seltsame Verschwörung vor. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist das alles. Und das wird nun zum Problem. Nun, ich möchte das ein wenig ausweiten, um Ihnen aufzuzeigen, wo unsere Probleme liegen. Wenn Sie so etwas hier haben, 3 Teilchen. Wenn diese 3 Teilchen sich gewissermaßen wie das Atom-System und so weiter von Mendeleev präsentieren. Sie wissen ja, dass man viele elementare Dinge haben muss, dann das Periodensystem der Elemente, Wasserstoff, Helium und so weiter. Nun, wenn Sie so etwas sehen und vor allem, wenn Sie denken, es könnte noch mehr geben, dann wäre es ganz natürlich, zu denken, dass diese Teilchen das Ergebnis gebundener Zustände sind. Das ist eine ganz selbstverständliche Annahme. Der erste Schlag wird einem versetzt, wenn man mitgeteilt bekommt, dass es nicht mehr als 3 gibt, denn wenn man von gebundenen Zuständen ausginge, würde man mehr als 3 erwarten. Und dies ist nun das erste Problem. Mit gebundenen Zuständen kann man sich diese Sache hier nicht erklären oder man müsste einen Trick anwenden, wobei ein gebundener Zustand kein Vorgang ist, mit dem man Dinge immer schwerer bzw. mit immer größerer Masse erzeugen kann. Also keine gebundenen Zustände. Also, hier sehen Sie, dass wir 3 Gruppen haben und wir können diese nicht zu gebundenen Zuständen von etwas machen. Und hier wird es nun haarig. Aber wir wissen es nicht und bis heute ist das ein Problem, bei dem wir nicht wissen, wie wir es anpacken sollen. Was ich hier gerade sage, ist fast wortwörtlich dasselbe, was ich 1979 bei einer Konferenz am Fermilab gesagt habe. Und das zeigt ja, welche Fortschritte gemacht wurden. Seit 30 Jahren gehen wir dieses Problem hier an und niemand kennt die Lösung für dieses spezielle Problem. Und wenn Sie mich fragen, dann halte ich dieses Problem für etwas, das seltsamer ist, noch weiter weg als so was wie ein Higgs-Teilchen. Ok. Wenn wir uns nun all diese Teilchen anschauen, dann gibt es Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken. Einige davon kennen wir, wie etwa die Schwerkraft und Elektromagnetismus. Aber wir wissen weniger von den starken Kräften, den Kräften, die die Atomkerne zusammenhalten. Und dann gibt es die schwachen Kräfte. Das ist die erste Kraft, die den Neutronenzerfall bewirkt. Und dann haben wir die Higgs-Kräfte, die zu diesem Zeitpunkt vollkommen theoretischer Natur sind. Nun, schauen wir mal, wie das funktioniert. Jeder Kraft ist ein Teilchen zugeordnet. Und auf der anderen Seite gibt die Masse eines solchen Teilchens auch eine Vorstellung vom Umfang dieser Wechselwirkungen. Nun, Schwerkraft und Elektromagnetismus haben grundsätzlich eine unendliche Reichweite. Die Schwerkraft reicht so weit wie unser Sonnensystem und darüber hinaus und wir gehen davon aus, dass sie auch... Galaxien schafft und zusammenhält, obwohl wir das nicht mit Gewissheit sagen können. Das ist also die Schwerkraft, die eine, wenn nicht eine große, unendliche Reichweite, so doch eine sehr große Reichweite hat. Die andere Kraft ist Elektromagnetismus. Damit verbunden ist... Das ist auch eine Kraft mit großer Reichweite. Und verbunden mit diesen 2 Feldern sind die Teilchen, die wir... aus der Quantentheorie ...die wir Graviton und Photon nennen. Das Graviton hat nun eine Masse von 0, das bedeutet, dass es eine unendliche Reichweite hat. Und das Photon hat eine Masse von 0, was bedeutet, dass Elektromagnetismus, Coulombfeld und so weiter auch eine unendliche Reichweite aufweisen. Das Graviton wurde tatsächlich noch nie gesehen. Das ist keine Sache, die experimentell so einfach zu erzeugen ist. Das Photon kennen wir natürlich und vom Photon wissen wir mit ziemlicher Genauigkeit, dass die Masse 0 ist. Man könnte nun hinterfragen, bis zu welchem Maße. Dazu gibt es eine nette Geschichte, die mit einer Vorlesung zu tun hat, die Feynman einst gehalten hat. Darauf möchte ich hier aber nicht weiter eingehen. Also wir gehen davon aus, dass das Photon, nun, so gut wie masselos ist. So gut es eben kann. Kommen wir nun zu den schwachen Kräften, das ist eine ganz andere Sache. Die schwachen Kräfte haben verschiedene Teilchen. 1 oder 2 dieser Teilchen heißen W, W+, W-. Und eines von ihnen heißt Z. Mit Massen von 80 und 90 GeV. Das sind nun wirklich gewaltige Teilchen. Diese Teilchen der schwachen Wechselwirkungen haben eine Masse, die etwa 100 mal so groß ist wie die des Protons oder des Neutrons. Das allein ist schon beachtlich. Die Größenordnungen, mit denen man es in der Teilchenphysik zu tun bekommt, können einem wirklich den Atem verschlagen. Das W- und das Z-Teilchen sind also beides Teilchen mit sehr großer Masse. Und so dauerte es eine Weile, bis sie entdeckt wurden, bis sie experimentell nachgewiesen wurden. Und in der Tat würde ich sagen, dass wir erst darauf kamen, nachdem wir eine genauere Vorstellung von deren Gewicht hatten. Nun, an dieser Stelle ist es für die theoretische Physik sehr schwierig, mit diesen massiven Teilchen umzugehen. Hier endet die theoretische Physik. Und nun müssen wir uns fragen, was geschieht bei Kräften mit einer großen Masse, mit intermediären Teilchen großer Masse. Wie funktioniert das auf der Elementarteilchenebene? Unser erstes Beispiel, das ich betrachte ist der Myonzerfall. Das Myon ist ein Teilchen mit etwa 100 MeV, also 0,1 GeV. Und es zerfällt ganz von allein in 2 Arten von Neutrinos und in ein Elektron. Das tut es über ein intermediäres W-Teilchen, das eine Masse von 80 GeV besitzt. Und hier sehen wir eine Eigenschaft der Quantenmechanik. Ein sehr schweres Teilchen kann eine Rolle spielen, vorausgesetzt, dass das Ganze nicht zu lange dauert. Das waren die beobachteten Zusammenhänge. Also kann das intermediäre Teilchen, das W, eine Rolle spielen, solange man nicht versucht, es tatsächlich zu erzeugen, denn in dem Fall würde es zu lange bestehen bleiben. Und das funktioniert nicht, das ist zu viel Energie. Also ist es diese Art von Reaktion, die es ermöglicht, dass solche Teilchen auch bei niedriger Energie aktiv sind. Wenn man das auf diese Weise tut, dann erhält man auch so etwas hier. Hat man ein Teilchen, das ein intermediäres, nur kurzzeitig vorhandenes Teilchen ist und das nicht wirklich existieren kann, weil es zu schwer ist, so nennt man es virtuelles Teilchen. Man kann eine Sache jederzeit benennen, wie man möchte... Nun ja, ein Teilchen wie dieses nennt man virtuelles Teilchen. Und es können auch andere Reaktionen auftreten. Und hier haben wir eine Reaktion, die für uns von Bedeutung ist. Man kann ein My-Meson haben. Das kann sich für einen kurzen Moment aufspalten in ein Neutrino vom Typ Myon und ein W-. Und sich dann schnell wieder verbinden. Es muss sich schnell wieder verbinden, das ist eine Möglichkeit. Und in der Tat, wenn man darüber nachdenkt, kommt man dahinter, dass dies ein Quantenäquivalent eines Teilchens ist, das in seinem eigenen Feld sitzt, in diesem Fall im Feld schwacher Wechselwirkungen der Ws. Hier sitzt nun ein Teilchen in seinem eigenen Feld und das generiert dieses Diagramm und man kann es übersetzen in einen Beitrag zur Masse dieses Teilchens. Und dann stellt sich heraus, das ist der zweite Schritt, dass diese Masse unendlich ist. Nun, hier macht die Theorie Fortschritte. Aber dann stoßen wir an unsere Grenzen und die Grenze ist, dass die Berechnung, an die wir glauben wollen, genau genommen "unendlich" als Ergebnis hervorbringt. Damit bekommt man ein Elektron mit unendlicher Masse. Aber was kann man damit anfangen? Nun, niemand kann etwas damit anfangen. Ein Elektron, das in seinem eigenen Feld sitzt, und soweit wir wissen gibt es dort eine Unendlichkeit. Und wir wissen nicht, wie wir damit umgehen sollen. Nun, wir wissen wie wir damit umgehen sollen, aber wir wissen nichts über diese spezielle Unendlichkeit. Also ist diese Energie, die Selbstenergie unendlich. Auf der anderen Seite wissen wir, dass diese Energie nicht unendlich sein kann, denn das Elektron hat eine Masse von einem Halben MeV, und das ist nicht unendlich. Niemand hat dieses spezielle Problem gelöst. Und es gab nur eine partielle Lösung dieses Problems durch Herrn Kramers, ein theoretischer Physiker aus Leiden, in Holland. Das tat er. Das ist keine so unlogische Aussage. Also sagte er: "Ok, solange in einer gegebenen Theorie die Anzahl von Unendlichkeiten, wie sie hier skizziert wurden, endlich ist, so kann man die experimentell ermittelten Werte dieser Mengen nehmen, sie für die Unendlichkeiten einsetzen, was natürlich eine unschöne Sache ist und dann trifft man Vorhersagen über die anderen beobachtbaren Werte." Das ist die von Kramers vorgeschlagene Vorgehensweise. Seitdem wurde es offiziell. Das nennt sich Renormierung. Und die Theorie, bei der das anwendbar ist... Man kann das nur bei einer Theorie anwenden, wenn diese Theorie eine begrenzte Anzahl von Unendlichkeiten aufweist. Denn wenn man eine unendliche Anzahl davon hat, dann müsste man unendlich viele Zahlen anpassen und das geht nicht. Die renormierbaren Theorien sind also jene, die es erlauben, dieses Verfahren anzuwenden. Und 1948 wurde festgelegt, dass die Quantenelektrodynamik, die Quantenversion von Maxwells Theorie, in der Tat renormierbar war. Das führte zu großer Aufregung und einigen Vorhersagen. Die Vorhersage war das anomale magnetische Moment für das Elektron und das Myon. Und da war noch etwas, das sogenannte Lamb-Shift, die Lamb-Verschiebung. Damit produzierte die nach Kramers Vorgehensweise aufgestellte Theorie tatsächliche Ergebnisse. Und das war ein bedeutender Moment für die Teilchenphysik. Das hat die Lebensdauer der Feldtheorien verlängert. Die Feldtheorien in der Teilchenphysik hatten wirklich Schwierigkeiten, dorthin zu gelangen. Das ist sozusagen wie ein schwieriges Kind, das heranwächst, und an jeder Ecke wartet die nächste Schwierigkeit. Nun, in diesem Fall stellten die Unendlichkeiten die Schwierigkeiten dar. Zuvor gab es andere Probleme. Aber bis 1948 hatten wir diese Hürden genommen. Wir sehen uns einer anderen Hürde gegenüber, aber das ist der Punkt, an dem wir angelangt sind. Schwache Wechselwirkungen, die Ws und Zs umfassen, sie blieben damals rätselhaft. Aber 1964 wurde entdeckt, dass bei einem gewissen Theorie-Typ mit vielen internen Symmetrien ein neues Element hinzukam. Man hatte also eine Theorie, man hatte eine Unendlichkeit und man erzeugte etwas, das die Unendlichkeit mit entgegengesetztem Vorzeichen ergab. Und diese Vorgehensweise war damals reizvoll. Sie wurde für die schwachen Wechselwirkungen geschaffen. Damit bekam man eine Symmetrie, die die Renormierbarkeit sicherstellte. Genau das passierte. Und eine solche Theorie nennt sich Yang-Mills-Theorie. Die ersten Teilchen in dieser Theorie, das Äquivalent zum Photon und zum Graviton, waren auch hier masselos. Damit bestand weiterhin das Problem, diesen Teilchen eine Masse zu geben. Mit massereichen Teilchen wurde die Theorie nicht-renormierbar. Das war eine große Enttäuschung. Und 1971 wurde entdeckt, dass die Renormierbarkeit der Theorie wiederhergestellt werden konnte, auf Kosten der Einführung eines neuen Teilchens, des Higgs-Teilchens, benannt nach Peter Higgs, der 1964 ein Teilchen vorschlug, aber nichts im Hinblick auf Renormierbarkeit tat. Das ist nun die Situation, in der wir uns '71 befanden. Wir konnten die Theorie schwacher Wechselwirkungen renormierbar machen, aber nur auf Kosten eines neuen Teilchens. Und das zeigt uns etwas über das Higgs. Es handelt sich dabei eigentlich um ein theoretisches Gebilde. Es ist sehr schwer zu begreifen, warum wir das Higgs benötigen. Es dient der Auflösung einer Unendlichkeit. Wie soll man das veranschaulichen? Ich kenne nur einen Weg, dies zu tun; mit einem Streuprozess. Sagen wir, ein Proton eines Elektrons oder ein Quark eines Elektrons; zwischen diesen wirkt das Coulomb-Gesetz. Das lautet 1 durch R, so dass es förmlich explodiert, wenn diese Teilchen sich sehr nah kommen. Die Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist dann eine weitere Kraft zu schaffen, und das war die auf W und Z zurückzuführende Kraft, die nur sehr kurzfristig wirksam wird. Und man gibt der Kraft das umgekehrte Vorzeichen. Sie streuen also und während der Annäherung wirken schwache Wechselwirkungen und Elektromagnetismus zusammen und heben sich gegenseitig auf. Aber wenn man das tut, stellt man theoretisch fest, dass es nicht gelingt, die Größen bis ins kleinste Detail aufzuheben. Man muss noch einen Schritt weiter gehen. Und da kommt das Higgs-Feld ins Spiel, welches ebenfalls ein Austausch zwischen den beiden ist. Und es hebt sozusagen das letzte Stückchen auf. Das ist eine komplizierte Konstruktion, die die Theoretiker aus dieser Theorie gemacht haben. Und das ist das Higgs-Teilchen. Wir benötigen es also aus theoretischen Gründen, aber es ist sehr schwierig zu veranschaulichen, warum man dieses Teilchen benötigt, weil man dazu in die Berechnung von Unendlichkeiten und ähnlichen Dinge eintauchen müsste. Nun, dieses Higgs-Teilchen selbst ist keine Vorhersage der Theorie, wir kennen seine Masse nicht. Aus dem Prozess der Aufhebung von Kräften kann man keine Masse ableiten. Es macht eigentlich keinen Unterschied, ob es sich bei kleiner Entfernung oder bei großer Entfernung ereignet. Und danach wurde seit 1972 oder '71, mehr oder weniger zu der Zeit, gesucht. Und ich erinnere mich, dass jedes Jahr der Grenzwert der Masse, also die Untergrenze, angehoben wurde. Sie begann bei etwa 500 MeV, ging auf 1 GeV, ging dann auf 10 GeV. Dann gab es Leute, die sagten, sie läge bei 30 GeV und so weiter und so fort. Ich selbst leistete einen weiteren Beitrag zur Masse, indem ich sagte - und das war eine sichere Sache, denn bisher wurde es ja nicht gesehen - naja, vielleicht ist es ja gar nicht vorhanden. Also steuerte ich die Vorstellung bei, dass es nicht vorhanden sei. Natürlich führt das dann zu einem Problem. Das Problem, dass die Unendlichkeiten beibehalten bleiben. Nun, damit muss man irgendwie umgehen. Die letzten Neuigkeiten vom CERN sind nun, dass sie möglicherweise das Higgs mit einer Masse von rund 125 GeV gesehen haben. Donnerstag werden wir es mit Sicherheit wissen. Naja, nicht wirklich mit Sicherheit. Mit einem kleinen bisschen Sicherheit. Nun kommt also das Higgs. Was bedeutet das? Und das ist es, was ich Ihnen sagen muss. Was bedeutet es, wenn das Higgs am LHC entdeckt wird? Zunächst einmal vervollständigt es das Standardmodell. Bedauerlicherweise bedeutet die Vervollständigung des Standardmodells auch, dass sozusagen eine Tür geschlossen wird. Man schließt die Tür zum Standardmodell und findet sich in einem Raum wieder, in dem man nirgendwo mehr eine Tür sieht. Die Schwierigkeit mit dieser Lösung - also dass das Higgs da ist - ist, dass wir keine Vorstellung davon haben, welches Experiment wir durchführen sollen, um das Ganze mit den Teilchen besser zu verstehen, und - das habe ich ja gerade erklärt - führt zu großen Problemen wie etwa der Familienstruktur, den Massen und so weiter. Die Entdeckung des Higgs ist somit in gewisser Weise etwas Schlechtes. Nun, das ist traurig aber wahr. An diesem Punkt sind wir nun angelangt, wenn das Higgs tatsächlich gefunden wurde. Und die Sache ist, dass sie am CERN dann einige Jahre lang weitermachen können, um die Eigenschaften dieses Teilchens nachzuweisen. Das müssen sie tun, sie müssen zeigen, dass das Teilchen all die Eigenschaften aufweist, die wir von ihm erwarten. Das ist alles sehr präzise, wir wissen exakt, welche Eigenschaften es haben sollte. Und danach können wir sagen: "Lasst uns das Kapitel schließen und nach Hause gehen. Sie möchten, dass ich jetzt nach Hause gehe, richtig?" Das ist also die Situation und ich möchte noch ein wenig weiter machen und deshalb gehe ich noch nicht. Wir haben also den Higgszerfall. Wie kann es zerfallen? Hier können Sie es sehen. Dann komme ich zu einem weiteren Problem. Und das ist die Kosmologie. Denn wir vermuten, dass das Higgs seine Probleme mit der Kosmologie hat. Das Higgs-Feld ist etwas, das dort überall im All vorhanden ist. Und wenn das der Fall ist, dann wäre die Schwerkraft die erste, die es aufspüren würde und eine kurze Berechnung zeigt uns, dass die Schwerkraft - wenn es ein solches Higgs gäbe - unser Universum so groß machen würde. Das widerspricht allen experimentell ermittelten Daten. Das hat also desaströse Folgen für die Kosmologie. Aber die Kosmologen haben natürlich ein intellektuelles... wie kann ich das ausdrücken ...eine intellektuelle Fähigkeit, Probleme zu lösen und so werden sie auch dieses lösen können. Sie tun dazu Folgendes: Sie nehmen an, dass das Universum vor Auftreten des Higgs in die andere Richtung gebogen war. Dann kommt das Higgs und nun wird es flach mit einer Genauigkeit von weiß Gott wie vielen 10 hoch irgendwas, ziemlich unglaubwürdig. Aber das ist die Situation, die wir haben. Und während die Kosmologen weiterarbeiten und weiterhin das Universum erkunden und jedes Mal neue Erklärungen finden, wird es irgendwann eine geben. Wir müssen einfach warten. Doch ich würde sagen, dass das eine wirkliche Schwierigkeit ist. Wir haben die kosmologische Konstante und hier gibt es zwei Möglichkeiten, darauf bestehe ich. Entweder irgendetwas mit der Schwerkraft stimmt nicht, irgendetwas mit dem Higgs-System stimmt nicht oder mit der Schwerkraft könnte etwas nicht stimmen. Mit unserer Auffassung von Schwerkraft. Nun, das ist wirklich ernst. Wenn sie nun also am CERN mit der Ankündigung kommen, dann merken Sie sich, dass wir an anderer Stelle große Schwierigkeiten bekommen. Und hier ist Herr Peter Higgs, der versucht, mir das mitzuteilen. Er sagt mir, es sind 125 GeV. Und ich antworte, dass ich ihm nicht glaube und dann hat er Recht, Herrgott nochmal. Und das ist Herr Einstein, und seine Relativitätstheorie musste alle möglichen Schwierigkeiten erleiden. Hier hat er ein Problem.


The LHC at CERN and the Higgs.
Lecture by Martinus Veltman, Lindau, July 1-7, 2010.

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 nucleus
surrounded 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

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

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

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.

Meanwhile, CERN has been producing results. These include events that could
be interpreted as evidence for a Higgs particle of approximately 125 GeV,
that is about 133 times as massive as the proton. The relevamt events observed
could be interpreted as one of the following three types:

- Higgs decay into two photons;
- Higgs decay into two Z (the neutral vector boson of the weak interactions)
of which one is virtual;
- Higgs decay into two W (the charged vector boson of the weak interactions)
of which one is virtual.

More data will be needed before any firm conclusions can be drawn; that could
be somewhere during the next year. The latest results will be discussed.