Yurii Mongol
0 
4749
172
Idag är en bra dag för fysik.
Två nya resultat som släpptes idag (4 juni) har hittat Higgs-bosonen dyker upp tillsammans med den tyngsta partikel som någonsin upptäckts. Och resultaten kan hjälpa oss att bättre förstå ett av de mest grundläggande problemen i fysiken - varför materien har massa.
Resultaten släpptes vid konferensen Large Hadron Collider Physics 2018 i Bologna, Italien. Upptäckten genomfördes oberoende av två experiment (A Toroidal LHC Apparatus, eller ATLAS, och Compact Muon Solenoid, eller CMS) med användning av data registrerade vid Large Hadron Collider (LHC), beläget vid CERN-laboratoriet i Schweiz. Dessa resultat är tillgängliga för allmänheten i två artiklar, ett som just skickats in för publicering och ett som just har publicerats.
Jakt efter massa
Jakten på Higgs och massans ursprung har en fascinerande historia. 1964 förutspådde flera grupper av forskare, inklusive den brittiska fysikern Peter Higgs och den belgiska fysikern Francois Englert, att massan av grundläggande subatomära partiklar uppstod genom interaktioner med ett energifält som nu kallas Higgs-fältet. Energifältet genomsyrar universum. Partiklar som interagerar mer med fältet är mer massiva, medan andra interagerar lite med fältet, och vissa inte alls. En konsekvens av denna förutsägelse är att en subatomär partikel som kallas Higgs boson bör existera. [6 Implikationer av att hitta Higgs Boson]
Efter nästan 50 års sökning hittade forskare vid LHC Higgs boson 2012. För deras framgångsrika förutsägelse delade Higgs och Englert Nobelpriset 2013 i fysik.
Den tyngst kända grundläggande subatomära partikeln är toppkvarken, som upptäcktes 1995 vid Fermilab, som ligger strax väster om Chicago. Det finns sex kända kvarkar. Två är stabila och finns i mitten av protoner och neutroner. De andra fyra är instabila och skapas endast i stora partikelacceleratorer. En enda toppkvark har en massa som är jämförbar med en volframatom.
Undvikande mätning
I dagens tillkännagivande beskrev forskare en klass av kollisioner där ett toppkvarkmaterial / antimatterpar skapades samtidigt med en Higgs-boson. Dessa kollisioner gör det möjligt för forskare att direkt mäta interaktionsstyrkan mellan Higgs bosoner och toppkvarkar. Eftersom interaktionen mellan en partikel och Higgs-fältet är det som ger en partikel dess massa, och eftersom toppkvarken är den mest massiva grundläggande subatomära partikeln, samverkar Higgs-bosonen mest kraftfullt med toppkvarken. Följaktligen är interaktioner av detta slag ett idealiskt laboratorium för att göra detaljerade studier av massans ursprung.
Denna mätning var särskilt utmanande. Upptäckten av Higgs-bosonen 2012 innebar bara en handfull kollisioner. Kollisioner där både Higgs-bosoner och toppkvarker produceras samtidigt sker bara i 1 procent av kollisionerna där en Higgs-boson produceras. När man inkluderar den stora mångfalden på vilka toppkvarkar kan förfalla krävde denna analys dussintals oberoende analyser, där hundratals forskare involverades. Analyserna kombinerades sedan till en enda mätning. Detta var en mycket svår prestation.
Innan denna mätning var det inte möjligt att direkt mäta interaktionsstyrkan för en toppkvark och Higgs-bosoner. Higgs-bosoner har en massa på 125 GeV (miljarder elektron volt) och toppkvarken har en massa på 172 GeV. Så, ett toppkvark / antikvarkpar har en massa av 344 GeV, vilket är större än Higgs-bosonens massa. Det är därför omöjligt för en Higgs-boson att förfalla till ett toppkvark / antikvarkpar. Istället skapas ett toppkvark / antikvarkpar och en av dessa två partiklar avger en Higgs-boson. Varje toppkvark sönderfaller i tre partiklar, och Higgs boson sönderfaller i två. Således finns det efter partiklarnas förfall åtta olika sönderfallsprodukter i detektorn, som måste tilldelas korrekt. Det är en mycket komplex uppsättning data. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Naturens minsta partiklar dissekerade]
Det är också en mycket sällsynt typ av interaktion. Forskare siktade runt en fyrhjuling (10 upp till 15 makt) kollisioner mellan par av protoner för att identifiera bara en handfull kollisioner med de nödvändiga egenskaperna.
Rest mysterier
Medan upptäckten av Higgs-bosonen och efterföljande mätningar får forskare att tro att teorin som först skrivs ned 1964 av Higgs och Englert och andra är korrekt, finns det fortfarande några betydande kvarvarande mysterier. Bland dem: Varför har Higgs boson massan som den gör? Och varför finns det ett Higgs-fält alls? Först och främst är det faktum att Higgs-teorin inte motiveras av en djupare teoretisk ram. Det läggs helt enkelt till på. I sin enklaste form förutspår standardmodellen (som är den ledande teorin om subatomära interaktioner) att alla grundläggande subatomära partiklar är masslösa. Detta står i direkt motsats till mätningarna. Higgs-teorin läggs till, liksom en teoretisk bandhjälp, till standardmodellen. Eftersom Higgs-teorin kan förklara massan hos dessa partiklar har Higgs-teorin nu anslutits till standardmodellen.
Men det är fortfarande ett bandhjälp, och det är en otillfredsställande situation. Kanske genom att studera interaktioner mellan Higgs bosoner och de partiklar som de interagerar mest med, kommer vi att avslöja vissa beteenden som pekar på en djupare och mer förklarande underliggande teori..
Dessutom är det numeriska värdet för massan av Higgs boson lite av ett mysterium. Higgs-fältet ger massa till grundläggande subatomära partiklar, inklusive Higgs-boson själv. Men historien är mer komplex än så. På grund av kvantmekaniska effekter kan Higgs-bosonen tillfälligt överföra sig till andra subatomära partiklar, inklusive toppkvarken. Medan Higgs-boson är i detta överförda tillstånd kan dessa tillfälliga partiklar interagera med Higgs-fältet och därmed indirekt förändra Higgs-bosonens massa. När dessa effekter beaktas, är den förutsagda och uppmätta massan av Higgs boson i vild oenighet. Detta är ett pressande mysterium för modern fysik och förhoppningsvis kommer bättre mätningar av interaktioner mellan Higgs bosoner att kasta ljus på detta svårigheter.
Även om dagens tillkännagivande endast omfattar ett litet antal kollisioner där toppkvarker och Higgs-bosoner skapas, kommer det i framtiden att vara möjligt att studera denna process med mycket större precision. LHC fungerar utmärkt, men i slutet av 2018 kommer den bara ha levererat 3 procent av de uppgifter som den förväntas leverera. I slutet av 2018 stängs LHC i två år för uppgraderingar och renoveringar. År 2021 kommer collideren att återuppta sin verksamhet med hämnd och fungera fram till 2030. Under den perioden förväntar forskare sig att registrera 30 gånger mer data än vad som har samlats in i slutet av detta år.
Det är svårt att veta vad vi kommer att hitta. LHC och tillhörande detektorer är extraordinära teknologier och det är faktiskt troligt att de kommer att leverera ännu mer data än förutsagt. Med så mycket data är det mycket möjligt att forskare kommer att avslöja ett nytt fenomen som inte har upptäckts, men som kommer att kräva att vi skriver om läroböckerna. Det är ingen garanti, men en sak är säker: Dagens tillkännagivande innehåller en tydlig väg för att bättre förstå massans ursprung.
Redaktörens anmärkning: Don Lincoln är en fysikforskare på Fermilab. Han är författaren till "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), och han producerar en serie vetenskapliga utbildningsvideor. Följ honom på Facebook. De åsikter som uttrycks i denna kommentar är hans.