Big Higgs Hunt

Big Higgs Hunt

Alexey Levin
"Mekanik Popular" №5, 2013

Pada 4 Julai 2012, ia secara rasmi mengumumkan bahawa percubaan pada pencarian boson Higgs di Large Hadron Collider (LHC) kemungkinan besar akan dimahkotai dengan kejayaan.

Mengapa pakar fizikal memerlukan boson ini? Simetri Model Standard (lihat "PM" No. 3'2012) melarang zarah-zarah asas daripada mempunyai massa nonzero. Masalahnya boleh dielakkan jika kita mengandaikan bahawa keseluruhan ruang dipenuhi dengan bidang khusus yang memecah simetri ini dan memberikan massa kepada semua zarah, kecuali foton, gluon dan, mungkin, neutrino.

Menurut tradisi yang ditetapkan pada tahun 1966 oleh ahli fizik Amerika Benjamin Lee, ia dipanggil bidang Higgs. CM mengandungi empat medan Higgs dan, dengan demikian, empat boson skalar, tiga daripadanya tidak mempunyai jisim. Mereka memberikan massa bos bos vektor W+W dan Z, tetapi mereka sendiri hilang. Tetapi kuantum besar medan keempat, yang mungkin muncul akibat perlanggaran partikel tenaga tinggi, muncul untuk masa yang sangat singkat sebagai zarah bebas. Ia adalah boson Higgs, atau hanya Higgs.

Boson paddock

Teori ini menjadikannya mustahil untuk menentukan jisim boson Higgs – ini boleh dilakukan hanya secara percubaan.Untuk masa yang lama, tidak mungkin untuk membuat perkiraan anggaran jisim ini, hanya had atasnya diketahui – kira-kira 1000 GeV.

SM membolehkan kita mengira kebarangkalian pelbagai kaedah (saluran) pengeluaran dan pelepasan Higgs dalam eksperimen pada pemecut. Walau bagaimanapun, hasil pengiraan ini sangat bergantung kepada jisimnya, yang pada mulanya tidak diketahui. Sebaliknya, sekurang-kurangnya nilai-nilai hipotetis kebarangkalian ini diperlukan, jika tidak, jejak pelunturan hanya akan menenggelamkan dalam banyak peristiwa lain berikutan pelanggaran zarah tenaga tinggi.

Oleh itu, lama sebelum permulaan eksperimen pada pemecut, ahli-ahli teori menipu kebarangkalian pelbagai pengeluaran dan proses penghancuran Higgs. Kerja pertama itu diterbitkan seawal tahun 1975, walaupun pengarangnya menganggap proses ciri-ciri 10 jisim boson GeV (keupayaan akselerator pada masa itu adalah terhad).

Sijil kelahiran

Menurut SM, bos bos Higgs di LHC dilahirkan dengan cara yang berbeza. Sebagai contoh, perlanggaran gluon sepasang melibatkan kelahiran t-quark maya, yang menghancurkan membentuk Higgs. Satu lagi hasil daripada perlanggaran seperti ini ialah kemunculan sepasang "quark-antiquark" ditambah boson Higgs.Sepasang bertaburan "intraproton" quark dapat menimbulkan dua quark sebenar tenaga yang lebih rendah dan dua boson vektor berat maya (W atau Z), yang bersama-sama menghasilkan boson Higgs. Dan akhirnya, proses yang mungkin akan menarik boson Higgs keluar dari vakum dalam sebuah syarikat dengan bos W atau Z. Tetapi mana-mana perbuatan penciptaan Higgs sangat jarang berlaku: dalam satu tahun setengah, pertembungan tak terhitung jumlahnya daripada proton Bak boleh menghasilkan hanya 200,000 Higgs.

Tetapi sejak awal 1990-an, ketika memburu sebenar untuk zarah sukar difahami bermula, ahli fizik secara beransur-ansur mula menyertakan bendera merah di kawasan orang ramai di mana Higgs tidak dapat. Dari tahun 1989 hingga 2000, Electron-Positron Collider Besar (LEP) berfungsi di CERN, di mana sebuah terowong 27 kilometer yang dibina bawah tanah (kini cincin utama LHC terletak di sana).

Tenaga perlanggaran zarah dalam LEP, yang pada awalnya tidak melebihi 90 GeV, lebih dari dua kali ganda dengan masa. Analisis eksperimen LEP menunjukkan bahawa jisim Higgs tidak boleh kurang daripada 114.4 GeV. Dari tahun 2007 hingga 2011, dia telah dicari dalam pemecut proton-antiproton Amerika. Tevatron, yang lebih sempit (walaupun secara statistiknya tidak terlalu ketara) jisim Higgs – sehingga 115-135 GeV.

Hasil eksperimen di LHC yang diterbitkan pada akhir tahun 2011 menunjukkan bahawa jisim Higgs adalah tepat di tengah-tengah selang ini, dalam selang antara 124 dan 126 GeV. Oleh itu, data eksperimen untuk tahun 2012 dikira atas dasar andaian bahawa ia adalah 125 GeV.

Perhimpunan Proton

Tidak seperti LEP dan Tevatrondi mana zarah dan antipartikel bertembung, LHC beroperasi hanya dengan proton. Pada 2010-2011, tenaga mereka adalah 3.5 GeV, dan pada tahun 2012 ia meningkat kepada 4 TeV. Pada bulan Februari tahun ini, LHC ditutup sehingga tahun 2016 untuk pemodenan, selepas itu tenaga zarah dalam setiap rasuk akan dibawa ke 7 TeV (oleh itu, jumlah tenaga akan menjadi 14 TeV), serta meningkatkan frekuensi perlanggaran (collider luminosity).

Dalam mencari boson Higgs di penjana, 500 trilion proton pada masa yang sama berputar, dikumpulkan ke dalam kira-kira 2800 tandan (tandan). Carian telah dijalankan di kompleks pengesan utama ATLAS collider (A Toroidal Lhc Radas) dan CMS (Compact Muon Solenoid). Dalam pengesan, bidang elektromagnet kawalan mengurangkan proton daripada trajektori selari dan mengarahkannya ke arah satu sama lain.

Kek puff
Kompleks ATLAS dan CMS mengandungi pengesan trek yang menentukan trajektori zarah dan kalorimeter elektromagnet untuk mengukur tenaga foton,elektron dan positron. Tenaga hadron diukur menggunakan calorimeter hadron, muons – spektrometer muon. Neutrinos melarikan diri dari semua pengesan, tetapi membawa sebahagian daripada jumlah nadi.

Walaupun ratusan bilion zarah terlibat dalam perlanggaran dua tandan, pada tahun 2011 bilangan rata-rata perlanggaran interproton setiap satu kenalan tidak melebihi sedozen, dan pada tahun 2012 ia meningkat menjadi dua puluh. Tetapi sejak tandan melintasi 20 juta kali sesaat, jumlah pertembungan sesaat diukur dalam ratusan juta.

Kesan depan dua proton (yang terdiri daripada quark dan antiquark yang dipegang bersama oleh medan gluon), dipercepatkan kepada kelajuan cahaya dekat, menimbulkan banyak zarah sekunder, di antaranya terdapat juga Higgs.

Cetakan jari

Boson Higgs bukan sahaja sukar untuk dihasilkan, tetapi sangat sukar untuk dikesan. Menurut CM, hayatnya adalah 1.6 · 10-22 c, dan jarak antara titik kejadian dan kehilangannya tidak melebihi beberapa puluh femtometer. Dan walaupun pengesan BAC adalah keajaiban peralatan pengukur, mereka tidak dapat mengukur jarak pendek tersebut.Oleh itu, boson Higgs boleh didapati secara eksklusif oleh produk pembusukannya.

Dan di sini terdapat kesukaran. Jika jisim Higgs adalah 125 GeV, maka dengan kebarangkalian kira-kira 70% ia menjadi sama ada pasangan b-quark-b-antiquark atau sepasang gluon, yang dalam perjalanan transformasi selanjutnya menimbulkan jet-berpuluh-puluh jet conic. Mereka mudah untuk mengesan … tetapi sangat sukar untuk membezakan dari jet asal bukan Higgs. Dalam 27% kes lain, W-boson atau lepton yang paling besar, tau zarah, yang juga meninggalkan tandatangan tidak penting dalam pengesan, muncul di tempat Higgs yang hilang.

Tetapi alam memberi saintis dua peluang lagi untuk mencari boson yang didambakan. Sebagai elektrik neutral, dia tidak dapat menghasilkan foton secara langsung, tetapi boleh melakukan ini melalui contoh perantaraan. CM membenarkan Higgs menghasilkan zarah-zarah maya yang besar, yang segera hilang dan meninggalkan sepasang gamma quanta. Higgs juga boleh menjadi dua Z-boson neutral (juga maya, jika tidak, undang-undang pemuliharaan tenaga akan dilanggar, kerana jisim ganda Z-boson jauh lebih besar daripada massa Higgs).

Skala planet

  • Untuk merakam semua jejak perlanggaran interproton tunggal, anda memerlukan sekurang-kurangnya megabyte, dan keseluruhan aliran data mentah dari pengesan LHC adalah 300 GB / s.
  • Maklumat berlebihan dihapuskan menggunakan sistem penapisan komputer dua peringkat, supaya aliran data dapat dikurangkan menjadi 300 MB / s "sederhana".
  • Jumlah data tahunan yang direkodkan dari pengesan LHC pada tahun 2010 adalah sekitar 13 petabytes, pada tahun 2012 angka ini meningkat kepada 25 petabytes.
  • Data ini dihantar ke rangkaian maklumat. Di seluruh dunia Lhc Grid komputermenyatukan lebih daripada 170 pusat komputer di 36 negara di dunia. Rangkaian ini membolehkan saintis di seluruh dunia menganalisis berpuluh-puluh petabytes maklumat mengenai 300 trilion perlanggaran di LHC.
  • Pasukan kejuruteraan saintifik masing-masing pengesan ATLAS dan CMS terdiri daripada lebih daripada 3000 pakar dari lebih daripada 40 negara di dunia.

Setiap daripada mereka, sebaliknya, merebus ke dalam elektron dan positron atau ke muons positif dan negatif, sehingga akhirnya Higgs berubah menjadi empat kali lepton. Peluruhan ini memberi tanda tangan yang paling jelas dalam pengesan, tetapi kebarangkalian keseluruhannya sangat kecil: dengan massa 125 GeV Higgs, ia adalah 0.23% untuk saluran dua foton dan 0.013% untuk saluran empat lepton.Lagipun, kelas berat seperti Higgs, lebih mudah untuk berubah menjadi zarah besar daripada menjadi foton, elektron dan muons.

Persembahan rasmi

Mencari jarum di dalam rumput kering adalah keseronokan kebudak-budakan berbanding dengan memburu Higgs. Oleh itu, kerjasama CMS selama satu setengah tahun percubaan mendedahkan hanya lima (!) Peristiwa Four-lepton yang harus mengikuti pereputan Higgs menjadi sepasang Z-boson. Walau bagaimanapun, kedua-dua pasukan bukan sahaja mendaftarkan kelahiran zarah seperti "Higgs" (elektrik neutral, dengan spin integer tidak sama dengan satu, dan pariti positif) dengan kebarangkalian kesalahan yang sangat rendah, tetapi juga hampir dianggarkan dengan jisim: 126.0 ± 0.6 GeV (ATLAS) dan 125.3 ± 0.6 GeV (CMS).

Keputusan Julai juga mengandungi kejutan kecil. Zarah baru menunjukkan dirinya dalam saluran dua-foton pereputan satu setengah kali lebih kerap daripada CM yang ditetapkan. Higgs meletus ke b-quarks dan W-bosons tidak dapat diperhatikan (ahli fizik tidak benar-benar berharap untuk itu), tetapi peneliti tidak mendapati tanda-tanda Higgs kerosakan ke dalam zarah tau, walaupun peluang untuk pengesanan mereka agak tinggi. Peserta kerjasama ATLAS juga mengumumkan percanggahan dalam perkiraan massa partikel baru yang dikesan dalam dua foton dan empat saluran lepton.

Dalam kes pertama, ia hampir bertepatan dengan nilai sebelumnya, tetapi pada yang kedua ternyata kurang dengan kira-kira 3 GeV. Ini semua lebih pelik kerana kerjasama CMS sebulan lebih awal (pada bulan November 2012) menerbitkan anggaran terkini jisim zarah itu sendiri untuk kerosakan empat leptonnya, yang hampir bertepatan dengan anggaran bulan Julai. Pakar fizikal cenderung untuk mempercayai bahawa percanggahan ini disebabkan oleh turun naik statistik.

Fizik: lama atau baru?

"Peningkatan frekuensi penghancuran Higgs yang dijangkakan kepada sepasang gamma quanta masih belum dijumpai penjelasan yang pasti. Kelahiran dan kehilangan zarah pengantara maya juga boleh meningkatkan kekerapan peristiwa saluran dua foton berbanding jangkaan Model Standard," ahli fizik teori keadaan teoritis mengulas Institut Teknologi California Sean Carroll, pengarang buku baru-baru ini mengenai pencarian boson Higgs – Oleh itu, data mengenai kerosakan dua foton mungkin merupakan tanda fizik baru. hipotesis, dan ada kemungkinan bahawa mereka dapat dijelaskan dalam rangka SM. "

Seperti yang dikatakan Carroll, percanggahan 3 GeV di antara massa boson juga boleh dikaitkan dengan fizik baru.Tetapi dalam kes ini, perlu diketahui bahawa penghancuran dua buah boson yang berbeza tetapi sangat serupa telah dijumpai. Adalah sukar untuk menghasilkan satu teori yang memungkinkan untuk wujud bersama dengan boson tersebut.

Mungkin semuanya lebih mudah: bilangan peletusan yang dikesan sangat kecil, dan walaupun perbezaan kecil dalam anggaran jisim dikira atas dasar setiap peristiwa individu dapat mengubah keputusan akhir dengan ketara. Oleh itu, percanggahan itu mungkin hilang kerana data eksperimen terkumpul dan ditapis.

Menurut Carroll, semua data yang diterbitkan mengenai zarah baru belum dimasukkan ke dalam agenda pembetulan Model Standard. Keadaan ini mungkin berubah pada tahun 2015, apabila LHC akan dilancarkan selepas pemodenan. Sehingga itu, CM tidak mengancam apa-apa. Komuniti saintifik berpendapat sama: pada awal bulan Mac 2013 pada persidangan saintifik yang diadakan di Itali Moriond-2013 telah dibentangkan hasil analisis hampir semua petunjuk pengesan LHC yang terkumpul pada 2011-2012. Kesimpulan umum tidak terdengar seperti sensasi: zarah yang baru ditemui semakin banyak menyerupai boson Higgs, seperti yang dijelaskan oleh Model Standard.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: