Data ATLAS baru mengenai boson Higgs: intriganya kekal • Igor Ivanov • Berita sains mengenai "Unsur" • LHC, Higgs boson, ATLAS Detector, Physics

Data ATLAS baru mengenai boson Higgs: intrik tetap

Rajah. 1. Satu contoh kejadian kelahiran dua foton tenaga tinggi di pengesan ATLAS, yang mungkin berlaku melalui kelahiran perantaraan dan pembusukan boson Higgs. Di bahagian tengah pengesan, jejak zarah bercas rendah tenaga dapat dilihat, dan dua bintik kuning terang sesuai dengan dua foton yang direkodkan oleh kalorimeter elektromagnetik. Imej dari Laporan Kerjasama ATLAS

Kerjasama ATLAS telah memperbaharui data mengenai pembusukan boson Higgs menjadi dua foton dan menjadi sepasang Z-boson. Hasil yang paling kuat dari LHC disahkan – lebihan pelepasan dua foton berbanding dengan Model Standard. Perbezaan juga didapati dalam jisim boson Higgs, tetapi nampaknya dijelaskan oleh turun naik statistik dan sama sekali tidak menunjukkan bahawa collider "melihat" dua buah bos Higgs.

Kajian boson Higgs: latar belakang ringkas

Pada 4 Julai 2012, pada seminar khas di CERN, pembukaan boson Higgs di Large Hadron Collider diumumkan. Zarah ini – gema pelanggaran simetri elektro-lemah – transformasi asas Universe kita, yang berlaku dalam era "pemuda panas" – telah diramalkan oleh ahli teori setengah abad lalu.Tetapi sekarang, selepas beberapa dekad mencari dalam pelbagai eksperimen, kewujudannya telah ditubuhkan dengan pasti. Kita boleh mengatakan bahawa era mencari boson Higgs berakhir dalam fizik zarah dan era kajian komprehensifnya bermula.

Ia adalah perlu untuk mengkaji boson Higgs untuk mengetahui dari mana pelbagai mekanisme Higgs itu timbul. Dan ini juga harus menjelaskan tentang struktur yang mendalam dunia kita, yang mana banyak hipotesis Fisika Baru berkaitan dengan realiti. Itulah sebabnya pengesanan boson Higgs bukanlah akhir, tetapi hanya permulaan program saintifik untuk kajiannya.

Berikut adalah soalan-soalan utama yang ahli fizik ingin mendapatkan jawapan dalam eksperimen di Large Hadron Collider:

  • Berapa banyak jenis boson Higgs wujud dan apakah ciri-ciri mereka (jisim, caj, putaran, dll)?
  • Apa yang mereka berpecah dan apa kebarangkalian?
  • jika LHC melihat hanya satu boson Higgs, adakah sifatnya berbeza daripada ramalan Model Standard?

Pada musim panas tahun 2012, gambar ini telah berkembang.

  • Satu zarah dengan jisim di rantau 125-126 GeV, sifatnya sangat mirip dengan sifat-sifat boson Higgs, dengan pasti dikesan.Ia adalah kira-kira dalam julat jisim yang ditunjukkan oleh data tidak langsung yang terdahulu, dan berpecah menjadi sangat set zarah ("saluran pembusukan") yang dijangkakan daripada boson Higgs standard yang lebih kurang. Atas sebab ini, majoriti ahli fizik yang paling banyak dari awal mula yakin bahawa ini adalah boson Higgs. Boson Higgs tambahan masih belum kelihatan.
  • Boson Higgs menampakkan dirinya paling jelas dalam dua saluran pembusukan purba: ia mereput dua foton dan kerosakan pada dua Z-boson dengan kerosakan berikutnya mereka menjadi empat lepton (elektron atau muon). Carian dijalankan dalam tiga saluran pembusukan, tetapi disebabkan oleh kesilapan statistik yang besar dan latar belakang yang kuat, tidak mungkin untuk melihat manifestasi boson Higgs di dalamnya.
  • Hasil yang paling kuat adalah bahawa kebarangkalian diukur kebusukan menjadi dua foton adalah satu setengah hingga dua kali ganda lebih besar dari yang diramalkan oleh Model Standard. Lebihan ini diamati secara serentak dalam dua pengesan utama yang beroperasi di collider, CMS dan ATLAS. Theorists dengan segera menyerang keputusan ini, menawarkan puluhan penjelasan yang berbeza dalam rangka pelbagai model Fizik Baru.Penguji menyejukkan semangat mereka, dengan sabar mengulangi bahawa perbezaan dari Model Standard tidak begitu signifikan secara statistik, jadi terlalu awal untuk membuat kesimpulan.
  • Kesan menarik juga diperhatikan dalam saluran pembusukan yang lain; Sebagai contoh, pereputan menjadi dua tau lepton hanya tidak dapat dilihat. Walau bagaimanapun, disebabkan kesilapan besar dalam data, tiada kesimpulan yang melampaui dibuat di sini.
  • Terdapat beberapa percanggahan antara eksperimen ATLAS dan CMS mengenai jumlah intensiti pengeluaran dan pereputan boson Higgs. ATLAS, secara purata, melebihi jangkaan Model Standard, sedangkan dalam data CMS, sebaliknya, terdapat kekurangan boson Higgs. Sekali lagi, sementara statistik kecil, perbezaan ini tidak menjadi kebimbangan dan mungkin disebabkan oleh turun naik statistik.

Untuk maklumat lanjut, lihat halaman carian untuk boson Higgs: hasil dan kajian boson Higgs, serta berita Higgs boson: penemuan dan rancangan untuk masa depan. Pautan kepada ulasan pertama fizik boson Higgs di LHC boleh didapati dalam berita pendek kami.

Hasil musim panas berdasarkan statistik yang terkumpul pada tahun 2011 (kecerahan integral sekitar 5 fb-1 pada tenaga pelanggaran proton 7 TeV) dan pada bulan pertama 2012 (kira-kira 6 fb-1 pada tenaga 8 TeV). Walau bagaimanapun, pada masa akan datang, penjana memperoleh statistik pada kadar yang semakin dipercepatkan: sepanjang musim panas dan musim luruh, kira-kira 15 lagi fb telah terkumpul-1. Oleh itu, diharapkan kedua-dua kerjasama CMS dan ATLAS akan menghasilkan data terkini pada akhir tahun ini. Sekiranya penyimpangan dari Model Standard masih besar dan ralat dikurangkan, maka ini akan menjadi bukti kuat bahawa Fizik Baru akhirnya dapat dijumpai.

Pada bulan November, satu simposium utama mengenai fizik di penjajah hadron telah diadakan di Jepun. Kedua-dua eksperimen membentangkan data yang dikemas kini pada boson Higgs, tetapi saluran pembusukan yang paling menarik (dua foton dan dalam kes ATLAS juga ZZ) tidak dikemas kini. Ia boleh diandaikan bahawa kerjasama sama ada menemui sesuatu yang baru dan menarik, atau menghadapi beberapa kesukaran. Bagaimanapun, kumpulan penyelidikan memutuskan untuk tidak tergesa-gesa dan sekali lagi menyemak semula diri mereka.

Data ATLAS yang baru

Pada 13 Disember, selepas kira-kira sebulan menunggu, hasil baru dari kerjasama ATLAS pada statistik 13 fb telah diterbitkan.-1 (tambah data dari 2011).Laporan wakil eksperimen ini telah didengar dalam rangka program Mini untuk pengenalan boson Higgs di Institut Fisika Teoritis. Kavli, serta seminar tradisional tradisional di CERN, yang merumuskan kerja-kerja LHC tahun lepas. Artikel teknikal dengan graf terperinci dan keterangan juga muncul pada halaman hasil penyelidikan ATLAS.

Rajah. 2 Isyarat Higgs dalam saluran kerosakan dua-foton. Di sebelah kiri: pengedaran peristiwa oleh jisim invariant dua foton, di sebelah kanan: intensiti isyarat Higgs dalam data 2011 dan 2012. Imej dari Laporan Teknikal Kerjasama ATLAS

Keputusan baru mengenai kerosakan kepada dua foton (H → γγ), adalah seperti berikut:

  • Isyarat Higgs semakin jelas dan jelas. Dalam ara. 2, di sebelah kiri, menunjukkan pengedaran pasangan dua foton dengan jisim invarian. Ia jelas dilihat bahawa, dengan latar belakang pengagihan yang lancar (iaitu, kelahiran dua foton tenaga tinggi tanpa penyertaan boson Higgs), sebuah bukit kecil di kawasan 126 GeV dilihat. Ia sepadan dengan kes-kes tambahan kelahiran dua foton, yang timbul dari perahihan boson Higgs. Bandingkan graf ini dengan taburan yang sama enam bulan lalu (Gamb.2, di sebelah kiri, dalam berita Julai).
  • Kepentingan statistik puncak ini ialah 6.1 sisihan piawai. Oleh itu, walaupun kita tidak mempunyai data pada saluran pembusukan yang lain, saluran ini sahaja mencukupi untuk mengumumkan penemuan boson Higgs.
  • Untuk kegembiraan ahli fizik, keamatan isyarat Higgs kekal tinggi, jauh melebihi jangkaan Model Standard. Nisbah data sebenar yang diharapkan adalah dalam saluran ini μγγ = 1,8 ± 0,3+0,29-0,21 (kesilapan pertama adalah statistik, yang kedua adalah sistematik). Perbezaan dari unit (iaitu, dari Model Standard) adalah kira-kira 2 penyimpangan piawai. Ini, tentu saja, bukanlah hasil yang sangat mengagumkan, tetapi ia adalah baik kerana, apabila data berkumpul, nombor ini tidak berubah-ubah di sekitar unit, tetapi secara sistematik masih besar (lihat graf dalam Rajah 2, di sebelah kanan, di mana intensiti ini ditunjukkan secara berasingan untuk data 2011 dan untuk separuh pertama dan kedua 2012).

Rajah. 3 Isyarat Higgs merosakkan dua Z-boson dengan kerosakan lepton berikutnya. Di sebelah kiri: pengedaran peristiwa oleh jisim invasif empat lepton, di sebelah kanan: sama, tetapi untuk saluran pereputan tertentu (empat muons).Satu kawasan 120-130 GeV, di mana turun naik statistik berlaku, telah dikenalpasti. Imej dari Laporan Teknikal Kerjasama ATLAS

Isyarat Higgs kerosakan kepada dua Z-boson (H → ZZ → leptons) juga terus berkembang (lihat Rajah 3). Keanehan saluran ini ialah bilangan peristiwa yang telah berlalu semua peringkat pemilihan adalah sangat kecil.kira-kiratetapi latar belakangnya sangat lemah. Jika 13 peristiwa diperhatikan enam bulan yang lalu (dan sepatutnya ada kira-kira 5 jika tidak ada bos Higgs), sekarang 18 acara dengan latar belakang Beshiggs sekitar 8. Isyarat Higgs terbukti: kepentingan statistiknya ialah 4.1 sisihan piawai. Keamatan isyarat ini adalah lebih kurang μZz = 1,3+0,6-0,4, iaitu, ia bersetuju sepenuhnya dengan boson Higgs standard.

Hasil yang paling tidak dijangka daripada data baru yang dibawa pengukuran jisim Higgs boson (nampaknya, Kerjasama mengambil bulan tambahan untuk memeriksa dengan teliti keputusan ini). Oleh kerana zarah ini tidak stabil, ia tidak boleh "ditimbang" secara langsung. Walau bagaimanapun, jisimnya boleh dipulihkan dengan jumlah tenaga produk pembusukannya, iaitu, kedudukan pusat puncak dalam graf dalam Rajah. 2 dan 3.

Rajah. 4 Pengukuran Massa (pada paksi mendatar) dan intensiti (pada paksi menegaka) Higgs boson. Merah menunjukkan data yang diperoleh dari kerosakan kepada dua foton, biru – Data kerosakan ZZ. Hitam Keputusan persatuan statistik mereka ditunjukkan. Imej dari Laporan Teknikal Kerjasama ATLAS

Pengukuran ini boleh dilakukan secara bebas untuk kedua-dua saluran foton dan saluran pereputan ZZ. Dan di sini ternyata bahawa kedua-dua dimensi ini tidak saling berkaitan. Keruntuhan menjadi dua Z-boson memberi nilai MH → ZZ = 123,5 ± 0,9+0,4-0,2, dan kerosakan kepada dua foton menunjukkan jisim yang lebih besar, MH → γγ = 126,6 ± 0,3 ± 0,7. Untuk perbincangan kemungkinan penyebab perbezaan ini, lihat di bawah.

Akhirnya, data pengesahan baru juga dibentangkan. belakang dan pariti boson Higgs. Kedua ciri ini memberitahu kita tentang jenis zarah di hadapan kita. Ia mungkin tidak bernilai menerangkan penjelasan terperinci di sini; ia cukup untuk menyatakan bahawa hanya satu kombinasi yang dijangkakan dari boson Higgs: putaran sifar dan pariti positif. Mana-mana alternatif (putaran bukan sifar atau pariti negatif) akan secara automatik bermakna bahawa ini bukan boson Higgs sama sekali,atau ahli fizikal tersandung pada sejenis jenis yang benar-benar eksotik.

Seperti halnya dengan massa, ciri-ciri zarah yang tidak stabil ini tidak dikaji secara langsung, tetapi melalui produk peluruhan. Dalam setiap peristiwa tertentu kelahiran dan pembusukan zarah boson – produk pembusukan yang berselerak dalam arah sewenang-wenangnya. Walau bagaimanapun, apabila merangkumi keseluruhan statistik terkumpul, beberapa kombinasi pilihan sudut penyerapan muncul, yang bergantung kepada ciri-ciri zarah asal. Kerjasama ATLAS mengkaji mereka dan mendapati bahawa mereka benar-benar konsisten dengan spin sifar dan pariti positif. Pilihan eksotik ditutup pada tahap keyakinan 99% (pariti negatif) atau melebihi 90% (putaran bukan sifar).

Dua bos bos Higgs?

Daripada semua data ini, minat tertentu tentu saja adalah percanggahan antara pengukuran jisim dalam saluran pereputan dua-foton dan ZZ (Rajah 4). Tafsiran yang paling radikal adalah bahawa ahli fizik melihat manifestasi bukan satu, tetapi sekurang-kurangnya dua boson Higgs. Secara teorinya, ini adalah mustahil. Dalam banyak varian bukan minimum mekanisme Higgs terdapat beberapa boson Higgs.Bagaimanapun, sesetengah daripada mereka mungkin rapat antara satu sama lain secara massal, tetapi mempunyai ciri-ciri yang sangat berbeza. Sebagai contoh, salah satu daripada dua bos bos Higgs boleh dikaitkan dengan kemunculan jisim dalam fermions, dan yang kedua di boson. Kemudian yang pertama muncul hanya dalam pembusukan menjadi dua foton, dan yang kedua mungkin, disebabkan oleh beberapa sebab tambahan, condong ke arah kerosakan ZZ.

Walaupun kemungkinan teori ini, ia bukanlah hipotesis paling semula jadi. Penjelasan yang paling munasabah bagi percanggahan itu perlu dipertimbangkan turun naik statistikdan inilah sebabnya.

Pereputan menjadi dua foton diukur dengan lebih tepat daripada kerosakan ZZ. Pertama, jisim invarian dipulihkan di sana dengan lebih tepat. Kedua, dalam saluran dua foton terdapat kira-kira 200-300 peristiwa Higgs, manakala dalam kerosakan kepada ZZ (dengan kerosakan seterusnya mereka kepada leptons) terdapat hanya kira-kira sedozen (iaitu kira-kira separuh daripada semua peristiwa ZZ yang dipilih melalui kelahiran dan kerosakan bos bos Higgs). Berbanding dengan data setengah tahun lalu, pengiraan dua foton stabil: jisim kemudian, dan kini ternyata kira-kira 126.5 GeV. Tetapi penilaian jisim saluran ZZ setakat ini melonjak banyak. Sebelum ini, ia adalah kira-kira 125 GeV, dan kini ia telah menurun kepada 123.5 GeV.Ini tidak menghairankan: setiap kejadian baru jenis ini boleh menjejaskan nilai purata.

Ternyata bahawa ia adalah mungkin untuk mengesan bahawa perubahan ini disebabkan oleh hanya satu variasi kerosakan tertentu (H → ZZ → 2μ+). Lihatlah gambar. 3, ke kanan, di mana sumbangan saluran pembusukan ini ditunjukkan, dan terutamanya ke rantau ini dari 120 hingga 130 GeV. Terdapat 8 peristiwa di kawasan ini, tetapi ternyata mereka tidak tersebar secara merata: 7 peristiwa dalam selang 120-125 GeV dan satu selang dari 125 hingga 130 GeV. Pada dasarnya, ini mengingatkan permainan kepala dan ekor: dalam satu siri lapan duit syiling, secara purata, akan ada empat helang dan empat ekor, tetapi dalam beberapa melambungkan siri tunggal penyelarasan mungkin tujuh ke satu (pembaca diminta untuk mencari kebarangkalian peristiwa sedemikian). Jadi, jika kebarangkalian sebenar bagi setiap peristiwa jatuh ke dalam kedua-dua jarak adalah sama (iaitu jisim sebenar boson Higgs akan menjadi 125 GeV), penjajaran semacam itu tidak begitu luar biasa.

Ia juga bernilai menyebutkan ralat sistematik. Adakah terdapat sebab untuk bersembunyi di dalam fakta bahawa beberapa komponen pengesan telah ditentukur dengan salah,kerana apa ukuran di salah satu daripada kedua-dua saluran pereputan ini secara sistematik memberikan tenaga zarah yang terlalu banyak atau terlalu rendah? Sudah tentu, adalah mustahil untuk tidak mengecualikan keadaan sedemikian, tetapi ini tidak mungkin.

Rajah. 5 Kestabilan pembacaan calorimeter elektromagnet ATLAS pada tahun 2012. Imej dari Laporan Kerjasama ATLAS

Hakikatnya adalah bahawa tahun pertama atau dua selepas pelancaran collider itu, ketika tidak ada hasil yang kuat lagi, para fisikawan sebenarnya melakukan sejumlah besar pekerjaan yang membosankan, tetapi perlu. Mereka "menemui semula" Model Standard dan dengan itu ditentukur seluruh pengesan dengan ketepatan yang tinggi. Pada masa akan datang, semua ciri pengesan dipantau secara berkala. Dalam ara. 5, sebagai contoh, menunjukkan kestabilan luar biasa kalorimeter elektromagnetik, mengukur tenaga foton dan elektron. Pemeriksaan itu dilakukan pada dua proses bebas sekaligus; turun naik sepanjang tahun tidak melebihi 0.1% dan tiada bias sistematik dapat dilihat.

Higgs boson standard atau tidak?

Satu persoalan yang kini selalu ditanya semasa membincangkan data baru mengenai boson Higgs: ada tanda-tanda yang boleh dipercayai bahawa zarah yang dikesan itu tidak standard Higgs boson? Fizik hanya boleh menjawab soalan ini dengan berhati-hati mengukur sifat-sifat boson (dan, khususnya, kebarangkalian pereputannya melalui saluran yang berbeza) dan mengesahkannya dengan ramalan Model Standard.

Rajah. 6 Higgs isyarat isyarat dalam lima saluran pereputan: nisbah data sebenar kepada jangkaan Model Standard untuk boson dengan jisim 125 GeV. Imej dari Laporan Teknikal Kerjasama ATLAS

Dalam pengertian ini, data ATLAS yang baru menyokong tipu muslihat. Kerosakan dua foton kekal sangat besar, dan ini masih menjadi berita utama. Selebihnya saluran pembusukan adalah "menginjak-injak" di sekitar unit (iaitu, mereka menyerupai boson Higgs standard). Jika kita menggabungkan semua lima jenis kerosakan di bawah kajian (Rajah 6), maka ternyata, secara umum, tidak ada perbezaan yang signifikan dari Model Standard yang boleh dilihat, dan wakil-wakil kerjasama menekankan fakta ini dalam persembahan mereka. Walau bagaimanapun, kesatuan ini adalah sesuatu yang tidak biasa. Tiada siapa yang menjangkakan bahawa bukan standard boson Higgs akan nyata dengan cara yang sama dalam semua saluran pembusukan (dia juga tidak standard!). Sebaliknya, dari sudut pandang teoretikal, pereputan dua-foton berdiri sendiri, kerana ia tidak langsung, tetapi melalui gelung zarah maya.Oleh itu, ahli teori umumnya cenderung ke arah penafsiran yang lebih optimistik mengenai data ATLAS.

Di sini masih terdapat kehalusan semacam itu disebabkan oleh nilai anomali rendah jisim boson Higgs dari pengukuran dalam saluran ZZ. Apabila pakar fizikal mengira intensiti isyarat Higgs, mereka membandingkan data yang diperhatikan dengan jangkaan Model Standard. Tetapi jangkaan ini sendiri mesti dikira untuk jisim tertentu boson Higgs. Nombor di atas ialah μZz ≈ 1.3 dikira berdasarkan andaian bahawa massa boson Higgs adalah betul-betul apa yang diberikan oleh saluran ini (iaitu, 123.5 GeV). Walau bagaimanapun, jika kita masih menerima bahawa jisim sebenar berada di rantau 126 GeV, maka ini dengan ketara meningkatkan jangkaan Model Standard, dan oleh itu mengurangkan nilai μZz kira-kira 0.6-0.7. Sebagai perbandingan, kolaborasi ATLAS telah menyediakan satu siri keseluruhan graf, seperti di rajah. 6, untuk "rujukan" yang berbeza daripada boson Higgs dari 123.5 kepada 126.5 GeV.

Apa yang ditunjukkan oleh CMS?

Keseluruhan perbualan ini tidak lengkap tanpa menyebut data CMS – pengesan utama kedua Collar Besar Hadron. Setengah tahun yang lalu, CMS juga menunjukkan beberapa kelebihan kerosakan dua-foton, walaupun tidak setinggi ATLAS. Tidak sebulan yang lalu, di simposium mengenai Hadron Colliders, tidak sekarang CMS tidak menunjukkan data baru mengenai kerosakan dua foton.Lebihan ini akan kekal atau lemah dalam data CMS baru – salah satu soalan utama untuk bulan-bulan mendatang.

Walau bagaimanapun, tidak seperti ATLAS, kerjasama CMS telah menunjukkan sebulan yang lalu data yang dikemas kini pada saluran pereputan ZZ. Pengukuran jisim boson dalam saluran ini memberi nilai MH → ZZ = 126,2 ± 0,6 ± 0,2. Dalam erti kata lain, nilai jisim anomali dalam saluran ATLAS ZZ tidak sesuai bukan sahaja dengan saluran ATLAS γγ, tetapi juga dengan data CMS ZZ.

Oleh itu, percanggahan dalam keputusan mengukur jisim Higgs boson di atas ZZ dan saluran pembusukan dua foton nampaknya dikaitkan dengan turun naik statistik dalam saluran ZZ. Ia tidak memberi tidak ada sebab yang baik untuk mempercayai bahawa data ATLAS menunjuk kepada dua boson Higgs. Walau bagaimanapun, percanggahan ini perlu dipantau dengan teliti apabila data baru terkumpul. Tetapi hasil utama kumpulan data baru dari kerjasama ATLAS adalah pengesahan penghancuran kuat boson Higgs menjadi dua foton.

Sumber:
1) Laporan 13 Disember: Baru (!!) Keputusan ATLAS Diphoton dan ZZ, KITP Miniprogram: Pengenalan Higgs; Status Percubaan ATLAS: Sorotan Terkini (Dipilih), seminar CERN.
2) Mesej Teknikal (Nota ATLAS): kerosakan kepada 2 foton, kerosakan kepada ZZ, hasil gabungan.

Igor Ivanov


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: :???: :?: :!: