Vlad Krasen
0 
2925
617
Dzisiaj jest dobry dzień dla fizyki.
Dwa nowe wyniki opublikowane dzisiaj (4 czerwca) wykazały, że bozon Higgsa wyskakuje wraz z najcięższą cząstką, jaką kiedykolwiek odkryto. Wyniki mogą pomóc nam lepiej zrozumieć jeden z najbardziej fundamentalnych problemów fizyki - dlaczego materia ma masę.
Odkrycia opublikowano na konferencji Large Hadron Collider Physics 2018 w Bolonii we Włoszech. Odkrycie zostało dokonane niezależnie przez dwa eksperymenty (A Toroidal LHC Apparatus lub ATLAS i Compact Muon Solenoid lub CMS) z wykorzystaniem danych zarejestrowanych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), zlokalizowanym w laboratorium CERN w Szwajcarii. Wyniki te są dostępne publicznie w dwóch artykułach, jeden właśnie przesłany do publikacji, a drugi właśnie opublikowany.
Polowanie na masę
Polowanie na Higgsa i początki masy mają fascynującą historię. W 1964 roku kilka grup naukowców, w tym brytyjski fizyk Peter Higgs i belgijski fizyk Francois Englert, przewidziało, że masa podstawowych cząstek subatomowych powstała w wyniku interakcji z polem energetycznym zwanym obecnie polem Higgsa. Pole energetyczne przenika wszechświat. Cząstki, które bardziej oddziałują z polem, są masywniejsze, podczas gdy inne oddziałują z polem w niewielkim stopniu, a niektóre wcale. Konsekwencją tego przewidywania jest to, że powinna istnieć cząstka subatomowa zwana bozonem Higgsa. [6 Implikacje znalezienia bozonu Higgsa]
Po prawie 50 latach poszukiwań naukowcy z LHC znaleźli bozon Higgsa w 2012 roku. Higgs i Englert podzielili się Nagrodą Nobla z fizyki w 2013 roku..
Najcięższą znaną podstawową cząstką subatomową jest kwark górny, odkryty w 1995 roku w Fermilab, położonym na zachód od Chicago. Istnieje sześć znanych kwarków. Dwie są stabilne i znajdują się w centrum protonów i neutronów. Pozostałe cztery są niestabilne i powstają tylko w dużych akceleratorach cząstek. Pojedynczy górny kwark ma masę porównywalną z atomem wolframu.
Nieuchwytny pomiar
W dzisiejszym ogłoszeniu naukowcy opisali klasę zderzeń, w których para górnego kwarku materia / antymateria została utworzona jednocześnie z bozonem Higgsa. Zderzenia te pozwalają naukowcom bezpośrednio zmierzyć siłę interakcji między bozonami Higgsa a górnymi kwarkami. Ponieważ interakcja cząstki z polem Higgsa jest tym, co nadaje cząsteczce masę, a górny kwark jest najbardziej masywną podstawową cząstką subatomową, bozon Higgsa oddziałuje najsilniej z górnym kwarkiem. W związku z tym tego rodzaju interakcje są idealnym laboratorium do szczegółowych badań pochodzenia masy.
Ten pomiar był szczególnie trudny. Odkrycie bozonu Higgsa w 2012 roku obejmowało zaledwie kilka zderzeń. Zderzenia, w których jednocześnie wytwarzane są bozony Higgsa i kwarki górne, zdarzają się tylko w 1 procencie zderzeń, w których wytwarzany jest bozon Higgsa. Biorąc pod uwagę ogromną różnorodność sposobów, w jakie górne kwarki mogą się rozpadać, analiza ta wymagała dziesiątek niezależnych analiz z udziałem setek badaczy. Analizy połączono następnie w jeden pomiar. To było bardzo trudne osiągnięcie.
Przed tym pomiarem nie było możliwe bezpośrednie zmierzenie siły oddziaływania górnego kwarku i bozonów Higgsa. Bozony Higgsa mają masę 125 GeV (miliard elektronowoltów), a górny kwark ma masę 172 GeV. Zatem para górnego kwark / antykwark ma masę 344 GeV, czyli większą niż masa bozonu Higgsa. Dlatego bozon Higgsa nie może rozpadać się na parę górnego kwark / antykwark. Zamiast tego tworzona jest para górnego kwark / antykwark i jedna z tych dwóch cząstek emituje bozon Higgsa. Każdy górny kwark rozpada się na trzy cząstki, a bozon Higgsa na dwie. Tak więc po rozpadzie cząstek w detektorze znajduje się osiem różnych produktów rozpadu, które należy odpowiednio przypisać. To bardzo złożony zestaw danych. [Dziwne kwarki i miony, och! Nature's Tiniest Particles Dissected]
Jest to również bardzo rzadki rodzaj interakcji. Naukowcy przeszukali około biliarda (10 podniesionych do potęgi 15) zderzeń między parami protonów, aby zidentyfikować zaledwie kilka zderzeń o wymaganych cechach.
Pozostałe tajemnice
Chociaż odkrycie bozonu Higgsa i późniejsze pomiary prowadzą badaczy do przekonania, że teoria spisana po raz pierwszy w 1964 r. Przez Higgsa i Englerta i innych jest poprawna, pozostaje kilka znaczących, szczątkowych tajemnic. Wśród nich: Dlaczego bozon Higgsa ma taką masę, jaką ma? I dlaczego w ogóle istnieje pole Higgsa? Przede wszystkim jest to fakt, że teoria Higgsa nie jest motywowana głębszymi ramami teoretycznymi. Jest po prostu dodawany. W swojej najprostszej formie Model Standardowy (który jest wiodącą teorią oddziaływań subatomowych) przewiduje, że wszystkie podstawowe cząstki subatomowe są bezmasowe. Stoi to w bezpośredniej sprzeczności z pomiarami. Do Modelu Standardowego dodano teorię Higgsa, coś w rodzaju teoretycznego środka pomocniczego. Ponieważ teoria Higgsa może wyjaśnić masę tych cząstek, teoria Higgsa została teraz podciągnięta do Modelu Standardowego.
Ale to wciąż plaster opatrunkowy, a to jest niezadowalający stan rzeczy. Być może badając interakcje między bozonami Higgsa a cząstkami, z którymi oddziałują najsilniej, odkryjemy pewne zachowania, które wskazują na głębszą i bardziej wyjaśniającą podstawową teorię.
Ponadto, liczbowa wartość masy bozonu Higgsa jest nieco tajemnicza. Pole Higgsa nadaje masę podstawowym cząstkom subatomowym, w tym samemu bozonowi Higgsa. Jednak historia jest bardziej złożona. Z powodu efektów mechaniki kwantowej bozon Higgsa może czasowo przekształcić się w inne cząstki subatomowe, w tym w kwark górny. Podczas gdy bozon Higgsa znajduje się w stanie transmutacji, te tymczasowe cząstki mogą oddziaływać z polem Higgsa, a tym samym pośrednio zmieniać masę bozonu Higgsa. Gdy weźmie się pod uwagę te skutki, przewidywana i zmierzona masa bozonu Higgsa jest w dzikiej sprzeczności. Jest to pilna tajemnica dla współczesnej fizyki i miejmy nadzieję, że lepsze pomiary interakcji bozonów Higgsa rzucą światło na tę zagadkę.
Chociaż dzisiejsze ogłoszenie dotyczy tylko niewielkiej liczby zderzeń, w których powstają górne kwarki i bozony Higgsa, w przyszłości będzie można badać ten proces ze znacznie większą precyzją. LHC działa znakomicie, ale do końca 2018 roku dostarczy tylko 3 procent danych, które ma dostarczyć. Pod koniec 2018 roku LHC zostanie zamknięty na dwa lata w celu modernizacji i renowacji. W 2021 r. Zderzacz wznowi działalność z zemsty, działając do 2030 r. W tym czasie naukowcy spodziewają się zarejestrować 30 razy więcej danych niż do końca tego roku..
Trudno wiedzieć, co znajdziemy. LHC i związane z nim detektory to niezwykłe elementy technologii i jest prawdopodobne, że dostarczą jeszcze więcej danych, niż przewidywano. Przy tak dużej ilości danych jest całkiem możliwe, że naukowcy odkryją jakieś nowe zjawisko, które nie zostało odkryte, ale które będzie wymagało przepisania podręczników. To nie jest gwarancja, ale jedno jest pewne: dzisiejsze ogłoszenie określa jasną ścieżkę do lepszego zrozumienia pochodzenia masy.
Uwaga redaktora: Don Lincoln jest badaczem fizyki w Fermilab. Jest autorem książki „Wielki zderzacz hadronów: niezwykła historia bozonu Higgsa i innych rzeczy, które rozwalą ci umysł” (Johns Hopkins University Press, 2014) i produkuje serię filmów o tematyce naukowej. Śledź go na Facebooku. Opinie wyrażone w tym komentarzu są jego.