Что такое бозон хиггса икому оннужен?

      Комментарии к записи Что такое бозон хиггса икому оннужен? отключены

Что такое бозон хиггса икому оннужен?

    Слоеные пироги Комплексы ATLAS и CMS содержат трековые детекторы, определяющие траекторию частиц, и электромагнитный калориметр для измерения энергии фотонов, позитронов и электронов. Энергии адронов измеряются посредством адронного калориметра, мюонов — мюонного спектрометра. Нейтрино ускользают из всех детекторов, но уносят с собой часть суммарного импульса.

Для чего физикам по большому счету пригодился данный бозон? Симметрии Стандартной модели (см. «ПМ» № 3’2012) запрещают элементарным частицам иметь ненулевые веса. Проблему возможно обойти, в случае если высказать предположение, что весь обьем заполнено особенного рода полем, которое нарушает эти симметрии и придает массу всем частицам, за исключением фотона, глюона и, быть может, нейтрино.

По традиции, заложенной во второй половине 60-ых годов двадцатого века американским физиком Бенджамином Ли, его именуют полем Хиггса. В СМ фигурирует четыре хиггсовских поля и четыре скалярных бозона, три из которых не имеют массы. Они наделяют массой векторные бозоны W+, W- и Z, но сами наряду с этим исчезают. А вот массивный квант четвертого поля, что может оказаться в следствии столкновения частиц высоких энергий, на весьма маленькое время появляется в качестве независимой частицы.

Он-то и имеется бозон Хиггса, либо легко хиггс.

Загон для бозона

Теория не дает возможности выяснить массу хиггсовского бозона — это возможно сделать лишь экспериментально. Продолжительное время не получалось сделать кроме того приблизительных оценок данной массы, была известна только ее верхняя граница — приблизительно 1000 ГэВ.

СМ разрешает вычислить возможности разных распада (каналов) и способов рождения хиггса в опытах на ускорителях. Но результаты этих вычислений во многом зависят от его массы, которая изначально малоизвестна. Иначе, нужны хотя бы гипотетические значения этих возможностей, в противном случае следы распадов попросту утонут в великом множестве других событий, следующих за столкновениями высокоэнергетичных частиц.

Исходя из этого задолго до начала опытов на ускорителях теоретики обсчитали возможности разных распада и процессов рождения хиггса. Первая такая работа была опубликована еще в 1975 году, не смотря на то, что ее авторы разглядывали процессы, характерные для массы бозона 10 ГэВ (возможности ускорителей в то время были ограничены).

Но В первую очередь 1990-х годов, в то время, когда началась настоящая охота на неуловимую частицу, физики неспешно стали огораживать красными флажками области весов, где хиггса быть не имеет возможности. С 1989 по 2000 год в ЦЕРНе функционировал Громадной электрон-позитронный коллайдер (LEP), для которого был сооружен подземный круговой 27-км туннель (на данный момент в том месте находится основное кольцо БАК).

Энергию столкновения частиц в LEP, которая сначала не превышала 90 ГэВ, со временем удалось расширить более чем в два раза. Анализ опытов LEP продемонстрировал, что масса хиггса не может быть меньше 114,4 ГэВ. С 2007 по 2011 год его искали на американском протон-антипротонном ускорителе Tevatron, что еще более сузило (действительно, статистически не через чур точно) диапазон весов хиггса — до 115−135 ГэВ.

Опубликованные в конце 2011 года экспериментальные результаты на БАК разрешили высказать предположение, что масса хиггса находится совершенно верно в середине этого промежутка, в промежутке между 124 и 126 ГэВ. Исходя из этого экспериментальные эти 2012 года обсчитывали на базе допущения, что она образовывает 125 ГэВ.

Протонная сборка

В отличие от LEP и Tevatron, где сталкиваются античастицы и частицы, БАК оперирует лишь протонами. В 2010—2011 годах их энергия составляла 3,5 ГэВ, а в 2012 году возросла до 4 ТэВ. В феврале этого года БАК закрыли до 2016 года на модернизацию, по завершении которой энергию частиц в каждом пучке доведут до 7 ТэВ (следовательно, суммарная энергия составит 14 ТэВ), и увеличат частоту столкновений (светимость коллайдера).

В ходе поиска бозона Хиггса в коллайдере в один момент крутились 500 трлн протонов, сгруппированных примерно в 2800 сгустков (банчей). Поиск вели на основных детекторных комплексах коллайдера ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и CMS (Compact Muon Solenoid). В детекторах управляющие электромагнитные поля сводят протоны с параллельных траекторий и направляют навстречу друг другу.

Не смотря на то, что в столкновении двух банчей и участвуют много миллиардов частиц, в 2011 году среднее число межпротонных соударений на один таковой контакт не превышало десятка, а в 2012-м увеличилось до двадцати. Но потому, что банчи пересекались 20 млн раз в секунду, то суммарное количество ежесекундных столкновений измерялось сотнями миллионов.

Лобовой удар двух протонов (каковые складываются из антикварков и кварков, скрепленных глюонным полем), разогнанных практически до световой скорости, порождает множество вторичных частиц, среди которых смогут встретиться и хиггсы.

Отпечатки пальцев

Бозон Хиггса не только тяжело изготовить — его весьма непросто найти. Время его жизни, в соответствии с СМ, образовывает 1,6 х 10−22 с, а расстояние между точками его исчезновения и возникновения не превышает нескольких десятков фемтометров. И не смотря на то, что детекторы БАК — чудо измерительной техники, столь маленькие расстояния они измерить не в состоянии.

Исходя из этого бозон Хиггса возможно найти только по продуктам его распада.

И вот тут-то появляются сложности. В случае если масса хиггса равна 125 ГэВ, то он с возможностью около 70% преобразовывается или в несколько «b-кварк — b-антикварк», или в несколько глюонов, каковые на протяжении предстоящих превращений дают начало джетам, коническим струям из десятков частиц. Их легко найти но весьма сложно отличить от джетов нехиггсовского происхождения.

Еще в 27% случаев на месте провалившегося сквозь землю хиггса появляются W-бозоны либо самые массивные лептоны, тау-частицы, каковые также оставляют в детекторе малоразличимые подписи.

Но природа подарила ученым еще два шанса найти заветный бозон. Будучи электрически нейтральным, он не может конкретно создавать фотоны, но может сделать это через промежуточную инстанцию. СМ разрешает хиггсу порождать массивные заряженные виртуальные частицы, каковые тут же исчезают и оставляют по окончании себя несколько гамма-квантов.

Хиггс может кроме этого превратиться в два нейтральных Z-бозона (также виртуальных, в противном случае нарушится закон сохранения энергии, потому, что удвоенная масса Z-бозона намного больше массы хиггса).

Любой из них, со своей стороны, распадается на позитрон и электрон либо на хороший и отрицательный мюоны, так что в конечном итоге хиггс преобразовывается в четверку лептонов. Эти распады дают самая чёткую подпись в детекторах, но их суммарная возможность мала: при массе хиггса в 125 ГэВ она равна 0,23% для двухфотонного канала и 0,013% — для четырехлептонного. Так как такому тяжеловесу, как хиггс, значительно легче трансформироваться в массивные частицы, нежели в фотоны, мюоны и электроны.

Официальное представление

Поиск иголки в стоге сена — детская забава если сравнивать с охотой на хиггса. Так, коллаборация CMS за полтора года опытов распознала только пять (!) четырехлептонных событий, каковые должны следовать за распадом хиггса на несколько Z-бозонов. Однако оба коллектива не только зарегистрировали рождение «хиггсоподобной» частицы (электрически нейтральной, с целочисленным поясницей, не равным единице, и хорошей четностью) с низкой возможностью неточности, но и фактически одинаково оценили ее массу: 126,0 ± 0,6 ГэВ (ATLAS) и 125,3 ± 0,6 ГэВ (CMS).

Июльские результаты содержали и небольшие неожиданности. Новая частица проявляла себя в двухфотонном канале распада в полтора раза чаще, нежели ей предписано СМ. Распадов хиггса на b-кварки и W-бозоны подметить не удалось (на это физики очень и не сохраняли надежду), но экспериментаторы не нашли и следов распада хиггса на тау-частицы, не смотря на то, что шансов на их обнаружение было больше.

Участники коллаборации ATLAS кроме этого заявили о расхождении в оценках весов новой частицы, распознанных в двухфотонном и четырехлептонном каналах.

В первом случае она фактически совпала с прошлой величиной, но во втором была меньше примерно на 3 ГэВ. Это тем более необычно, что коллаборация CMS месяцем раньше (в ноябре 2012 года) опубликовала собственную уточненную оценку массы частицы по ее четырехлептонному распаду, которая фактически совпала с июльской оценкой. Физики склоняются к точке зрения, что найденная нестыковка разъясняется статистическими флуктуациями.

Физика: ветхая либо новая?

«Повышенная частота распадов предполагаемого хиггса на несколько гамма-квантов еще не отыскала однозначного объяснения. исчезновение и Рождение виртуальных частиц-посредников в полной мере может расширить частоту событий двухфотонного канала если сравнивать с ожиданиями Стандартной модели, — комментирует для «ПМ» ситуацию физик из Калифорнийского технологического университета Шон Кэрролл, создатель сравнительно не так давно вышедшей книги о отыскивании бозона Хиггса. — Исходя из этого эти по двухфотонному распаду могут быть знамением новой физики. Но это только догадка, и нельзя исключать, что их удастся растолковать в рамках СМ».

Как думает Кэрролл, расхождение в 3ГэВ между весами бозонов также возможно списать на новую физику. Но в этом случае нужно будет признать, что найдены распады двух различных, но весьма похожих бозонов. Придумать теорию, допускающую сосуществование таких бозонов, сложно.

Быть может, все значительно несложнее: число найденных распадов очень мало, а также маленькие различия в оценках весов, вычисленных на базе каждого отдельного события, способны заметно поменять итоговый итог. Исходя из этого нестыковка, вероятнее, провалится сквозь землю по уточнения и меря накопления экспериментальных данных.

Согласно точки зрения Кэрролла, все опубликованные эти по новой частице пока не ставят на повестку дня коррекцию Стандартной модели. Обстановка может измениться в 2015 году, в то время, когда БАК запустят по окончании модернизации. А до тех пор СМ ничего не угрожает. Научное сообщество вычисляет так же: в первых числах Марта 2013 года на прошедшей в Италии научной конференции Moriond-2013 были доложены результаты анализа фактически всех показаний детекторов БАК, накопленных в 2011—2012 годах.

Неспециализированный вывод уже не звучал как сенсация: новооткрытая частица все больше напоминает бозон Хиггса — в том виде, как он описывается Стандартной моделью.

Планетарный масштаб

-Для записи всех следов одного межпротонного столкновения необходимо не меньше мегабайта, а целый поток «сырых» данных от детекторов БАК образовывает 300 Гбайт/с.

-Избыточная информация отсеивается посредством двухуровневой совокупности компьютерной фильтрации, так что поток разрешённых удаётся снизить до «скромных» 300 Мбайт/с.

-Годовой количество записываемых данных с детекторов БАК в 2010 году составил около 13 петабайт, к 2012 году эта цифра увеличилась до 25 петабайт.

-Эти эти передаются в информационную сеть Worldwide LHC Computer Grid, объединяющую более 170 вычислительных центров в 36 государствах мира. Эта сеть разрешает ученым всей земли разбирать десятки петабайт информации о 300 трлн столкновений на БАК.

-Научно-инженерные команды каждого из детекторов ATLAS и CMS насчитывают более чем 3000 экспертов из 40 с лишним государств.

Свидетельство о рождении

В соответствии с СМ, бозоны Хиггса на БАК рождаются различными дорогами. Так, парные столкновения глюонов влекут за собой рождение виртуального t-кварка, что распадается с образованием хиггса. Еще одним итогом для того чтобы соударения может оказаться появление пары «кварк-антикварк» плюс хиггсовский бозон.

Пара сталкивающихся «внутрипротонных» кварков может дать начало двум настоящим кваркам меньших энергий и двум виртуальным тяжелым векторным бозонам (W либо Z), каковые совместно порождают бозон Хиггса. И наконец, вероятны процессы, вырывающие из вакуума бозон Хиггса в компании с W либо Z-бозоном. Но любой из актов сотворения хиггсов происходит очень редко: за полтора года несчетные мириады столкновений баковских протонов смогут породить только 200 000 хиггсов.

Статья «Громадная охота на Хиггса» размещена в издании «Популярная механика» (№127, май 2013).

Бозон Хиггса. Частица Бога (2016)


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: