Big Hunt Hunt

Big Hunt Hunt

Alexey Levin
"Popular Mechanics" №5, 2013

4 lipca 2012 r. Oficjalnie ogłoszono, że eksperymenty w poszukiwaniu bozonu Higgsa w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) z dużym prawdopodobieństwem zostaną uwieńczone sukcesem.

Dlaczego fizycy potrzebują tego bozonu? Symetrie modelu standardowego (patrz "PM" nr 3'2012) zabraniają cząstkom elementarnym występowania niezerowych mas. Problem można obejść, zakładając, że cała przestrzeń jest wypełniona specjalnym rodzajem pola, które łamie te symetrie i daje masę wszystkim cząstkom, za wyjątkiem fotonu, gluonu i ewentualnie neutrina.

Zgodnie z tradycją ustanowioną w 1966 przez amerykańskiego fizyka Benjamina Lee, nazywa się to polem Higgsa. CM zawiera cztery pola Higgsa i odpowiednio cztery bose skalarne, z których trzy nie mają masy. Nadają masę wektorowych bozonów W+W i Z, ale oni sami znikają. Ale masywny kwant czwartego pola, który może pojawić się w wyniku zderzenia cząstek wysokoenergetycznych, pojawia się w bardzo krótkim czasie jako niezależna cząstka. To bozon Higgsa, albo po prostu Higgs.

Boson paddock

Teoria uniemożliwia określenie masy bozonu Higgsa – można to zrobić tylko eksperymentalnie.Przez długi czas nie było możliwe nawet przybliżone oszacowanie tej masy, znany był tylko jej górny limit – około 1000 GeV.

SM pozwala nam obliczyć prawdopodobieństwa różnych metod (kanałów) produkcji i rozpadu Higgsa w eksperymentach na akceleratorach. Jednak wyniki tych obliczeń silnie zależą od ich masy, która początkowo jest nieznana. Z drugiej strony, konieczne są przynajmniej hipotetyczne wartości tych prawdopodobieństw, w przeciwnym razie ślady zaniku będą po prostu topić się w wielu innych zdarzeniach następujących po zderzeniach cząstek wysokoenergetycznych.

Dlatego na długo przed rozpoczęciem eksperymentów nad akceleratorami teoretycy oszukiwali prawdopodobieństwo różnych procesów produkcji i rozkładu Higgsa. Pierwsze takie dzieło zostało opublikowane już w 1975 r., Chociaż jego autorzy rozważali procesy charakterystyczne dla masy bozonów 10 GeV (możliwości akceleratorów w tamtym czasie były ograniczone).

Akt urodzenia

Według SM, bozoni Higgsa w LHC rodzą się na różne sposoby. Na przykład parami zderzeń gluonów pociąga za sobą narodziny wirtualnego kwarku t, który rozpada się tworząc Higgsa. Innym rezultatem takiej kolizji może być pojawienie się pary "kwark-antykwark" plus bozon Higgsa.Para zderzających się "intraprotonowych" kwarków może spowodować powstanie dwóch prawdziwych kwarków o niższych energiach i dwóch wirtualnych ciężkich bozonów wektorowych (W lub Z), które wspólnie generują bozon Higgsa. Wreszcie możliwe są procesy, które wyciągają bozon Higgsa z próżni w firmie z bozonem W lub Z. Ale jakikolwiek z aktów stworzenia Higgsa jest niezwykle rzadki: w ciągu półtora roku niezliczona liczba zderzeń protonów Bak może wygenerować tylko 200 000 Higgsa.

Ale od początku lat 90., kiedy zaczęło się prawdziwe polowanie na nieuchwytną cząstkę, fizycy stopniowo zaczęli otaczać czerwone flagi obszaru mas, gdzie Higgsa nie może być. W latach 1989-2000 w CERN funkcjonował Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytonowy (LEP), dla którego zbudowano podziemny, okrężny, 27-kilometrowy tunel (obecnie znajduje się tu główny pierścień LHC).

Energia zderzenia cząstek w LEP, która początkowo nie przekroczyła 90 GeV, z czasem uległa podwojeniu. Analiza eksperymentów LEP wykazała, że ​​masa Higgsa nie może być mniejsza niż 114,4 GeV. W latach 2007-2011 był poszukiwany w amerykańskim akceleratorze proton-antyproton. Tevatron, co dodatkowo zmniejszyło (choć statystycznie niezbyt znacząco) zakres masy Higgsa – do 115-135 GeV.

Wyniki eksperymentów w LHC opublikowane pod koniec 2011 r. Sugerują, że masa Higgsa znajduje się dokładnie w środku tego przedziału, w przedziale pomiędzy 124 a 126 GeV. Dlatego dane eksperymentalne za 2012 r. Zostały obliczone na podstawie założenia, że ​​wynosi ono 125 GeV.

Montaż protonu

W przeciwieństwie do LEP i Tevatrongdzie zderzają się cząstki i antycząstki, LHC działa tylko z protonami. W latach 2010-2011 ich energia wynosiła 3,5 GeV, aw 2012 roku wzrosła do 4 TeV. W lutym tego roku LHC została zamknięta do 2016 r. W celu modernizacji, po czym energia cząstek w każdej wiązce zostanie doprowadzona do 7 TeV (w związku z tym całkowita energia wyniesie 14 TeV), a także zwiększy częstotliwość kolizji (jasność zderzacza).

W poszukiwaniu bozonu Higgsa w zderzaczu jednocześnie wirowało 500 bilionów protonów, zgrupowanych w około 2800 wiązek (pęczków). Poszukiwania przeprowadzono w głównych zespołach detektorów zderzacza ATLAS (A Toroidalny Lhc Aparatura) i CMS (Kompaktowy Muen Solenoid). W detektorach kontrolne pola elektromagnetyczne zmniejszają protony z równoległych trajektorii i kierują je do siebie.

Ciastka francuskie
Kompleksy ATLAS i CMS zawierają detektory torów, które wyznaczają trajektorię cząstek i elektromagnetyczny kalorymetr do pomiaru energii fotonów,elektrony i pozytony. Energie Hadrona mierzone są za pomocą kalorymetru hadronowego, mionów – spektrometru mionowego. Neutrina uciekają ze wszystkich detektorów, ale przenoszą część całkowitego impulsu.

Chociaż w zderzeniu dwóch gron zaangażowane są setki miliardów cząstek, w 2011 r. Średnia liczba zderzeń interprotonowych na jeden kontakt nie przekroczyła kilkunastu, aw 2012 r. Wzrosła do dwudziestu. Ale ponieważ grona przekroczyły 20 milionów razy na sekundę, całkowita liczba kolizji na sekundę została zmierzona w setkach milionów.

Uderzenie czołowe dwóch protonów (składających się z kwarków i antykwarków utrzymywanych razem przez pole gluonowe), przyspieszone do prędkości bliskiej prędkości światła, daje początek wielu cząstkom wtórnym, wśród których mogą być również Higgeny.

Odciski palców

Bozon Higgsa jest nie tylko trudny w produkcji, ale bardzo trudny do wykrycia. Według CM, jego życie wynosi 1,6 · 10-22 c, a odległość między punktami jego pojawienia się i zniknięcia nie przekracza kilkudziesięciu femtometrów. I chociaż detektory BAC są cudem urządzeń pomiarowych, nie mogą mierzyć tak krótkich odległości.Dlatego bozon Higgsa można znaleźć wyłącznie poprzez jego produkty rozpadu.

I tu są trudności. Jeśli masa Higgsa wynosi 125 GeV, wówczas z prawdopodobieństwem około 70% zmienia się ona w parę antykwark b-kwark-b lub parę gluonów, które w trakcie dalszych przekształceń powodują dysze – dziesiątki dysz stożkowych. Są łatwe do wykrycia … ale bardzo trudne do odróżnienia od odrzutów nie pochodzących od Higgsa. W kolejnych 27% przypadków, bozon typu W lub najbardziej masywne leptony, cząstki tau, które również pozostawiają nieznaczne ślady w detektorze, pojawiają się w miejscu znikniętego Higgsa.

Ale natura dała naukowcom jeszcze większe szanse na znalezienie pożądanego bozonu. Będąc neutralnym elektrycznie, nie jest w stanie bezpośrednio produkować fotonów, ale może to zrobić poprzez instancję pośrednią. CM pozwala by Higgs wytwarzał ogromne naładowane wirtualne cząstki, które natychmiast znikają i pozostawiają parę kwantów gamma. Higgsa może również przekształcić się w dwa neutralne bozony Z (również wirtualne, w przeciwnym razie prawo zachowania energii zostanie naruszone, ponieważ podwójna masa bozonu Z jest znacznie większa niż masa Higgsa).

Skala planetarna

  • Aby zarejestrować wszystkie ślady pojedynczej kolizji interprukcji, potrzebujesz co najmniej megabajta, a cały strumień nieprzetworzonych danych z detektorów LHC wynosi 300 GB / s.
  • Nadmiarowe informacje są eliminowane za pomocą dwustopniowego systemu filtrowania komputerowego, dzięki czemu przepływ danych można zredukować do "skromnych" 300 MB / s.
  • Roczna ilość danych zarejestrowanych z detektorów LHC w 2010 r. Wynosiła około 13 petabajtów, w 2012 r. Liczba ta wzrosła do 25 petabajtów.
  • Te dane są przesyłane do sieci informacyjnej. Na całym świecie Lhc Siatka komputerowazjednoczenie ponad 170 centrów komputerowych w 36 krajach świata. Ta sieć pozwala naukowcom z całego świata analizować dziesiątki petabajtów informacji o 300 trylionach kolizji w LHC.
  • Naukowe zespoły inżynieryjne każdego z detektorów ATLAS i CMS obejmują ponad 3000 specjalistów z ponad 40 krajów świata.

Każdy z nich z kolei rozpada się na elektron i pozyton lub na miony dodatnie i ujemne, tak że ostatecznie Higgs zamienia się w poczwórną leptonów. Te rozpady dają najjaśniejszą sygnaturę w detektorach, ale ich całkowite prawdopodobieństwo jest bardzo małe: przy masie Higgs wynoszącej 125 GeV, wynosi ona 0,23% dla kanału dwufotonowego i 0,013% dla kanału 4-leptonowego.W końcu taka waga ciężka, jak Higgs, znacznie łatwiej przekształcić w masywne cząstki niż w fotony, elektrony i miony.

Oficjalna prezentacja

Znalezienie igieł w stogu siana jest dziecinną zabawą w porównaniu do polowania na Higgsa. Tak więc, współpraca CMS przez półtora roku eksperymentów ujawniła tylko pięć (!) Zdarzeń czterech leptonów, które powinny następować po rozpadzie Higgsa w parę bozonów Z. Niemniej jednak, obie drużyny nie tylko zarejestrowały narodziny cząstki "Higgsa" (elektrycznie obojętne, o całkowitym spinie nie równym jedności, i dodatniej parzystości) z bardzo niskim prawdopodobieństwem błędu, ale także prawie tak samo oszacowały swoją masę: 126,0 ± 0,6 GeV (ATLAS) i 125,3 ± 0,6 GeV (CMS).

Wyniki lipcowe zawierały również drobne niespodzianki. Nowa cząstka przejawiała się w kanale zaniku dwóch fotonów półtora raza częściej niż zalecany CM. Higgs rozpada się na b-kwarki, a bozonów W nie można było zauważyć (fizycy tak naprawdę nie mieli na to nadziei), ale eksperymentatorzy nie znaleźli żadnych oznak rozpadu Higgsa na cząstki tau, chociaż szanse na ich wykrycie były nieco wyższe. Uczestnicy współpracy z ATLAS ogłosili również rozbieżność w oszacowaniach masy nowej cząsteczki wykrytej w kanałach dwufotonowym i cztero-leptonowym.

W pierwszym przypadku prawie zbiegło się z poprzednią wartością, ale w drugim okazało się mniejsze o około 3 GeV. Jest to tym bardziej dziwne, że współpraca CMS miesiąc wcześniej (w listopadzie 2012 r.) Opublikowała własną zaktualizowaną prognozę masy cząstek dla jej rozpadu cztero-leptonowego, co prawie pokrywało się z lipcowymi szacunkami. Fizycy są skłonni wierzyć, że ta rozbieżność wynika z fluktuacji statystycznych.

Fizyka: stara czy nowa?

"Zwiększona częstotliwość zanikania spodziewanego Higgsa do pary kwantów gamma nie znalazła jeszcze jednoznacznego wyjaśnienia: Narodziny i zniknięcie wirtualnych cząstek pośrednich mogą znacznie zwiększyć częstotliwość zdarzeń z dwoma kanałami w porównaniu do oczekiwań Modelu Standardowego", teoretyczny fizyk z uwagi na sytuację teoretyczną Kalifornijski Instytut Technologii Sean Carroll, autor najnowszej książki o poszukiwaniu bozonu Higgsa – Dlatego dane o rozpadzie dwufotonowym mogą być oznaką nowej fizyki. hipotezy, i możliwe, że można je wytłumaczyć w ramach SM. "

Jak Carroll uważa, rozbieżność 3 GeV między masami bozonów można również przypisać nowej fizyce.Ale w tym przypadku trzeba rozpoznać, że znaleziono rozpady dwóch różnych, ale bardzo podobnych bozonów. Trudno wymyślić teorię pozwalającą na koegzystencję takich bozonów.

Prawdopodobnie wszystko jest znacznie prostsze: liczba wykrytych rozpadów jest bardzo mała, a nawet niewielkie różnice w szacunkach masy obliczone na podstawie każdego pojedynczego zdarzenia mogą znacząco zmienić końcowy wynik. Dlatego też rozbieżność prawdopodobnie zniknie, gdy dane eksperymentalne zostaną zebrane i udoskonalone.

Według Carroll, wszystkie opublikowane dane dotyczące nowej cząstki nie wprowadziły jeszcze do porządku poprawki modelu standardowego. Sytuacja może się zmienić w 2015 roku, kiedy LHC zostanie uruchomiony po modernizacji. Do tego czasu CM nic nie zagraża. Społeczność naukowa uważa to samo: na początku marca 2013 r. Na konferencji naukowej we Włoszech Moriond-2013 przedstawiono wyniki analizy prawie wszystkich wskazań detektorów LHC zgromadzonych w latach 2011-2012. Ogólny wniosek nie brzmiał jak sensacja: nowo odkryta cząstka coraz bardziej przypomina bozon Higgsa, jak opisano w Modelu Standardowym.


Like this post? Please share to your friends:

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