Observația Primară A Higgs Boson Decay Deschide Noi Uși Pentru Fizica Particulelor

{h1}

Oamenii de știință au observat în cele din urmă bosoanele higgs care se descompun în perechi de materie-antimaterie de quark-uri de jos, care ar putea arunca lumină asupra fizicii mai fundamentale.

Dacă ați fost un fan al științei în ultimii ani, sunteți conștienți de rezultatele interesante care vor ieși din Large Hadron Collider (LHC), care în 2012 a găsit bosonul Higgs, particula subatomică responsabilă pentru a da masă fundamentală particule subatomice.

Astăzi, fizicienii au un alt anunț interesant de adăugat la saga Higgs: Ei au făcut prima observație fără ambiguitate a bosonilor Higgs în descompunere într-o pereche de materie antimaterie de quark-uri de jos. În mod surprinzător, bosonii Higgs se descompun cel mai des în acest mod.

Noul anunț arată un acord puternic între predicțiile teoretice și datele experimentale, care ar putea, la rândul lor, să stabilească restricții stricte pe ideile fizicii mai fundamentale care se străduiesc să explice de ce există chiar bosonul Higgs.

Tărâmul viselor

În anii '60, cercetătorii cercetau legăturile dintre forța electromagnetismului și forța nucleară slabă, care este responsabilă pentru unele tipuri de degradări radioactive. Deși cele două forțe păreau distincte, s-a dovedit că ambele au apărut dintr-o forță comună și mai fundamentală, numită acum forța electroweak.

Cu toate acestea, a existat o problemă. Cea mai simplă manifestare a teoriei a prezis că toate particulele au masă zero. Chiar și în anii ’60, fizicienii știau că particulele subatomice au masă, astfel încât acesta a fost un defect fatal.

Câteva grupuri de oameni de știință au propus o soluție la această problemă: Un câmp pătrunde în univers și se numește câmpul Higgs. Particulele subatomice fundamentale au interacționat cu acest câmp, iar această interacțiune le-a dat masa lor. [6 Implicații de găsire a bosonului Higgs]

Existența câmpului a implicat și existența unei particule subatomice, numită bosonul Higgs, care a fost descoperită în sfârșit în 2012 de cercetătorii care lucrează la laboratorul Organizației Europene pentru Cercetări Nucleare (CERN) din Elveția. (Dezvăluire: sunt colaborator la unul dintre grupurile de cercetare care au făcut descoperirea inițială, precum și anunțul de astăzi.) Pentru predicțiile lor în domeniul Higgs, fizicianul britanic Peter Higgs și fizicianul belgian François Englert au împărtășit Premiul Nobel pentru fizică din 2013.

Găsirea quarks de jos

Bosonii Higgs sunt făcuți în coliziuni cu energie mare între perechi de particule care au fost accelerate până la aproape viteza luminii. Acești bosoni nu trăiesc de foarte mult timp - doar aproximativ 10 ^ minus 22 de secunde. O particulă cu acea viață, care călătorește cu viteza luminii, se va descompune cu mult înainte să parcurgă distanța de dimensiunea unui atom. Astfel, este imposibil de observat direct bosonii Higgs. Este posibil să observați numai produsele lor de descompunere și să le utilizați pentru a deduce proprietățile bosonului părinte.

Bosonii Higgs au o masă de 125 de volți de gigaelectron (GeV) sau una care este de aproximativ 133 de ori mai grea decât un proton. Calculele din teoria bine stabilită prezic că Highgs bosonsdecay în perechi de următoarele particule în următoarele procente: quarks de jos (58 la sută), bosoni W (21 la sută), bosoni Z (6 la sută), leptoni tau (2,6 la sută) și fotoni ( 0,2 la sută). Configurațiile mai exotice constituie restul. Unul dintre rezultatele cheie ale anunțului de astăzi a fost să verifice dacă predicția era corectă pentru quark-urile de jos. [Ciudate și Muoane Ciudate, Oh My! Particele cele mai minuscule ale naturii disecate]
Când fizicienii au anunțat descoperirea bosonului Higgs în 2012, s-au bazat pe descompunerea acestuia în bosonii Z, bosonii W și fotoni, dar nu și cuarcii de jos. Motivul este de fapt extrem de simplu: Aceste decăderi sunt mult mai ușor de identificat.
La energiile de coliziune disponibile la LHC, bosonii Higgs sunt obținuți într-o singură coliziune la fiecare 1 miliard. Numărul mare de coliziuni la LHC apar prin interacțiunea forței nucleare puternice, care este (de departe) cea mai puternică dintre forțele subatomice și este responsabilă de menținerea nucleului de atomi împreună.

Problema este că în interacțiunile care implică forța puternică, producția unei perechi de materie-antimaterie de quark-uri de jos este cu adevărat destul de comună. Astfel, producerea de quark-uri de jos de către bosonii Higgs în descompunere în quark-uri de jos este total umflată de perechi de quarks de jos, realizate prin procese mai obișnuite. În consecință, este esențial imposibil de identificat acele evenimente în care se produc quark-uri de jos prin degradarea bosonilor Higgs. Este ca și cum ai încerca să găsești un singur diamant într-un tambur de 50 de galoni plin de zirconiu cubic.

Deoarece este dificil sau imposibil să se izoleze coliziunile în care bosonii Higgs se descompun în quark-urile de jos, oamenii de știință au avut nevoie de o altă abordare. Astfel, cercetătorii au căutat o clasă diferită de evenimente - coliziuni în care a fost produs un boson Higgs în același timp cu un boson W sau Z. Cercetătorii numesc această clasă de coliziuni „producție asociată”.

Bosonii W și Z sunt responsabili de provocarea forței nucleare slabe și pot descompune în moduri distincte și ușor de identificat. Producția asociată are loc mai rar decât producția Higgs neasociată, dar prezența bosonilor W sau Z îmbunătățește considerabil capacitatea cercetătorilor de a identifica evenimentele care conțin un boson Higgs. Tehnica de producție asociată a unui boson Higgs a fost pionieră la Laboratorul Național de Accelerator Fermi, situat chiar în afara orașului Chicago. Din cauza acceleratorului de particule cu energie mai mică a instalației, laboratorul nu a fost niciodată în măsură să pretindă că a descoperit bosonul Higgs, dar cunoștințele cercetătorilor au jucat un rol semnificativ în anunțul de astăzi.

Acceleratorul LHC găzduiește doi detectori de fizică cu particule mari, capabili să observe bosonii Higgs - Solenoidul Compact Muon (CMS) și A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS). Astăzi, ambele colaborări experimentale au anunțat observarea producției asociate a bosonilor Higgs, cu descompunerea specifică a bosonilor Higgs într-o pereche de materie antimaterie de quark-uri de jos.

Teoretic Band-Aid

În timp ce simpla observare a acestui mod de degradare reprezintă un avans semnificativ în cunoașterea științifică, ea are un rezultat mult mai important. Se pare că domeniul Higgs, propus în 1964, nu este motivat de o idee mai fundamentală. Acesta a fost adăugat pur și simplu la Modelul Standard, care descrie comportamentul particulelor subatomice, ca ceva al unui Band-Aid. (Înainte de a fi propus câmpul Higgs, modelul standard a prezis particule fără masă. După ce câmpul Higgs a fost inclus ca adaos ad-hoc la modelul standard, acum particulele au masă.) Astfel, este foarte important să explorăm predicțiile probabilităților de descompunere. să caute indicii ale unei conexiuni la o teorie de bază. Și au existat teorii mai recente și mai cuprinzătoare dezvoltate încă din anii 1960, care prevăd că poate există mai mult de un tip de boson Higgs.

Astfel, este esențial să înțelegem rata cu care bosonii Higgs se descompun în alte particule și să o comparăm cu ratele de descompunere prevăzute. Cel mai simplu mod de a ilustra acordul este de a raporta rata observată de descompunere, împărțită la rata prevăzută. Un acord mai bun între cei doi va produce un raport apropiat de 1. Experimentul CMS găsește un acord excelent în anunțul de astăzi, cu un raport al ratelor preconizate-observate de 1,04 plus sau minus 0,20, iar măsurarea ATLAS este similară (1,01 plus sau minus 0,20). Acest acord impresionant este un triumf al teoriei actuale, deși nu indică o direcție către o origine mai fundamentală pentru fenomenele Higgs.

LHC va continua să funcționeze până la începutul lunii decembrie. Apoi va întrerupe operațiunile timp de doi ani pentru renovare și modernizări. În primăvara anului 2021, va relua operațiunile cu capacități considerabil îmbunătățite. Este de așteptat ca acceleratorul și detectoarele să continue să ia date până la mijlocul anilor 2030 și să înregistreze de 30 de ori mai multe date decât cele înregistrate până acum. Cu această creștere a datelor și a capacităților îmbunătățite, este foarte posibil ca bosonul Higgs să mai aibă povești de povestit.

Publicat inițial pe WordsSideKick.com.

Don Lincoln a contribuit cu acest articol la WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.





RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RO.WordsSideKick.com