Fizyk Philip Harris o pierwszej obserwacji długo-przewidywanego rozpadu bozonów Higgsa

Anonim

Dziś naukowcy z CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, ogłosili, że po raz pierwszy zaobserwowali bozon Higgsa przekształcający się w elementarne cząstki, znane jako kwarki denne w miarę ich rozpadu. Fizycy przewidują, że jest to najczęstszy sposób, w jaki większość bozonów Higgsa powinna rozpaść się, ale do tej pory niezwykle trudno było dostrzec subtelne sygnały rozpadu. Odkrycie to znaczący krok w kierunku zrozumienia, w jaki sposób bozon Higgsa nadaje masę wszystkim podstawowym cząstkom we wszechświecie.

Naukowcy dokonali odkrycia za pomocą detektorów ATLAS i CMS, dwóch głównych eksperymentów zaprojektowanych do analizy zderzeń cząstek o wysokiej energii generowanych przez Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN-ie, największy, najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie.

Bozony Higgsa, odkryte po raz pierwszy w 2012 roku, są niesamowitą rzadkością i są produkowane w zaledwie jednym z miliarda zderzeń LHC. Raz zmiażdżone cząsteczki znikają niemal natychmiast, rozpadając się w strumień cząstek wtórnych. Standardowy model fizyki, który jest najszerzej akceptowaną teorią opisującą interakcje większości cząstek we wszechświecie, przewiduje, że blisko 60 procent bozonów Higgsa powinno rozpadnąć się na kwarki dolne, cząstki elementarne, które są około cztery razy większe od protonów..

Zarówno zespoły ATLAS, jak i CMS poświęciły kilka lat na udoskonalenie technik i włączenie większej ilości danych do polowania na ten najczęstszy rozpad bozonów Higgsa. Oba eksperymenty ostatecznie potwierdziły, że po raz pierwszy zobaczyli dowód, że bozon Higgsa rozpada się na dolny kwark, z statystycznie wysokim stopniem pewności.

Fizycy MIT w Laboratorium Badań Jądrowych byli zaangażowani w analizę i interpretację danych dla tego nowego odkrycia, w tym Philip Harris, adiunkt fizyki. MIT News rozmawiało z Harrisem, który jest również członkiem eksperymentu CMS, o wyginięciu w umyśle poszukiwania zanikającej transformacji oraz o tym, w jaki sposób nowe odkrycie Higgsa może pomóc fizykom zrozumieć, dlaczego wszechświat ma masę.

P: Umieść to odkrycie w kontekście dla nas trochę. Jak ważne jest to, że wasz zespół zaobserwował, że bozon Higgsa rozpada się na kwarki denne?

Odp.: Bozon Higgsa ma dwa odrębne mechanizmy: daje masę cząstkom siły zaangażowanym w interakcje elektrosłabe, siłę odpowiedzialną za rozpad jądrowy beta; i daje masę podstawowym cząstkom wewnątrz atomu, kwarkom i leptonom (takim jak elektrony i miony). Pomimo faktu, że jest on odpowiedzialny za oba mechanizmy, odkrycie Higgsa i późniejsze pomiary właściwości Higgsa zostały w dużej mierze przeprowadzone z cząstkami siły elektro-słabszej. Niedawno zaobserwowaliśmy bezpośrednio interakcje Higgsa z materią. Ten pomiar, bozon Higgsa, rozpadający się na dolny kwark, po raz pierwszy bezpośrednio obserwujemy oddziaływania Higgsa na Kwark. Potwierdza to, że kwarki rzeczywiście dostają masę z mechanizmu Higgsa.

P: Jak trudne było to wykrycie i jak w końcu zostało to zaobserwowane?

Odp.: Około 60 procent wszystkich rozpadów Higgsa dotyczy kwarków dennych. Jest to największy pojedynczy kanał zaniku bozonu Higgsa. Jednak jest to również kanał, który ma największe tło (szum z otaczających cząstek). W zależności od tego, jak je policzycie, jest to około milion razy większe niż kanały, których używaliśmy do odkrywania bozonów Higgsa.

Ludzie lubią porównywać pomiary Higgsa ze znalezieniem igły w stogu siana. Tutaj uważam, że bardziej trafną analogią jest stereogram magicznego oka. Poszukujesz szerokiego zniekształcenia w danych, które są bardzo trudne do zauważenia. Sztuczka próbowania zobaczenia tego zniekształcenia jest jak magiczne oko: musisz dowiedzieć się, jak prawidłowo ustawić ostrość.

Aby skalibrować nasze "skupienie", przyjrzeliśmy się cząstce siły elektro-słaby, bozonowi Z i jego rozpadzie na kwarki dolne. Kiedy udało nam się zobaczyć bozon Z trafiający do kwarków dennych, postawiliśmy nasz cel na bozon Higgsa, i tam był. Powinienem podkreślić, że aby zobaczyć to zniekształcenie, musieliśmy polegać na technologii, która była w powijakach w czasie odkrycia bozonów Higgsa, włączając w to niektóre z ostatnich osiągnięć w uczeniu maszynowym. W rzeczywistości, zaledwie kilka lat temu nauczono w twojej standardowej klasie fizyki cząstek, że nie można było obserwować rozpadów Higgsa w niektórych z tych kanałów.

P: Pierwotne odkrycie bozonu Higgsa zostało uznane za przełomowe odkrycie, które ostatecznie ujawni tajemnicę, dlaczego atomy mają masę. W jaki sposób nowe odkrycie rozpadu Higgsa pomoże rozwiązać tę tajemnicę?

Odp.: Po odkryciu bozonów Higgsa dowiedzieliśmy się dużo o tym, jak mechanizm Higgsa nadaje masę różnym cząstkom. Jednak wielu twierdzi, że po odkryciu bozonów Higgsa fizyka wysokich energii stała się jeszcze bardziej interesująca, ponieważ zaczyna wyglądać tak, jakby nasz konwencjonalny pogląd na fizykę cząstek nie pasował idealnie.

Jednym z najlepszych sposobów na sprawdzenie naszego poglądu jest pomiar właściwości bozonu Higgsa. Rozpad Higgsa-dna-kwarku jest niezbędny do tego zrozumienia, ponieważ pozwala nam bezpośrednio badać właściwości oddziaływań Higgsa i kwarku z materią oraz z powodu jego dużej szybkości zaniku, co oznacza, że ​​możemy zmierzyć bozon Higgsa we wszystkich rodzajach scenariuszy. które nie są możliwe w innych trybach zaniku.

Obserwacja ta daje nam nowe i potężne narzędzie do badania bozonów Higgsa. W rzeczywistości, w ramach tego pomiaru, byliśmy w stanie zmierzyć bozon Higgsa z energią ponad dwukrotnie większą od energii najwyższych bozonów Higgsa, które obserwowaliśmy wcześniej.

menu
menu