Big Higgs Hunt

Big Higgs Hunt

Alexey Levin
"Cơ học phổ biến" №5, 2013

Vào ngày 4 tháng 7 năm 2012, nó đã được chính thức thông báo rằng các thí nghiệm tìm kiếm boson Higgs tại Large Hadron Collider (LHC) rất có thể sẽ được trao vương miện thành công.

Tại sao các nhà vật lí lại cần đến boson này? Các đối xứng của mô hình chuẩn (xem "PM" số 3'2012) cấm các hạt cơ bản không có khối lượng không đông. Vấn đề có thể bị phá vỡ nếu chúng ta giả định rằng toàn bộ không gian được lấp đầy với một loại trường đặc biệt phá vỡ các đối xứng này và cho khối lượng cho tất cả các hạt, ngoại trừ photon, gluon và, có thể là neutrino.

Theo truyền thống đặt ra vào năm 1966 bởi nhà vật lý người Mỹ Benjamin Lee, nó được gọi là trường Higgs. CM chứa bốn trường Higgs và, theo đó, bốn boson vô hướng, ba trong số đó không có khối lượng. Họ truyền một khối lượng boson vector W+W và Z, nhưng bản thân họ biến mất. Nhưng một lượng tử khổng lồ của trường thứ tư, có thể xuất hiện như là kết quả của sự va chạm của các hạt năng lượng cao, xuất hiện trong một thời gian rất ngắn như một hạt độc lập. Nó là boson Higgs, hay đơn giản là Higgs.

Bosd paddock

Lý thuyết làm cho nó không thể xác định khối lượng của boson Higgs – điều này có thể được thực hiện chỉ bằng thực nghiệm.Trong một thời gian dài nó không thể đưa ra ước tính gần đúng về khối lượng này, chỉ giới hạn trên của nó đã được biết – khoảng 1000 GeV.

SM cho phép chúng tôi tính toán xác suất của các phương pháp (kênh) khác nhau của quá trình sản xuất và phân rã của hạt Higgs trong các thí nghiệm trên máy gia tốc. Tuy nhiên, kết quả của những tính toán này phụ thuộc rất lớn vào khối lượng của nó, mà ban đầu không được biết. Mặt khác, ít nhất các giá trị giả định của các xác suất này là cần thiết, nếu không thì các dấu vết phân rã sẽ bị chết đuối trong nhiều sự kiện khác sau sự va chạm của các hạt năng lượng cao.

Do đó, từ lâu trước khi bắt đầu thí nghiệm trên các máy gia tốc, các nhà lý thuyết đã lừa dối các xác suất của các quá trình sản xuất và phân rã Higgs khác nhau. Tác phẩm đầu tiên được công bố vào đầu năm 1975, mặc dù các tác giả của nó xem xét các đặc tính của quá trình 10 khối lượng boson của Geon (khả năng của các máy gia tốc tại thời điểm đó bị giới hạn).

Giấy khai sinh

Theo SM, các boson Higgs tại LHC được sinh ra theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, va chạm cặp đôi của gluon đòi hỏi sự ra đời của một t-quark ảo, mà phân rã để tạo thành một Higgs. Một kết quả của một vụ va chạm như vậy có thể là sự nổi lên của một cặp "quark-antiquark" cộng với boson Higgs.Một cặp các quark "intraproton" va chạm có thể làm phát sinh hai quark thực với năng lượng thấp hơn và hai boson vectơ nặng ảo (W hoặc Z), cùng nhau tạo ra boson Higgs. Và cuối cùng, các quy trình có thể kéo boson Higgs ra khỏi chân không trong một công ty có boson W hoặc Z. Nhưng bất kỳ hành vi sáng tạo nào của Higgs đều cực kỳ hiếm hoi: trong một năm rưỡi, vô số va chạm vô số các proton Bak có thể tạo ra chỉ 200.000 Higgs.

Nhưng từ đầu những năm 1990, khi cuộc săn lùng thực sự của hạt khó nắm bắt bắt đầu, các nhà vật lý dần dần bắt đầu kèm theo những lá cờ đỏ của khu vực của quần chúng nơi mà Higgs không thể. Từ năm 1989 đến năm 2000, Máy va chạm Electron-Positron Lớn (LEP) có chức năng tại CERN, trong đó một đường hầm ngầm dài 27 km được xây dựng (bây giờ là vòng chính của LHC nằm ở đó).

Năng lượng va chạm của các hạt trong LEP, ban đầu không vượt quá 90 GeV, đã tăng hơn gấp đôi theo thời gian. Phân tích các thí nghiệm LEP cho thấy khối lượng Higgs không thể nhỏ hơn 114,4 GeV. Từ năm 2007 đến năm 2011, ông đã được tìm kiếm trong máy gia tốc proton-phản proton của Mỹ. Tevatron, mà tiếp tục thu hẹp (mặc dù, thống kê không quá đáng kể) phạm vi khối lượng Higgs – lên đến 115-135 GeV.

Kết quả thí nghiệm tại LHC được công bố vào cuối năm 2011 cho thấy khối lượng Higgs chính xác ở giữa khoảng thời gian này, trong khoảng thời gian từ 124 đến 126 GeV. Do đó, dữ liệu thử nghiệm cho năm 2012 được tính toán dựa trên giả định rằng nó là 125 GeV.

Proton lắp ráp

Không giống như LEP và Tevatronnơi các hạt và phản hạt va chạm, LHC chỉ hoạt động với các proton. Trong năm 2010-2011, năng lượng của chúng là 3,5 GeV và năm 2012 nó tăng lên 4 TeV. Vào tháng 2 năm nay, LHC đã đóng cửa cho đến năm 2016 để hiện đại hóa, sau đó năng lượng của các hạt trong mỗi chùm sẽ được đưa tới 7 TeV (do đó, tổng năng lượng sẽ là 14 TeV), cũng như tăng tần số va chạm (độ sáng va chạm).

Trong việc tìm kiếm boson Higgs trong va chạm, 500 nghìn tỷ proton đồng thời quay tròn, nhóm lại thành khoảng 2800 chùm (bó). Việc tìm kiếm được tiến hành trên các tổ hợp máy dò chính của máy va chạm ATLAS (A Hình xuyến Lhc Thiết bị) và CMS (Compact Muon Solenoid). Trong các máy dò, các trường điện từ điều khiển giảm proton từ các quỹ đạo song song và hướng chúng về phía nhau.

Bánh xốp
Tổ hợp ATLAS và CMS chứa các đầu dò theo dõi xác định quỹ đạo của các hạt và một nhiệt lượng điện từ để đo năng lượng photon,electron và positron. Năng lượng Hadron được đo bằng nhiệt kế hadron, muon – một phổ kế muon. Neutrino thoát khỏi tất cả các máy dò, nhưng mang một phần của tổng xung.

Mặc dù hàng trăm tỷ hạt có liên quan đến sự va chạm của hai chùm, trong năm 2011 số va chạm trung bình của mỗi lần tiếp xúc không vượt quá một tá, và vào năm 2012 nó tăng lên hai mươi. Nhưng kể từ khi các nhóm vượt qua 20 triệu lần mỗi giây, tổng số va chạm mỗi giây được đo bằng hàng trăm triệu.

Một tác động phía trước của hai proton (bao gồm các quark và các phản vật chất được giữ lại với nhau bởi một trường gluon), được tăng tốc đến gần tốc độ ánh sáng, làm phát sinh nhiều hạt thứ cấp, trong đó có thể có Higgs.

Dấu vân tay

Các boson Higgs không chỉ khó sản xuất, nó rất khó phát hiện. Theo CM, tuổi thọ của anh ấy là 1,6 · 10-22 c, và khoảng cách giữa các điểm xuất hiện và biến mất của nó không vượt quá vài chục femtometer. Và mặc dù các máy dò BAC là một phép lạ của việc đo lường thiết bị, chúng không thể đo khoảng cách ngắn như vậy.Do đó, boson Higgs có thể được tìm thấy độc quyền bởi các sản phẩm phân rã của nó.

Và ở đây có những khó khăn. Nếu khối lượng Higgs là 125 GeV, thì với xác suất khoảng 70% nó biến thành một cặp b-quark-b-antiquark hoặc một cặp gluon, mà trong quá trình biến đổi tiếp tục làm tăng các tia lửa – hàng tá tia lửa conic. Chúng dễ phát hiện … nhưng rất khó phân biệt với các tia không có nguồn gốc Higgs. Trong 27% trường hợp khác, các boson W hoặc các lepton lớn nhất, các hạt tau, cũng để lại các chữ ký không đáng kể trong máy dò, xuất hiện ở vị trí của Higgs biến mất.

Nhưng thiên nhiên đã cho các nhà khoa học thêm hai cơ hội để tìm ra boson thèm muốn. Là trung hòa điện, nó không thể trực tiếp tạo photon, nhưng nó có thể làm điều này thông qua một thể hiện trung gian. CM cho phép Higgs tạo ra các hạt ảo tích điện lớn, ngay lập tức biến mất và để lại một cặp lượng tử gamma. Higgs cũng có thể biến thành hai boson Z trung tính (cũng là ảo, nếu không định luật bảo toàn năng lượng sẽ bị vi phạm, vì khối lượng gấp đôi của Z-boson lớn hơn nhiều so với khối lượng Higgs).

Quy mô hành tinh

  • Để ghi lại tất cả các dấu vết của một vụ va chạm đơn, bạn cần ít nhất một megabyte và toàn bộ luồng dữ liệu thô từ các thiết bị dò LHC là 300 GB / s.
  • Thông tin dư thừa được loại bỏ bằng cách sử dụng hệ thống lọc máy tính hai cấp, do đó luồng dữ liệu có thể được giảm xuống còn “khiêm tốn” 300 MB / s.
  • Lượng dữ liệu hàng năm được ghi lại từ các máy dò LHC trong năm 2010 là khoảng 13 petabyte, đến năm 2012 con số này đã tăng lên 25 petabyte.
  • Dữ liệu này được truyền đến mạng thông tin. Toàn thế giới Lhc Lưới máy tínhhợp nhất hơn 170 trung tâm máy tính tại 36 quốc gia trên thế giới. Mạng lưới này cho phép các nhà khoa học trên khắp thế giới phân tích hàng chục petabyte thông tin về 300 nghìn tỷ vụ va chạm tại LHC.
  • Các đội kỹ thuật khoa học của mỗi thiết bị phát hiện ATLAS và CMS bao gồm hơn 3000 chuyên gia đến từ hơn 40 quốc gia trên thế giới.

Mỗi người trong số họ, lần lượt, phân rã thành một electron và một positron hoặc thành muon dương và âm, để cuối cùng Higg biến thành bốn lepton. Những phân rã này cho biết chữ ký rõ ràng nhất trong các máy dò, nhưng tổng xác suất của chúng rất nhỏ: với khối lượng Higgs 125 GeV, nó là 0,23% cho kênh hai photon và 0,01% cho kênh bốn lepton.Xét cho cùng, một lượng nặng như Higgs, dễ dàng biến đổi thành các hạt lớn hơn là các photon, electron và muon.

Trình bày chính thức

Tìm kim trong đống cỏ khô là niềm vui trẻ con so với săn Higgs. Vì vậy, sự cộng tác của CMS trong một năm rưỡi thí nghiệm chỉ tiết lộ năm (!) Bốn sự kiện lepton nên theo sự phân hủy Higgs thành một cặp Z-boson. Tuy nhiên, cả hai đội không chỉ đăng ký sự ra đời của một hạt "giống Higgs" (điện trung tính, với một spin nguyên không bằng một, và tính chẵn lẻ dương) với xác suất rất thấp, nhưng cũng gần như bằng nhau ước tính khối lượng của nó: 126,0 ± 0,6 GeV (ATLAS) và 125,3 ± 0,6 GeV (CMS).

Kết quả tháng 7 cũng chứa đựng những bất ngờ nhỏ. Hạt mới biểu hiện chính nó trong một kênh phân rã hai photon một và một nửa lần thường xuyên hơn so với CM quy định. Higgs phân hủy thành b-quark và W-boson không thể nhận thấy (các nhà vật lý không thực sự hy vọng điều đó), nhưng các nhà thực nghiệm không tìm thấy bất kỳ dấu hiệu nào của Higgs phân rã thành hạt tau, mặc dù cơ hội phát hiện của chúng cao hơn một chút. Những người tham gia hợp tác ATLAS cũng đã công bố một sự khác biệt trong các ước lượng khối lượng của hạt mới được phát hiện trong hai kênh photon và bốn lepton.

Trong trường hợp đầu tiên, nó gần như trùng với giá trị trước đó, nhưng trong lần thứ hai nó trở nên ít hơn khoảng 3 GeV. Đây là điều kỳ lạ hơn vì sự cộng tác của CMS một tháng trước đó (tháng 11 năm 2012) đã công bố ước tính cập nhật của riêng mình về khối lượng hạt cho phân rã bốn lepton, gần như trùng khớp với ước tính tháng Bảy. Các nhà vật lý có khuynh hướng tin rằng sự khác biệt này là do biến động thống kê.

Vật lý: cũ hay mới?

Sự gia tăng và biến mất của các hạt trung gian ảo có thể làm tăng tần suất của các sự kiện kênh hai photon so với sự mong đợi của Mô hình Chuẩn ”, nhà vật lý lý thuyết của các nhận xét tình hình lý thuyết. Viện Công nghệ California Sean Carroll, tác giả của một cuốn sách gần đây về việc tìm kiếm boson Higgs – Vì vậy, dữ liệu về phân rã hai photon có thể là dấu hiệu của một vật lý mới. giả thuyết, và có thể là chúng có thể được giải thích trong khuôn khổ của SM. "

Như Carroll tin, sự khác biệt của 3 GeV giữa khối lượng của boson cũng có thể được quy cho vật lý mới.Nhưng trong trường hợp này nó là cần thiết để nhận ra rằng những phân rã của hai boson khác nhau, nhưng rất giống nhau đã được tìm thấy. Rất khó để đưa ra một lý thuyết cho phép cùng tồn tại các boson đó.

Có lẽ, mọi thứ đơn giản hơn nhiều: số lượng phân rã phát hiện cực kỳ nhỏ, và thậm chí sự khác biệt nhỏ trong ước tính khối lượng được tính toán trên cơ sở từng sự kiện riêng lẻ có thể thay đổi đáng kể kết quả cuối cùng. Do đó, sự khác biệt có khả năng biến mất khi dữ liệu thử nghiệm được tích lũy và tinh chỉnh.

Theo Carroll, tất cả các dữ liệu được công bố trên hạt mới chưa đưa vào chương trình nghị sự sự điều chỉnh của Mô hình Chuẩn. Tình hình có thể thay đổi vào năm 2015, khi LHC sẽ được đưa ra sau khi hiện đại hóa. Cho đến lúc đó, CM không đe dọa bất cứ điều gì. Cộng đồng khoa học xem xét giống nhau: vào đầu tháng 3 năm 2013 tại một hội nghị khoa học được tổ chức tại Ý Moriond-2013 đã trình bày kết quả phân tích gần như tất cả các dấu hiệu của máy dò LHC tích lũy trong năm 2011-2012. Kết luận chung không có vẻ giống như một cảm giác: hạt mới được phát hiện ngày càng giống với boson Higgs, như mô tả của mô hình chuẩn.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

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