Phillip Hopkins
0 
795
131
I dag er en god dag for fysikk.
To nye resultater som ble utgitt i dag (4. juni) har funnet at Higgs boson dukker opp sammen med den tyngste partikkelen som noen gang er oppdaget. Og resultatene kan hjelpe oss med å forstå en av de mest grunnleggende problemene i fysikk - hvorfor materie har masse.
Funnene ble gitt ut på konferansen Large Hadron Collider Physics 2018 i Bologna, Italia. Funnet ble uavhengig oppnådd ved to eksperimenter (A Toroidal LHC Apparatus, eller ATLAS, og Compact Muon Solenoid, eller CMS) ved bruk av data registrert ved Large Hadron Collider (LHC), som ligger ved CERN-laboratoriet i Sveits. Disse resultatene er tilgjengelige for publikum i to artikler, ett nettopp sendt for publisering og ett nettopp publisert.
Jakt på masse
Jakten på Higgs og massens opprinnelse har en fascinerende historie. I 1964 spådde flere forskere, inkludert den britiske fysikeren Peter Higgs og den belgiske fysikeren Francois Englert, at massen av grunnleggende subatomiske partikler oppsto gjennom interaksjoner med et energifelt som nå kalles Higgs-feltet. Energifeltet gjennomsyrer universet. Partikler som samhandler mer med feltet er mer massive, mens andre samhandler lite med feltet, og noen slett ikke. En konsekvens av denne prediksjonen er at en subatomær partikkel kalt Higgs boson skal eksistere. [6 Implikasjoner av å finne Higgs Boson]
Etter nesten 50 år med leting fant forskere ved LHC Higgs boson i 2012. For deres vellykkede prediksjon delte Higgs og Englert Nobelprisen 2013 i fysikk.
Den tyngste kjente grunnleggende subatomiske partikkelen er toppkvarken, oppdaget i 1995 på Fermilab, som ligger rett vest for Chicago. Det er seks kjente kvarker. To er stabile og finnes i sentrum av protoner og nøytroner. De fire andre er ustabile, og opprettes bare i store partikkelakseleratorer. Et enkelt toppkvark har en masse som kan sammenlignes med et volumatom.
Unngåelig måling
I dagens kunngjøring beskrev forskere en klasse av kollisjoner der et topp kvark-materie / antimatterpar ble opprettet samtidig med en Higgs-boson. Disse kollisjonene lar forskere direkte måle interaksjonsstyrken mellom Higgs bosoner og toppkvarker. Fordi samspillet mellom en partikkel og Higgs-feltet er det som gir en partikkel dens masse, og fordi toppkvarken er den mest massive grunnleggende subatomiske partikkelen, samhandler Higgs-boson sterkest med toppkvarken. Følgelig er interaksjoner av denne typen et ideelt laboratorium for å gjøre detaljerte studier av opprinnelsen til masse.
Denne målingen var spesielt utfordrende. Funnet av Higgs-bosonet i 2012 innebar bare en håndfull kollisjoner. Kollisjoner der både Higgs-bosoner og topp-kvarker produseres samtidig, skjer bare i 1 prosent av kollisjonene der en Higgs-boson produseres. Når man inkluderer det store utvalget av måter toppkvarks kan forfalle, krevde denne analysen dusinvis av uavhengige analyser, som involverte hundrevis av forskere. Analysene ble deretter kombinert til en enkelt måling. Dette var en veldig vanskelig bragd.
Før denne målingen var det ikke mulig å direkte måle interaksjonsstyrken til en toppkvark og Higgs-bosoner. Higgs-bosoner har en masse på 125 GeV (milliarder elektron volt) og toppkvarken har en masse på 172 GeV. Så et topp kvark / antikvarkpar har en masse på 344 GeV, som er større enn massen til Higgs-bosonet. Det er derfor umulig for en Higgs-boson å forfalle til et topp-kvark / antikvarpar. I stedet opprettes et topp kvark / antikvarkspar, og en av de to partiklene avgir en Higgs-boson. Hver toppkvark forfaller til tre partikler, og Higgs-bosonet forfaller i to. Etter partikelenes forfall er det således åtte forskjellige forfallsprodukter som finnes i detektoren, som må tildeles riktig. Det er et veldig komplekst sett med data. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Naturens minste partikler dissekert]
Det er også en veldig sjelden type interaksjon. Forskere siktet gjennom en firemillion (10 reist til 15 makt) kollisjoner mellom par protoner for å identifisere en håndfull kollisjoner med de nødvendige egenskapene.
Rest mysterier
Mens oppdagelsen av Higgs-bosonet og påfølgende målinger får forskere til å tro at teorien først ble skrevet ned i 1964 av Higgs og Englert og andre er riktig, er det fortsatt noen betydelige gjenværende mysterier. Blant dem: Hvorfor har Higgs boson massen som den gjør? Og hvorfor er det et Higgs-felt i det hele tatt? Først og fremst er det faktum at Higgs-teorien ikke er motivert av en dypere teoretiske ramme. Det er ganske enkelt lagt til. I sin enkleste form spår Standard Model (som er den ledende teorien om subatomære interaksjoner) at alle grunnleggende subatomiske partikler er masseløse. Dette er i direkte motsetning til målinger. Higgs-teorien er lagt til, som en teoretisk båndhjelp, til standardmodellen. Fordi Higgs-teorien kan forklare massen til disse partiklene, er Higgs-teorien nå blitt underlagt innenfor standardmodellen.
Men det er fremdeles en Band-Aid, og det er en utilfredsstillende situasjon. Kanskje ved å studere interaksjoner mellom Higgs bosoner og partiklene de interagerer sterkest med, vil vi avdekke litt atferd som peker på en dypere og mer forklarende underliggende teori..
I tillegg er den numeriske verdien for massen til Higgs boson litt av et mysterium. Higgs-feltet gir masse til grunnleggende subatomiske partikler, inkludert Higgs-bosonet selv. Historien er imidlertid mer sammensatt enn det. På grunn av kvantemekaniske effekter kan Higgs boson midlertidig overføre seg selv til andre subatomære partikler, inkludert toppkvarken. Mens Higgs-bosonet er i denne transmuterte tilstanden, kan disse midlertidige partiklene samvirke med Higgs-feltet og derved indirekte endre massen til Higgs-bosonet. Når disse effektene tas i betraktning, er den forutsagte og målte massen til Higgs boson i vill uenighet. Dette er et presserende mysterium for moderne fysikk, og forhåpentligvis vil bedre målinger av interaksjonene til Higgs bosoner kaste lys over dette conundrummet.
Selv om dagens kunngjøring bare involverer et lite antall kollisjoner der toppkvarker og Higgs-bosoner skapes, vil det i fremtiden være mulig å studere denne prosessen med mye større presisjon. LHC fungerer ypperlig, men innen utgangen av 2018 vil den ha levert bare 3 prosent av dataene den forventes å levere. På slutten av 2018 vil LHC stenge i to år for oppgraderinger og ombygginger. I 2021 vil kollideren fortsette driften med hevn, og fungere gjennom 2030. I løpet av den perioden forventer forskere å registrere 30 ganger mer data enn det som vil ha blitt samlet inn innen utgangen av dette året.
Det er vanskelig å vite hva vi vil finne. LHC og tilhørende detektorer er ekstraordinære teknologibilder, og det er faktisk sannsynlig at de vil levere enda mer data enn forutsagt. Med så mye data er det ganske mulig at forskere vil avdekke et nytt fenomen som ikke er oppdaget, men som vil kreve at vi omskriver lærebøkene. Det er ingen garanti, men en ting er sikkert: Dagens kunngjøring gir en klar vei for å bedre forstå opprinnelsen til masse.
Redaktørens merknad: Don Lincoln er fysikkforsker ved Fermilab. Han er forfatteren av "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), og han produserer en serie med videoopplæringsvideoer. Følg ham på Facebook. Meningene som kommer til uttrykk i denne kommentaren er hans.