Co następuje po bozonie Higgsa?

Dziesięć lat temu w tym tygodniu dwie międzynarodowe kolaboracje dwóch grup naukowców, w tym dużej grupy z Kalifornijskiego Instytutu Technologii, potwierdziły, że znaleźli przekonujące dowody na istnienie bozonu Higgsa, nieuchwytnej cząstki elementarnej, przewidzianej po raz pierwszy w serii artykułów. opublikowany w połowie The Road. W latach sześćdziesiątych uważano, że nadaje to cząsteczkom elementarnym masę.

Pięćdziesiąt lat wcześniej Fizycy teoretyczni Starał się zrozumieć tak zwaną teorię elektrosłabą, która opisuje zarówno elektromagnetyzm, jak i słabą siłę jądrową (udział w rozpad radioaktywny) stało się jasne dla Petera Higgsa, który pracował w Wielkiej Brytanii, oraz niezależnie dla François Englerta i Roberta Prouta w Belgii, a także dla amerykańskiego fizyka Geralda Goralnika i innych, że do wyjaśnić zachowanie cząstki elementarne które składają się na zamówienie. To pole, pole Higgsa, dałoby cząstkę o zerowym spinie, wielkiej masie i zdolności do automatycznego łamania symetrii starszego wszechświata, umożliwiając materializację wszechświata. Cząstka ta stała się znana jako bozon Higgsa.

W kolejnych dziesięcioleciach fizycy eksperymentalni najpierw stworzyli, a następnie opracowali narzędzia i metody potrzebne do wykrywania bozonu Higgsa. Najbardziej ambitnym z tych projektów był Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), obsługiwany przez Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN). Od czasu planowania Wielkiego Zderzacza Hadronów pod koniec lat osiemdziesiątych, Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Narodowa Fundacja Nauki współpracowały z CERN, aby zapewnić finansowanie i wiedzę techniczną oraz wspierać tysiące naukowców, którzy pomagają w poszukiwaniu Higgsa.

LHC to 27-kilometrowy podziemny pierścień, w którym protony są przyspieszane przez magnes nadprzewodzący do prędkości nieco poniżej prędkości światła. Dwie wiązki protonów poruszające się w przeciwnych kierunkach są skupiane i kierowane tak, aby zderzały się ze sobą w określonych punktach, w których detektory mogą obserwować cząstki z tych zderzeń. Wykorzystanie kluczowych urządzeń do wykrywania o różnych konstrukcjach – głównie sprężonego elektromagnesu (CMS) i A Toroidalnego aparatu LHC (ATLAS) – umożliwia naukowcom przeprowadzanie różnych eksperymentów w celu przetestowania prognoz Modelu Standardowego używanego przez bozon Higgsa. Częścią jest poszukiwanie nowych cząstek i interakcji poza Modelem Standardowym oraz wzajemne sprawdzanie wyników. Bozon Higgsa, ogłoszony 4 lipca 2012 r., został ujawniony na podstawie analizy bezprecedensowej ilości danych zebranych przez CMS i ATLAS.

Harvey Newman, profesor fizyki w Marvin L. Sposób, w jaki patrzymy na wszechświat”.

Bozon Higgsa, nazwany „boską cząstką” w książce z 1993 roku autorstwa Leona Ledermana i Dicka Tercy’ego, odgrywa kluczową rolę w Modelu Standardowym fizyki: zapewnia mechanizm, dzięki któremu cząstki elementarne zyskują masę. Kiedy cząstki przecinają pole Higgsa i wchodzą w interakcję z bozonami Higgsa, niektóre ślizgają się po powierzchni, nie zmieniając się wcale. Ale inni utknęli w chwastach, że tak powiem, i zyskują szacunek.

Model Standardowy musi jeszcze odpowiednio wyjaśnić ciemną materię lub grawitację, ale za każdym razem jego przewidywania były eksperymentalnie potwierdzane. „To zaskakujący i zaskakujący wynik, że analizując coraz większe ilości danych, coraz bardziej czułymi metodami, zgodność z Modelem Standardowym wciąż poprawiała się we wszystkich jego szczegółach, nawet gdy pojawiły się pierwsze oznaki tego, co za nim kryło się, w zakresie nowe cząstki A nowe interakcje nadal umykały” – mówi Newman.

Wszelkie odchylenia od wyników przewidywanych przez Model Standardowy wskazują na obecność cząstek lub innej dynamiki, która może pewnego dnia stanowić podstawę nowego, bardziej wszechstronnego modelu fizyki.

Zderzenia, w których powstają bozony Higgsa, są rzadkie. Na każdy miliard zderzeń proton-proton powstaje tylko jeden bozon Higgsa. Aby jeszcze bardziej skomplikować ten obraz, bozony Higgsa bardzo szybko rozpadają się na inne cząstki, a wcześniejsze istnienie bozonu Higgsa można wywnioskować jedynie na podstawie pomiaru właściwości tych cząstek. Maria Spiropolo z Caltech, profesor fizyki z Shang Yichen i inny lider oryginalnego zespołu naukowców z Caltech, którzy pomogli odkryć Higgsa, opisuje go jako „przysłowiową igłę w problemie stogu siana”.

Udoskonalenia technologiczne LHC i jego detektorów pozwoliły na większą moc i większą dokładność w zderzeniach i ich detektorach. Od czasu odkrycia bozonu Higgsa w 2012 roku eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów ujawniły więcej informacji na temat bozonu Higgsa oraz jego procesów masy i rozpadu. Na przykład w 2018 r. Newman, Spiropoulou i inni badacze z Caltech pracowali z międzynarodowym zespołem, który dostarczył dowodów na rozpad bozonu Higgsa na pary fundamentalnych cząstek zwanych kwarkami dolnymi. ” Przed tym odkryciem zespół CMS dokonał pierwszej obserwacji bozonu Higgsa sparowanego bezpośrednio ze standardową najcięższą typową cząstką, kwarkiem górnym.

W 2020 roku Spiropolo i jej koledzy udokumentowali rzadki proces rozpadu bozonu Higgsa, w wyniku którego powstają mionany. „Badanie właściwości bozonu Higgsa jest równoznaczne z poszukiwaniem nowej fizyki, o której wiemy, że powinna istnieć” – powiedział Spiropollo.

„Właśnie kończyłam szkołę średnią, kiedy usłyszałam o odkryciu Higgsa w LHC”, mówi absolwentka Caltech i członek zespołu CMS Erin Dutta (MS ’20), która pracowała nad badaniami mionów. „To upokarzające wiedzieć, jak dokładnie Model Standardowy może opisywać cząstki elementarne i ich interakcje z taką dokładnością”.

Niedawno zespół naukowców kierowany przez California Institute of Technology pracujący nad eksperymentem CMS wykorzystał algorytmy uczenia maszynowego oparte na sieciach neuronowych, aby opracować nowy sposób wyszukiwania czegoś, co może być bardziej nieuchwytną zdobyczą niż sam Higgs: niezwykle rzadkiej „pary”. ” oddziałujących bozonów Higgsa, które, zgodnie z teorią, mogą być wytwarzane podczas zderzenia protonów.

Po trzyletniej przerwie w dalszych pracach nad akceleratorem i próbami LHC, już w 2022 roku LHC rozpoczął końcowe przygotowania do trzeciej rundy (operacja 3). Trzeci etap, zaplanowany do końca 2025 roku, rozpocznie się w lipcu. 5, co skutkuje pierwszymi Zderzeniami przy nowej energii 13,6 TeV.

„Odkrycie Higgsa jest kamieniem milowym na długiej drodze” – mówią Barry Parish, Ronald i Maxine Linde, emerytowany profesor fizyki, były lider High Energy Physics Group w Caltech (i współlaureat Nagrody Nobla). w fizyce). w 2017 r. za pracę nad innym wielkoskalowym projektem fizycznym, Obserwatorium Laserowych Fal Grawitacyjnych (LIGO), w ramach którego w 2016 r. po raz pierwszy wykryto fale w przestrzeni i czasie znane jako fale grawitacyjne). „Fizyka cząstek posuwa się do przodu, mając na uwadze, że Model Standardowy opisuje tylko niewielki ułamek tego, o czym wiemy, że istnieje i jest więcej pytań bez odpowiedzi niż odpowiedzi; tak, mamy cudownie proste parametry w Modelu Standardowym, ale rzeczywiste pochodzenie: „Złamanie symetrii elektrosłabej jest nieznane. Przed nami dużo pracy.”

Zastanawiając się nad dekadą eksploracji bozonu Higgsa, Neumann zauważa, że ​​badania „nadal motywują nas do intensywniejszego myślenia i projektowania ulepszonych detektorów i ulepszeń przyspieszenia, które pozwolą nam znacznie poszerzyć nasz zasięg teraz i w ciągu najbliższych dwóch dekad”. Obejmuje to drugą ważną fazę programu LHC, znaną jako High Luminosity LHC, która ma trwać od 2029 do 2040 roku. Zapewni ona znaczące ulepszenia kompleksu akceleratorów i detektorów, które spowodują oczekiwany wzrost ilości zebranych danych o współczynnik 20 w stosunku do tego, co mają dziś CMS i ATLAS.

W skład zespołu Caltech wchodzą również Si Xie, adiunkt naukowy fizyki, a także naukowcy Adi Bornheim i Ren-Yuan Zhu, z których wszyscy poświęcili dziesięciolecia badań na odkrywanie i zrozumienie Higgsa. bozon. Grupa Caltech prowadzi nowe ulepszenia w ultra-dokładnym taktowaniu Wielkiego Zderzacza Hadronów o wysokiej jasności oraz opracowuje nowe podejścia do analizy danych oparte na sztucznej inteligencji, które pozwolą na szybkie wykrywanie w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Grupa wyprodukowała ponad dziesięć doktoratów. Tezy umożliwiły prawie 100 studentom studiów licencjackich i stażystom zaangażowanie się w analizę, oprzyrządowanie i badania obliczeniowe od czasu odkrycia Higgsa.