Higgsin bosoni - Higgs boson

Higgsin bosoni
	Ehdokas Higgsin bosoni tapahtumia törmäyksistä välillä protonit että LHC . CMS -kokeen huipputapahtuma näyttää hajoamisen kahteen fotoniin (katkoviivat ja keltaiset viivat). Alempi tapahtuma ATLAS -kokeessa osoittaa hajoamisen neljään muoniin (punaiset raidat).
Sävellys	Alkeishiukkaset
Tilastot	Bosonic
Tila	Hiukkanen, jonka massa oli 125 GeV, löydettiin vuonna 2012 ja myöhemmin vahvistettiin Higgsin bosoniksi tarkemmilla mittauksilla. ; (Katso: Nykyinen tila )
Symboli	; H0;
Teoreetisoitu	R. Brout , F. Englert , P. Higgs , GS Guralnik , CR Hagen ja TWB nappulat (1964)
Löytyi	Suuri Hadron Collider (2011–2013)
Massa	125,10 ± 0,14 GeV/ c 2
Keskimääräinen elinikä	1,56 × 10 −22 s (ennakoitu)
Hajoaa sisään
Sähkövaraus	0 e
Värivaraus	0
Pyöräytä	0
Heikko isospiini	- 1/2
Heikko hyperlataus	+1
Pariteetti	+1

Higgsin bosoni on alkeishiukkasfysiikka että standardimalli on hiukkasfysiikan tuottaman kvantti heräte Higgsin kentän, yksi kenttien vuonna hiukkasfysiikan teoriassa. Standardimallissa Higgs -hiukkanen on massiivinen skalaaribosoni, jossa ei ole spin , ei sähkövarausta eikä värivarausta . Se on myös erittäin epävakaa, hajoaa lähes välittömästi muihin hiukkasiin.

Se on nimetty fyysikon Peter Higgsin mukaan , joka vuonna 1964 yhdessä viiden muun tiedemiehen kanssa ehdotti Higgsin mekanismia selittääkseen, miksi joillakin hiukkasilla on massa . (Hiukkaset hankkia massa useita tapoja, mutta täydellistä selitystä kaikki hiukkaset olivat äärimmäisen vaikeaa.) Tämä mekanismi tarvitaan, että spinless hiukkanen tunnetaan bosoni olisi oltava, jonka ominaisuudet, kuten kuvataan Higgs mekanismin teoria. Tätä partikkelia kutsuttiin Higgsin bosoniksi.

Vuonna 2012 ATLAS- ja CMS -kokeissa löydettiin subatominen hiukkanen, jolla oli odotetut ominaisuudet, suurella Hadronitörmäyslaitteella (LHC) CERNissä lähellä Geneveä , Sveitsiä. Uusi hiukkanen vahvistettiin myöhemmin vastaamaan Higgsin bosonin odotettuja ominaisuuksia.

Joulukuun 10. päivänä 2013 kaksi fyysikkoa, Peter Higgs ja François Englert , saivat fysiikan Nobel -palkinnon teoreettisista ennustuksistaan. Vaikka Higgsin nimi on yhdistetty tähän teoriaan (Higgsin mekanismi), useat tutkijat vuosien 1960 ja 1972 välillä kehittivät itsenäisesti sen eri osia.

Valtavirran tiedotusvälineissä Higgsin bosonia on usein kutsuttu " jumalapartikkeliksi " Nobelin palkinnon saajan Leon Ledermanin vuoden 1993 kirjasta The God Particle , vaikka monet fyysikot eivät hyväksy lempinimeä.

Johdanto

Vakiomalli

Fyysikot selittää ominaisuuksien väliset voimat alkeishiukkasten kannalta standardimallin - laajasti hyväksytty puitteet ymmärrystä lähes kaikki perusfysiikka, muu kuin painovoima . ( Painovoimana käytetään erillistä teoriaa, yleistä suhteellisuusteoriaa .) Tässä mallissa luonnon perusvoimat johtuvat maailmankaikkeutemme ominaisuuksista, joita kutsutaan mittarin invarianssiksi ja symmetriaksi . Voimat välittävät hiukkasina, jotka tunnetaan mittaribosoneina .

Mittarin bosonimassan ongelma

Kenttäteorioita oli käytetty menestyksekkäästi sähkömagneettisen kentän ja voimakkaan voiman ymmärtämisessä , mutta noin vuoteen 1960 mennessä kaikki yritykset luoda mittari -invarianttinen teoria heikkoa voimaa (ja sen yhdistelmää perusvoiman sähkömagnetismia , sähköheikkoa vuorovaikutusta ) kohtaan oli johdonmukaisesti epäonnistui, ja mittariteoriat alkoivat siten huonontua. Ongelmana oli, että mittarin invarianttiteoria sisältää symmetriavaatimuksia , ja nämä ennustivat väärin, että heikon voiman mittaribosonien ( W ja Z ) massa olisi nolla. Kokeista tiedetään, että niiden massa on nollasta poikkeava. Tämä tarkoitti sitä, että joko mittarin invarianssi oli väärä lähestymistapa tai jokin muu - tuntematon - antoi näille hiukkasille massansa. 1950 -luvun loppuun mennessä fyysikot eivät olleet ratkaisseet näitä kysymyksiä eivätkä vieläkään pystyneet luomaan kattavaa teoriaa hiukkasfysiikalle, koska kaikki yritykset ratkaista tämä ongelma loivat vain lisää teoreettisia ongelmia.

Symmetria rikkoutuu

1950 -luvun lopulla Yoichiro Nambu tunnusti, että spontaani symmetrian rikkoutuminen , prosessi, jossa symmetrinen järjestelmä päätyy epäsymmetriseen tilaan, voi tapahtua tietyissä olosuhteissa. Vuonna 1962 fyysikko Philip Anderson , joka työskenteli kondensoituneen aineen fysiikan alalla , havaitsi, että symmetrian rikkoutumisella oli merkitystä suprajohtavuudessa ja että sillä voi olla merkitystä hiukkasfysiikan mittari -invarianssin ongelmassa. Vuonna 1963 tämän osoitettiin olevan teoreettisesti mahdollista, ainakin joissakin rajoitetuissa ( ei-relativistisissa ) tapauksissa.

Higgsin mekanismi

Vuosien 1962 ja 1963 julkaisujen jälkeen kolme tutkijaryhmää julkaisi itsenäisesti vuoden 1964 PRL -symmetriarikkopaperit, joilla oli samanlaiset johtopäätökset, ja kaikissa tapauksissa, ei vain joissain rajoitetuissa tapauksissa. Ne osoittivat, että sähköheikon symmetrian olosuhteet "rikkoutuisivat", jos epätavallinen kenttätyyppi olisi olemassa kaikkialla maailmankaikkeudessa, ja jotkut perushiukkaset saisivat massan . Tämän saavuttamiseksi tarvittava kenttä (joka oli tuolloin puhtaasti hypoteettinen) tuli tunnetuksi nimellä Higgs -kenttä ( Peter Higgs , yksi tutkijoista) ja mekanismi, jolla se johti symmetrian rikkomiseen, joka tunnetaan nimellä Higgs -mekanismi . Tarvittavan kentän keskeinen piirre on se, että kentällä olisi vähemmän energiaa kuin nolla-arvo kuin nolla-arvo, toisin kuin kaikki muut tunnetut kentät, joten Higgs-kentän arvo on nollasta poikkeava (tai tyhjiöodotus) ) kaikkialla . Tämä nollasta poikkeava arvo voi teoriassa rikkoa sähköheikon symmetrian. Se oli ensimmäinen ehdotus, joka pystyi osoittamaan, kuinka heikon voiman mittaribosoneilla voisi olla massa huolimatta niiden hallitsevasta symmetriasta mittarin invarianttisen teorian puitteissa.

Vaikka nämä ajatukset eivät saaneet suurta alku tukea tai huomiota, ne oli kehitetty vuoteen 1972 mennessä kattavaksi teoriaksi ja osoittautunut kykeneväksi antamaan "järkeviä" tuloksia, jotka kuvaavat tarkasti tuolloin tunnettuja hiukkasia ja jotka ennustivat poikkeuksellisen tarkasti useita muita hiukkasia, jotka on löydetty seuraavien vuosien aikana . 1970 -luvulla näistä teorioista tuli nopeasti hiukkasfysiikan vakiomalli .

Higgsin kenttä

Vakiomalli sisältää sellaisen kentän , joka tarvitaan sähköheikon symmetrian "rikkomiseen" ja hiukkasten oikean massan antamiseen. Tämä kenttä, nimeltään "Higgs -kenttä", on olemassa kaikkialla avaruudessa, ja se rikkoo joitain symmetrialakkeja heikon heikon vuorovaikutuksen suhteen ja laukaisee Higgsin mekanismin. Siksi heikon voiman W- ja Z -mittaribosonit ovat massiivisia kaikissa lämpötiloissa, jotka ovat äärimmäisen korkean arvon alapuolella. Kun heikko voima bosonit saavat massaa, tämä vaikuttaa vapaasti kulkevaan etäisyyteen, joka muuttuu hyvin pieneksi ja vastaa myös kokeellisia tuloksia. Lisäksi myöhemmin ymmärrettiin, että sama kenttä selittäisi myös eri tavalla, miksi muilla aineen perusosilla (mukaan lukien elektronit ja kvarkit ) on massa.

Toisin kuin kaikki muut tunnetut kentät, kuten sähkömagneettinen kenttä , Higgs-kenttä on skalaarikenttä , ja sen tyhjiön keskiarvo on nollasta poikkeava .

"Keskeinen ongelma"

Vielä ei ollut suoraa näyttöä Higgs -kentän olemassaolosta, mutta jopa ilman todisteita kentästä sen ennusteiden tarkkuus sai tutkijat uskomaan, että teoria saattaa olla totta. 1980 -luvulle mennessä kysymystä siitä, onko Higgs -kenttä olemassa ja onko koko vakiomalli oikea, on pidetty yhtenä tärkeimmistä vastaamattomista kysymyksistä hiukkasfysiikassa .

Tiedemiehillä ei ollut monien vuosikymmenten ajan mitään keinoa määrittää, onko Higgs -kenttä olemassa, koska sen havaitsemiseen tarvittavaa tekniikkaa ei ollut tuolloin. Jos Higgs -kenttä olisi olemassa, se olisi toisin kuin mikään muu tunnettu peruskenttä, mutta oli myös mahdollista, että nämä keskeiset ajatukset tai jopa koko vakiomalli olivat jotenkin virheellisiä.

Oletettu Higgs -mekanismi teki useita tarkkoja ennusteita. Yksi tärkeä ennuste oli, että myös vastaava hiukkanen nimeltä "Higgsin bosoni" olisi olemassa. Higgsin bosonin olemassaolon todistaminen voisi todistaa Higgs -kentän olemassaolon ja näin ollen lopulta todistaa, onko vakiomallin selitys oikea. Siksi Higgsin bosonia etsittiin laajasti keinona todistaa Higgsin kentän olemassaolo.

Higgs -kentän olemassaolosta tuli hiukkasfysiikan vakiomallin viimeinen tarkistamaton osa, ja sitä pidettiin useita vuosikymmeniä "hiukkasfysiikan keskeisenä ongelmana".

Haku ja löytö

Vaikka Higgsin kenttä on olemassa kaikkialla, sen olemassaolon todistaminen ei ollut kaukana helposta. Periaatteessa sen voidaan todistaa olevan olemassa havaitsemalla sen herätykset , jotka ilmenevät Higgsin hiukkasina ( Higgsin bosoni ), mutta niitä on erittäin vaikea tuottaa ja havaita niiden tuottamiseen tarvittavan energian ja erittäin harvinaisen tuotannon vuoksi, vaikka energia riittää. Siksi kului useita vuosikymmeniä, ennen kuin löydettiin ensimmäiset todisteet Higgsin bosonista. Hiukkastörmäyttäjien , ilmaisimien ja tietokoneiden etsiminen Higgsin bosoneista kesti yli 30 vuotta (n. 1980–2010) .

Tämän tärkeys peruskysymys johti 40 vuoden etsintä ja rakentaminen yksi maailman kalliita ja monimutkaisia koelaitteistoja tasalla, CERN : n Large Hadron Collider , joka yrittää luoda Higgsin bosoni ja muut hiukkaset havainnointiin ja opiskella. 4. heinäkuuta 2012 löydettiin uusi hiukkanen, jonka massa oli välillä 125 ja127 GeV/ c ² ilmoitettiin; fyysikot epäilivät, että kyseessä oli Higgsin bosoni. Siitä lähtien hiukkasen on osoitettu käyttäytyvän, vuorovaikuttavan ja rappeutuvan monilla tavoilla, jotka standardimalli on ennustanut Higgs -hiukkasille, ja sillä on jopa pariteetti ja nollakierros , kaksi Higgsin bosonin perusominaisuutta. Tämä tarkoittaa myös sitä, että se on ensimmäinen luonnossa löydetty skalaarihiukkanen .

Maaliskuuhun 2013 mennessä Higgsin bosonin olemassaolo vahvistettiin, ja siksi tietyntyyppisen Higgs -kentän käsite avaruudessa on vahvasti tuettu.

Kentän läsnäolo, joka on nyt vahvistettu kokeellisilla tutkimuksilla, selittää, miksi joillakin perushiukkasilla on massaa huolimatta niiden vuorovaikutusta kontrolloivista symmetrisyyksistä, joiden mukaan niiden pitäisi olla massattomia. Se ratkaisee myös useita muita pitkäaikaisia pulmia, kuten syyn heikon voimabosonin erittäin lyhyeen matkaan ja siten heikon voiman äärimmäisen lyhyeen kantamaan.

Vuodesta 2018 lähtien perusteellinen tutkimus osoittaa, että hiukkanen jatkaa käyttäytymistään vakiomallin Higgs-bosonin ennusteiden mukaisesti. Lisää tutkimuksia tarvitaan sen varmistamiseksi, että löydetyllä hiukkasella on kaikki ennustetut ominaisuudet tai onko useiden teorioiden mukaan useita Higgsin bosoneja olemassa.

Tämän kentän luonnetta ja ominaisuuksia tutkitaan tarkemmin käyttämällä enemmän LHC: ssä kerättyjä tietoja.

Tulkinta

Higgs-kentän ja bosonin kuvaamiseen on käytetty erilaisia analogioita , mukaan lukien analogiat, joilla on tunnettuja symmetriaa rikkovia vaikutuksia, kuten sateenkaari ja prisma , sähkökentät ja veden pinnan väreily.

Muita analogioita, jotka perustuvat tietovälineiden läpi liikkuvien makroobjektien (kuten väkijoukkojen läpi liikkuvat ihmiset tai jotkut siirapin tai melassin läpi liikkuvat esineet ) vastustamiseen, ovat yleisesti käytettyjä, mutta harhaanjohtavia, koska Higgsin kenttä ei itse asiassa vastusta hiukkasia ja massan vaikutus on ei johdu vastarinnasta.

Yleiskatsaus kiinteistöihin

Standardimallissa Higgs -hiukkanen on massiivinen skalaaribosoni, jossa ei ole spin , ei sähkövarausta eikä värivarausta . Se on myös erittäin epävakaa, hajoaa lähes välittömästi muihin hiukkasiin. Higgsin kenttä on skalaari kenttä , jossa on kaksi neutraalia ja kaksi sähköisesti varautuneita komponentteja, jotka muodostavat kompleksin dubletti , että heikko isospin SU (2) symmetria. Higgs-kenttä on skalaarikenttä, jolla on " meksikolainen hatunmuotoinen " potentiaali. Sen perustila , tämä aiheuttaa sen, että kenttä on nollasta poikkeava arvo kaikkialla (kuten muuten tyhjä tila), ja sen seurauksena, alle hyvin paljon energiaa se rikkoo heikko isospin symmetria sähköheikko vuorovaikutus . (Teknisesti nollasta poikkeava odotusarvo muuntaa Lagrangianin Yukawa-kytkentäehdot massaehdoiksi.) Kun tämä tapahtuu, SU (2) ja U (1) -mittaribosonit "absorboivat" kolme Higgs-kentän osaa ( " Higgs mekanismi ") tulee pituussuunnassa komponentit nyt massiivisia W ja Z bosonit on heikko voima . Jäljelle jäävä sähköisesti neutraali komponentti joko ilmenee Higgs -hiukkasena tai voi kytkeytyä erikseen muihin hiukkasiin, joita kutsutaan fermioneiksi ( Yukawa -kytkinten kautta ), jolloin myös nämä saavat massaa .

Merkitys

Todisteet Higgs -kentästä ja sen ominaisuuksista ovat olleet erittäin merkittäviä monista syistä. Higgsin bosonin merkitys on suurelta osin siinä, että sitä voidaan tutkia käyttämällä olemassa olevaa tietoa ja kokeellista tekniikkaa, jolla voidaan vahvistaa ja tutkia koko Higgsin kenttäteoria. Päinvastoin, todisteet siitä, että Higgsin kenttää ja bosonia ei ole olemassa, olisivat myös olleet merkittäviä.

Hiukkasfysiikka

Vakiomallin validointi

Higgsin bosoni validoi Standard Malli mekanismin avulla massan sukupolven . Kun sen ominaisuuksia mitataan tarkemmin, kehittyneempiä laajennuksia voidaan ehdottaa tai sulkea pois. Kokeellisia keinoja kentän käyttäytymisen ja vuorovaikutusten mittaamiseksi kehitetään, tämä perusala voidaan ymmärtää paremmin. Jos Higgs -kenttää ei olisi löydetty, vakiomallia olisi pitänyt muuttaa tai korvata.

Tähän liittyen fyysikoiden keskuudessa on yleisesti uskomus, että vakiomallin lisäksi on todennäköisesti "uutta" fysiikkaa , ja vakiomallia laajennetaan tai korvataan jossain vaiheessa. Higgsin löytö ja monet LHC: ssä esiintyvät mitatut törmäykset tarjoavat fyysikoille arkaluonteisen työkalun etsiä tiedoistaan todisteita siitä, että vakiomalli näyttää epäonnistuvan, ja se voi tarjota huomattavaa näyttöä, joka ohjaa tutkijoita tulevaan teoreettiseen kehitykseen.

Sähköheikon vuorovaikutuksen symmetrian rikkominen

Äärimmäisen korkean lämpötilan alapuolella sähköisen heikon symmetrian rikkoutuminen aiheuttaa sähköheikon vuorovaikutuksen osittain lyhyen kantaman heikko voima , jota kantavat massiiviset bosonit . Maailmankaikkeuden historiassa sähköheikon symmetrian rikkoutumisen uskotaan tapahtuneen pian kuuman alkuräjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeus oli 159,5 ± 1,5 GeV : n lämpötilassa . Tämä symmetrian rikkominen on välttämätöntä atomien ja muiden rakenteiden muodostumiselle sekä ydinreaktioille tähdissä, kuten Auringossamme . Higgs -kenttä on vastuussa tästä symmetrian rikkoutumisesta.

Hiukkasmassan hankkiminen

Higgsin kenttä on avainasemassa tuottaa massojen ja kvarkkien ja veloitetaan leptoneista (kautta Yukawa kytkin), ja W ja Z mittabosoni (läpi Higgs mekanismi).

On syytä huomata, että Higgs -kenttä ei "luo" massaa tyhjästä (mikä rikkoisi energian säilymislakia ), eikä Higgs -kenttä ole vastuussa kaikkien hiukkasten massasta. Esimerkiksi noin 99% massasta baryoneja ( komposiitti hiukkasia , kuten protoni ja neutroni ), johtuu sen sijaan kvantti chromodynamic sitovia energia , joka on summa kineettinen energiat kvarkkien ja energiat ja massattoman gluons välittävää vahva vuorovaikutus baryonien sisällä. Higgs-pohjaisissa teorioissa "massan" ominaisuus on ilmentymä mahdollisesta energiasta, joka siirretään perushiukkasiin, kun ne ovat vuorovaikutuksessa ("pari") Higgs-kentän kanssa, joka oli sisältänyt kyseisen massan energian muodossa .

Skalaarikentät ja vakiomallin laajennus

Higgs -kenttä on ainoa havaittu skalaari (spin 0) -kenttä; kaikki muut kentät Standardimalli on spin 1 / 2 fermioneja tai spin 1 bosonit. Mukaan Rolf-Dieter Heuer pääjohtaja CERNin kun Higgsin bosoni havaittiin, tämä olemassaolon todiste skalaarikentän on lähes yhtä tärkeää kuin Higgsin rooli painon määrittämiseen muut hiukkaset. Se viittaa siihen, että muut hypoteettinen skalaarikentistä ehdottaneet muita teorioita, mistä inflaton ja Quintessence , voisi ehkä olla yhtä hyvin.

Kosmologia

Inflaton

On ollut merkittävää tieteellistä tutkimusta mahdollisista yhteyksistä Higgsin kentän ja inflaton - hypoteettisen kenttä ehdotettiin selityksenä laajentamiseen tilan aikana ensimmäisen sekunnin murto että maailmankaikkeus (tunnetaan " Inflatorinen epookki "). Jotkut teoriat viittaavat siihen, että perustavanlaatuinen skalaarikenttä saattaa olla vastuussa tästä ilmiöstä; Higgsin kenttä on sellainen ala, ja sen olemassaolo on johtanut paperit analysoidaan voisiko se olla myös inflaton vastuussa tästä eksponentiaalinen laajeneminen maailmankaikkeuden aikana alkuräjähdyksen . Tällaiset teoriat ovat erittäin alustavia ja niillä on merkittäviä yhtenäisyysongelmia , mutta ne voivat olla elinkelpoisia, jos niihin yhdistetään lisäominaisuuksia, kuten suuri ei-minimaalinen kytkentä, Brans-Dicke- skalaari tai muu "uusi" fysiikka, ja he ovat saaneet hoitoja, jotka viittaavat siihen, että Higgsin inflaatiomallit ovat edelleen teoriassa kiinnostavia.

Maailmankaikkeuden luonne ja sen mahdolliset kohtalot

Kaavio Higgsin bosonista ja huippukvarkkimassoista , jotka voivat osoittaa, onko maailmankaikkeutemme vakaa vai pitkäikäinen "kupla" . Vuodesta 2012 lähtien Tevatron- ja LHC -tietoihin perustuva 2

σ

ellipsi mahdollistaa edelleen molemmat mahdollisuudet.

Vakiomallissa on olemassa mahdollisuus, että maailmankaikkeutemme taustalla oleva tila-"tyhjiö" -on pitkäikäinen, mutta ei täysin vakaa . Tässä skenaariossa maailmankaikkeus sellaisena kuin sen tunnemme, voidaan tehokkaasti tuhota romahtamalla vakaampaan tyhjiötilaan . Tämä ilmoitettiin joskus väärin Higgsin bosonina "lopettamassa" maailmankaikkeuden. Jos Higgsin bosonin ja huippukvarkin massat tunnetaan tarkemmin ja standardimalli antaa tarkan kuvauksen hiukkasten fysiikasta aina Planckin asteikon äärimmäisiin energioihin asti , on mahdollista laskea, onko tyhjiö vakaa vai vain pitkä elänyt. 125–127 GeV Higgsin massa näyttää olevan erittäin lähellä vakauden rajaa, mutta lopullinen vastaus vaatii paljon tarkempia mittauksia ylemmän kvarkin napa -massasta. Uusi fysiikka voi muuttaa tämän kuvan.

Jos Higgsin bosonin mittaukset viittaavat siihen, että maailmankaikkeutemme on tällaisen väärän tyhjiön sisällä , se merkitsisi - enemmän kuin todennäköistä monien miljardien vuosien aikana -, että maailmankaikkeuden voimat, hiukkaset ja rakenteet voisivat lakata olemasta sellaisina kuin ne tunnemme (ja korvataan eri niistä), jos todellinen tyhjiö tapahtui nukleoitumaan . Se viittaa myös siihen, että Higgs itse kytkemällä $À$ ja sen $p$ _$À$ toiminto voi olla hyvin lähellä nollaa Planck-asteikolla, "kiehtova" vaikutuksia, mukaan lukien teorioita painovoiman ja Higgs-inflaatio. Tuleva elektroni -positronitörmäyslaite pystyisi antamaan tarkat mittaukset tällaisista laskelmista tarvittavasta ylemmästä kvarkista.

Tyhjiöenergia ja kosmologinen vakio

Spekulatiivisemmin Higgsin kenttää on ehdotettu myös tyhjiön energiaksi , joka alkuräjähdyksen ensimmäisten hetkien äärimmäisissä energioissa aiheutti maailmankaikkeuden eräänlaiseksi erottamattomaksi, erittäin korkean energian symmetriaksi. Tällaisessa spekulaatiossa suuren yhtenäisen teorian yksittäinen yhtenäinen kenttä tunnistetaan (tai mallinnetaan) Higgs -kenttään, ja tällä hetkellä Higgs -kentän tai jonkin muun samankaltaisen kentän peräkkäisten symmetriarikkojen kautta vaihesiirtymissä tällä hetkellä maailmankaikkeuden tunnetut voimat ja kentät syntyvät.

Suhde (jos sellainen on) Higgs -kentän ja maailmankaikkeuden tällä hetkellä havaitun tyhjiöenergian tiheyden välillä on myös tieteellisessä tutkimuksessa. Kuten havaittiin, nykyinen tyhjiöenergian tiheys on äärimmäisen lähellä nollaa, mutta Higgsin kentältä, supersymmetrialta ja muilta nykyteorioilta odotettu energiatiheys on tyypillisesti monta suuruusluokkaa suurempi. On epäselvää, miten nämä pitäisi sovittaa yhteen. Tämä kosmologinen vakio -ongelma on edelleen suuri vastaamaton ongelma fysiikassa.

Historia

Vuoden 1964 PRL -asiakirjojen kuusi kirjailijaa , jotka saivat 2010 JJ Sakurai -palkinnon työstään; vasemmalta oikealle: Kibble , Guralnik , Hagen , Englert , Brout ; oikea kuva: Higgs .

Nobel -palkinnon saaja Peter Higgs Tukholmassa joulukuussa 2013

Teorisointi

Hiukkasfyysikot tutkivat aineita, jotka on tehty perushiukkasista, joiden vuorovaikutusta välittävät vaihtopartikkelit - mittaribosonit - jotka toimivat voiman kantajina . 1960 -luvun alussa oli löydetty tai ehdotettu joukko näitä hiukkasia sekä teorioita, jotka viittaavat siihen, miten ne liittyvät toisiinsa, joista osa oli jo muotoiltu uudelleen kenttäteorioiksi , joissa tutkittavat kohteet eivät ole hiukkasia ja voimia, mutta kvanttikentät ja niiden symmetria . Kuitenkin yritykset tuottaa kvanttikenttämalleja kahdelle neljästä tunnetusta perusvoimasta - sähkömagneettinen voima ja heikko ydinvoima - ja sitten yhdistää nämä vuorovaikutukset olivat edelleen epäonnistuneita.

Yksi tunnettu ongelma oli, että mittarin invariantit lähestymistavat, mukaan lukien ei-aabelilaiset mallit, kuten Yang-Mills-teoria (1954), jolla oli suuri lupaus yhtenäisille teorioille, näyttivät myös ennustavan tunnettuja massiivisia hiukkasia massattomina. Goldstonen lause , joka koskee jatkuvia symmetrioita joissakin teorioissa, näytti myös sulkevan pois monia ilmeisiä ratkaisuja, koska se näytti osoittavan, että myös nollamassaisia hiukkasia olisi oltava olemassa, joita yksinkertaisesti "ei näkynyt". Mukaan Guralnik fyysikot ollut "ymmärrys" miten nämä ongelmat voitaisiin ratkaista.

Hiukkasfyysikko ja matemaatikko Peter Woit tiivisti tutkimuksen tilan tuolloin:

Yangilla ja Millsillä ei-abelialaisen mittarin teorian parissa oli yksi valtava ongelma: häiriöteoriassa siinä on massattomia hiukkasia, jotka eivät vastaa mitään mitä näemme. Yksi tapa päästä eroon tästä ongelmasta on nyt varsin hyvin ymmärretty, sulkeutumisen ilmiö toteutui QCD: ssä , jossa vahvat vuorovaikutukset päästävät eroon massattomista "gluonitiloista" pitkillä etäisyyksillä. Aivan 60 -luvun alussa ihmiset olivat alkaneet ymmärtää toista massattomien hiukkasten lähdettä: jatkuvan symmetrian spontaania symmetrian rikkoutumista. Mitä Philip Anderson tajusi, ja laski kesällä 1962 oli, että kun sinulla on molemmat mittari symmetria ja spontaani symmetriarikkoja The massattoman Nambun-Goldstone mode voivat yhdistyä massattoman mittari kentän tilaa tuottaa fyysisen massiivinen vektorikentäksi. Näin tapahtuu suprajohtavuudessa , aihe, josta Anderson oli (ja on) yksi johtavista asiantuntijoista. [teksti tiivistetty]

Higgsin mekanismi on prosessi, jolla vektoribosonit voivat saada lepomassan ilman, että mittarin invarianssia rikotaan , spontaanin symmetrian rikkoutumisen sivutuotteena . Yoichiro Nambu suunnitteli ja julkaisi alun perin matemaattisen teorian spontaanin symmetrian rikkoutumisen takana hiukkasfysiikassa , ja Philip Anderson (joka oli aiemmin kirjoittanut papereita rikkoutuneesta symmetriasta ja sen tuloksista suprajohtavuudessa. Anderson päätti vuonna 1963 julkaistussa Yang-Mills-teoriaa käsittelevässä artikkelissaan, että "ottaen huomioon suprajohtavan analogin ... [t] nämä kaksi bosonityyppiä näyttävät pystyvän kumoamaan toisensa ... jättäen rajalliset massabosonit "), ja maaliskuussa 1964 Abraham Klein ja Benjamin Lee osoittivat, että Goldstonen lause voitaisiin välttää tällä tavalla ainakin joissakin ei-relativistisissa tapauksissa, ja arvelivat sen olevan mahdollista todella relativistisissa tapauksissa.

Nämä lähestymistavat kehitettiin nopeasti täydelliseksi relativistiseksi malliksi, itsenäisesti ja melkein samanaikaisesti, kolme fyysikkojen ryhmää: François Englert ja Robert Brout elokuussa 1964; jonka Peter Higgs lokakuussa 1964 ja Gerald Guralnik , Carl Hagen ja Tom Kibble (GHK) marraskuussa 1964. Higgs kirjoitti myös lyhyen, mutta tärkeän vastauksen, joka julkaistiin syyskuussa 1964 Gilbertin vastaväitteeseen , joka osoitti, että jos lasketaan säteilymittarin sisällä, Goldstonen lause ja Gilbertin vastustusta ei voida soveltaa. Higgs myöhemmin kuvaili Gilbertin vastalauseen kehottamaan omaa paperiaan. Mallin ominaisuuksia tarkastelivat edelleen Guralnik vuonna 1965, Higgs vuonna 1966, Kibble vuonna 1967 ja edelleen GHK vuonna 1967. Alkuperäiset kolme vuoden 1964 paperia osoittivat, että kun mittariteoria yhdistetään lisäkenttään, joka rikkoo spontaanisti symmetria, mittaribosonit voivat jatkuvasti saada äärellisen massan. 1967, Steven Weinberg ja Abdus Salam itsenäisesti osoitti, kuinka Higgs mekanismia voitaisiin käyttää rikkoa sähköheikon symmetria Sheldon Glashow n yhtenäinen malli heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus , (itse laajentaminen työtä Schwinger ), jotka muodostavat mitä tuli Hiukkasfysiikan vakiomalli . Weinberg havaitsi ensimmäisenä, että tämä antaisi myös massatermit fermioneille.

Aluksi nämä keskeiset paperit, jotka koskivat mittarien symmetrioiden spontaania rikkomista, jätettiin suurelta osin huomiotta, koska yleisesti uskottiin, että kyseiset (ei-abelilaiset mittarit) teoriat olivat umpikuja, ja etenkin niitä ei voitu normalisoida uudelleen . Vuosina 1971–72 Martinus Veltman ja Gerard 't Hooft osoittivat, että Yang -Millsin renormalisointi oli mahdollista kahdessa paperissa, jotka kattoivat massiivisia ja sitten massiivisia kenttiä. Heidän panoksensa ja muiden osallistuminen renormalisointiryhmään - mukaan lukien venäläisten fyysikoiden Ludvig Faddeevin , Andrei Slavnovin , Efim Fradkinin ja Igor Tyutinin "merkittävä" teoreettinen työ - oli lopulta "valtavan syvällinen ja vaikutusvaltainen", mutta jopa kaikilla keskeisillä tekijöillä julkaistusta lopullisesta teoriasta ei edelleenkään ollut lainkaan kiinnostusta. Esimerkiksi Coleman havaitsi tutkimuksessa, että "käytännössä kukaan ei kiinnittänyt mitään huomiota" Weinbergin paperiin ennen vuotta 1971 ja David Politzer keskusteli hänen vuoden 2004 Nobel-puheessaan. - nyt eniten mainittu hiukkasfysiikassa - ja jopa vuonna 1970 Politzerin mukaan Glashowin opetus heikoista vuorovaikutuksista ei maininnut Weinbergin, Salamin tai Glashowin omaa työtä. Käytännössä Politzer toteaa, että lähes kaikki oppivat teorian fyysikon Benjamin Leen ansiosta , joka yhdisti Veltmanin ja 't Hooftin työn muiden näkemyksiin ja popularisoi valmistunutta teoriaa. Tällä tavalla vuodesta 1971 lähtien kiinnostus ja hyväksyntä "räjähti" ja ideat imeytyivät nopeasti valtavirtaan.

Tuloksena oleva sähköheikko teoria ja vakiomalli ovat tarkasti ennustaneet (muun muassa) heikkoja neutraaleja virtauksia , kolme bosonia , ylä- ja viehätyskvarkeja ja erittäin tarkasti joidenkin näiden massaa ja muita ominaisuuksia. Monet osallistujista saivat lopulta Nobel -palkintoja tai muita tunnettuja palkintoja. Vuonna 1974 julkaistussa artikkelissa ja kattavassa katsauksessa Review of Modern Physics -lehdessä kommentoitiin, että "vaikka kukaan ei epäillyt näiden argumenttien [matemaattista] oikeellisuutta, kukaan ei oikein uskonut, että luonto oli saatanan älykäs hyödyntämään niitä", ja lisäsi, että teoriassa oli niin tuotti pitkälle tarkkoja vastauksia, jotka sopivat kokeeseen, mutta ei tiedetty, oliko teoria pohjimmiltaan oikea. Vuoteen 1986 mennessä ja uudelleen 1990 -luvulla tuli mahdolliseksi kirjoittaa, että vakiomallin Higgs -sektorin ymmärtäminen ja todistaminen oli "hiukkasfysiikan nykyinen keskeinen ongelma".

Yhteenveto ja vaikutus PRL -papereihin

Kolme paperit kirjoitettu 1964 oli kussakin kirjattu virstanpylväs papereita aikana Physical Review Letters : n 50-vuotisjuhlassa. Heidän kuusi kirjailijaansa palkittiin myös teoksesta 2010 JJ Sakurai -palkinnolla teoreettisesta hiukkasfysiikasta . (Samana vuonna syntyi myös kiista, koska Nobel -palkinnon tapauksessa vain kolme tiedemiestä voitaisiin tunnustaa, joista kuusi hyvitettiin papereista.) Kaksi kolmesta PRL -asiakirjasta (Higgs ja GHK) sisälsivät yhtälöt hypoteettiselle kentälle, joka lopulta tulisi tunnetuksi nimellä Higgs -kenttä ja sen hypoteettinen kvantti , Higgsin bosoni. Higgsin vuoden 1966 paperi osoitti bosonin hajoamismekanismin; vain massiivinen bosoni voi hajota ja hajoaminen voi todistaa mekanismin.

Higgsin julkaisussa bosoni on massiivinen, ja viimeisessä lauseessa Higgs kirjoittaa, että "olennainen piirre" teoriassa "on ennustus epätäydellisistä skalaari- ja vektoribosonien monikertoista ". ( Frank Sulje kommentit 1960 mittari teoreetikot keskittyivät ongelmaan massattoman vektorin bosonit, ja siitä johdettavissa olemassa valtava skalaari hiukkanen ei pidetty tärkeänä, vain Higgs osoitettu suoraan sitä.) Kun paperi GHK bosoni on massattoman ja irrotettu massiivisista valtioista. Vuosina 2009 ja 2011 päivätyissä katsauksissa Guralnik toteaa, että GHK-mallissa bosoni on massaton vain alimmassa järjestyksessä, mutta sitä ei rajoiteta ja se saa massaa korkeammilla tilauksilla, ja lisää, että GHK-paperi oli ainoa yksi osoittaa, että mallissa ei ole massattomia Goldstone -bosoneja , ja antaa täydellinen analyysi yleisestä Higgs -mekanismista. Kaikki kolme päätyivät samanlaisiin johtopäätöksiin hyvin erilaisista lähestymistavoistaan huolimatta: Higgsin paperissa käytettiin pääasiassa klassisia tekniikoita, Englertin ja Broutin mukaan tyhjiöpolarisaation laskeminen häiriöteoriassa oletetun symmetriaa rikkovan tyhjiötilan ympärillä ja GHK käytti operaattorin muodollisuutta ja säilyttämislakeja tutkiakseen syventää tapoja, joilla Goldstonen lause voidaan käsitellä. Jotkut teorian versiot ennustivat useampaa kuin yhtä Higgs -kenttää ja bosonia, ja vaihtoehtoisia "Higgsless" -malleja harkittiin Higgsin bosonin löytämiseen asti.

Kokeellinen haku

Ja tuottaa Higgs bosonien , kaksi palkit hiukkasia kiihdytetään erittäin korkea energioita ja annettiin törmäävät sisällä hiukkasilmaisin . Joskus, vaikkakin harvoin, Higgsin bosoni luodaan ohikiitävästi osana törmäyksen sivutuotteita. Koska Higgsin bosoni hajoaa hyvin nopeasti, hiukkasilmaisimet eivät pysty havaitsemaan sitä suoraan. Sen sijaan ilmaisimet rekisteröivät kaikki hajoamistuotteet ( hajoamisallekirjoitus ) ja tietojen perusteella hajoamisprosessi rekonstruoidaan. Jos havaitut hajoamistuotteet vastaavat Higgsin bosonin mahdollista hajoamisprosessia (tunnetaan hajoamiskanavana ), tämä osoittaa, että Higgsin bosoni on ehkä luotu. Käytännössä monet prosessit voivat tuottaa samanlaisia hajoamisallekirjoituksia. Onneksi vakiomalli ennustaa tarkasti kunkin näiden ja jokaisen tunnetun prosessin esiintymisen todennäköisyyden. Joten jos ilmaisin havaitsee enemmän hajoamisallekirjoituksia, jotka vastaavat jatkuvasti Higgsin bosonia, kuin muuten olisi odotettavissa, jos Higgsin bosoneja ei olisi, tämä olisi vahva todiste siitä, että Higgsin bosoni on olemassa.

Koska Higgsin bosonin tuotanto hiukkasten törmäyksessä on todennäköisesti hyvin harvinaista (1/10 miljardia LHC: ssä) ja monilla muilla mahdollisilla törmäystapahtumilla voi olla samanlaisia hajoamismerkkejä, satojen biljoonien törmäysten tiedot on analysoitava ja "näytä sama kuva", ennen kuin voidaan tehdä johtopäätös Higgsin bosonin olemassaolosta. Johtopäätöksenä, että uusi hiukkanen on löydetty, hiukkasfyysikot vaativat, että kahden riippumattoman hiukkasilmaisimen tilastollinen analyysi osoittaa, että on vähemmän kuin yksi miljoona todennäköisyyttä, että havaitut hajoamisallekirjoitukset johtuvat vain satunnaisesta taustasta Mallitapahtumat - eli että havaittu tapahtumamäärä on yli viisi keskihajontaa (sigmaa) erilainen kuin odotettiin, jos uutta hiukkasia ei olisi. Enemmän törmäystietoja mahdollistaa paremman vahvistuksen havaittujen uusien hiukkasten fysikaalisille ominaisuuksille ja antaa fyysikoille mahdollisuuden päättää, onko kyseessä todellakin standardimallin kuvaama Higgsin bosoni vai jokin muu hypoteettinen uusi hiukkanen.

Higgsin bosonin löytämiseksi tarvittiin voimakas hiukkasten kiihdytin , koska Higgsin bosoneja ei ehkä näky alemman energian kokeissa. Törmäyslaitteessa oli oltava suuri kirkkaus , jotta varmistettiin riittävät törmäykset päätelmien tekemistä varten. Lopuksi kehittyneitä tietojenkäsittelylaitteita tarvittiin käsittelemään törmäysten tuottamaa valtavaa tietomäärää (25 petatavua vuodessa vuodesta 2012). Liputusvelvollisuuden 4. heinäkuuta 2012 uuden törmäyttimen kutsutaan Large Hadron Collider rakennettiin CERN joissa suunniteltu lopulta törmäysenergiaan 14 TeV - seitsemän kertaa mahdolliset aiemmat Collider - ja yli 300 biljoonaa (3 x 10 ¹⁴ ) LHC protoni - protonien törmäyksiä analysoi LHC Computing Grid , maailman suurin laskentaverkko (vuodesta 2012), joka käsittää yli 170 laskentalaitosta maailmanlaajuisessa verkossa 36 maassa.

Haku ennen 4.7.2012

Ensimmäinen laaja Higgsin bosonin etsintä tehtiin CERNin suurella elektroni -positronitörmäyslaitteella (LEP) 1990 -luvulla. Palvelunsa päätyttyä vuonna 2000 LEP ei ollut löytänyt vakuuttavia todisteita Higgsille. Tämä tarkoitti, että jos Higgsin bosoni olisi olemassa, sen olisi oltava raskaampaa kuin114.4 GeV/ c ² .

Etsinnät jatkuivat Fermilabissa Yhdysvalloissa, missä Tevatron - törmäyslaite, joka löysi huippukvarkin vuonna 1995 - oli päivitetty tätä tarkoitusta varten. Ei ollut mitään takeita siitä, että Tevatron pystyisi löytämään Higgsin, mutta se oli ainoa superkollistin, joka oli toiminnassa, koska Suuri Hadronitörmäyslaite (LHC) oli vielä rakenteilla ja suunniteltu suprajohtava Super Collider oli peruutettu vuonna 1993 eikä koskaan valmistunut . Tevatron pystyi sulkemaan pois vain Higgsin massan lisäalueet, ja se suljettiin 30. syyskuuta 2011, koska se ei enää kyennyt pysymään LHC: n mukana. Tietojen lopullinen analyysi sulki pois mahdollisuuden Higgsin bosoniin, jonka massa oli välillä147 GeV/ c ² ja180 GeV/ c ² . Lisäksi tapahtumia oli pieni (mutta ei merkittävä) ylimäärä, mikä mahdollisesti viittaa Higgsin bosoniin, jonka massa on välillä115 GeV/ c ² ja140 GeV/ c ² .

Large Hadron Collider on CERNin vuonna Sveitsissä , on suunniteltu nimenomaan pystyä joko vahvistaa tai sulkea pois olemassaolon Higgsin bosoni. Se on rakennettu 27 km: n tunnelin alle maan alle Geneven läheisyyteen , joka oli alun perin LEP: n asuttama, ja se oli suunniteltu törmäämään kahteen protonisäteeseen alun perin3,5 TeV sädettä kohden (yhteensä 7 TeV), tai lähes 3,6 kertaa Tevatronin, ja päivitettävissä 2 × 7 TeV: ksi (yhteensä 14 TeV) tulevaisuudessa. Teoria ehdotti, että jos Higgsin bosoni olisi olemassa, törmäykset näillä energiatasoilla pitäisi pystyä paljastamaan sen. Yhtenä monimutkaisimmista koskaan rakennetuista tieteellisistä välineistä sen käyttövalmiutta viivästytti 14 kuukautta magneetin sammutustapahtuma yhdeksän päivää sen perustamiskokeiden jälkeen, mikä johtui viallisesta sähköliitännästä, joka vaurioitti yli 50 suprajohtavaa magneettia ja saastutti tyhjiöjärjestelmän.

Tietojen keruu LHC: ssä alkoi lopulta maaliskuussa 2010. Joulukuuhun 2011 mennessä LHC: n kaksi päähiukkasilmaisinta , ATLAS ja CMS , olivat kaventaneet massaluokkaa, jossa Higgs voisi olla olemassa, noin 116-130 GeV (ATLAS) ja 115- 127 GeV (CMS). Tapahtumassa oli jo tapahtunut myös lukuisia lupaavia tapahtumia, jotka olivat "haihtuneet" ja osoittautuneet vain satunnaisiksi vaihteluiksi. Kuitenkin noin toukokuusta 2011 lähtien molemmat kokeet olivat nähneet tulosten joukossa pienen, mutta johdonmukaisen gamma- ja 4-leptonin hajoamisallekirjoituksen hitaan syntymisen ja useita muita hiukkasten hajoamisia, jotka kaikki viittaavat uuteen hiukkasen massaan125 GeV . Noin marraskuussa 2011 125 GeV: n epänormaalista tiedosta oli tulossa "liian suuri sivuutettavaksi" (vaikka se ei ole vieläkään lopullista), ja sekä ATLAS: n että CMS: n tiimin johtajat epäilivät yksityisesti, että he olisivat löytäneet Higgsin. 28. marraskuuta 2011 kahden ryhmänjohtajan ja CERNin pääjohtajan sisäisessä kokouksessa viimeisimmistä analyyseistä keskusteltiin ensimmäistä kertaa heidän tiimiensä ulkopuolella, mikä viittaa siihen, että sekä ATLAS että CMS saattaisivat lähentyä mahdollista yhteistä tulosta 125 GeV: ssä ja alkuvalmistelut aloitettiin, jos löytö onnistui. Vaikka tämä tieto ei ollut tuolloin julkisesti tiedossa, mahdollisen Higgs-alueen kaventuminen noin 115–130 GeV: iin ja toistuva havainto pienistä mutta johdonmukaisista tapahtumien liiallisuuksista useilla kanavilla sekä ATLAS: ssa että CMS: ssä 124–126 GeV-alueella ( kuvattiin "houkutteleviksi vihjeiksi", jotka olivat noin 2-3 sigmaa) olivat julkista tietoa "paljon kiinnostavia". Tämän vuoksi odotettiin laajalti vuoden 2011 lopulla, että LHC toimittaisi riittävästi tietoja joko sulkeakseen pois tai vahvistaakseen Higgsin bosonin löydöksen vuoden 2012 loppuun mennessä, kun heidän vuoden 2012 törmäystietonsa (jossa oli hieman suurempi 8 TeV: n törmäysenergia) tutkittu.

Ehdokasbosonin löytäminen CERNissä


Feynmanin kaaviot osoittavat puhtain kanavia, jotka liittyvät alhaisen massan (~ 125 GeV) Higgs hiukkanen ehdokas havaita ATLAS ja CMS on LHC . Tämän massan hallitseva tuotantomekanismi sisältää kaksi gluonia kustakin protonista fuusioitumalla Top-kvark-silmukkaan , joka kytkeytyy voimakkaasti Higgs-kenttään tuottaakseen Higgs-bosonin.Näiden kanavien kokeellinen analyysi saavutti molemmissa kokeissa yli viiden keskihajonnan (sigma) merkityksen.

CERN ilmoitti 22. kesäkuuta 2012 tulevasta seminaarista, joka kattaa alustavat tulokset vuodelta 2012, ja pian sen jälkeen (noin 1. heinäkuuta 2012 sosiaalisen median leviävän huhun analyysin mukaan ) mediassa alkoi levitä huhuja, että tämä sisältäisi merkittävän ilmoituksen , mutta oli epäselvää, olisiko tämä vahvempi signaali vai muodollinen löytö. Spekulaatiot kärjistyivät "kuumeiseksi", kun kerrottiin , että hiukkasen ehdottaja Peter Higgs osallistui seminaariin ja että "viisi johtavaa fyysikkoa" oli kutsuttu - yleensä uskotaan tarkoittavan viittä elävää 1964 kirjailijaa - Higgsin kanssa , Englert, Guralnik, Hagen osallistuu ja Kibble vahvistaa kutsunsa (Brout kuoli vuonna 2011).

4. heinäkuuta 2012 molemmat CERN -kokeet ilmoittivat tehneensä itsenäisesti saman löydön: aiemmin tuntemattoman bosonin CMS, jonka massa oli 125,3 ± 0,6 GeV/ c ^2, ja bosonin ATLAS, jonka massa oli 126,0 ± 0,6 GeV/ c ² . Käyttämällä kahden vuorovaikutustyypin yhdistettyä analyysiä (tunnetaan nimellä "kanavat"), molemmat kokeet saavuttivat itsenäisesti 5 sigman paikallisen merkityksen - mikä tarkoittaa, että todennäköisyys saada vähintään yhtä vahva tulos sattumalta on alle yksi kolmesta miljoonasta. Kun lisäkanavat otettiin huomioon, CMS -merkitys pieneni 4,9 sigmaan.

Molemmat ryhmät olivat työskennelleet "sokeina" toisiltaan noin vuoden 2011 lopusta tai vuoden 2012 alusta, mikä tarkoittaa, että he eivät keskustelleet tuloksistaan keskenään, mikä lisävarmuutta siitä, että mikä tahansa yhteinen havainto oli hiukkasen todellinen validointi. Tämä todisteiden taso, jonka kaksi erillistä ryhmää ja kokeilua vahvistavat itsenäisesti, täyttää muodollisen todistustason, joka vaaditaan vahvistetun löydön ilmoittamiseksi.

31. heinäkuuta 2012 ATLAS -yhteistyö esitti lisätietoanalyysiä "uuden hiukkasen havainnoinnista", mukaan lukien tiedot kolmannesta kanavasta, mikä paransi merkityksen 5,9 sigmaan (1 588 miljoonasta mahdollisuudesta saada vähintään yhtä vahvaa näyttöä pelkät satunnaiset taustatehosteet) ja massa 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/ c ² , ja CMS paransi merkityksen 5-sigmaksi ja massaksi 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/ c ² .

Uusi hiukkanen testattiin mahdollisena Higgsin bosonina

Vuoden 2012 löydön jälkeen ei ollut vielä vahvistettu, oliko 125 GeV/ c ² -hiukkanen Higgsin bosoni. Toisaalta havainnot pysyivät yhdenmukaisina havaitun hiukkasen ollessa standardimalli Higgsin bosoni, ja hiukkanen hajoaa ainakin joihinkin ennustettuihin kanaviin. Lisäksi havaittujen kanavien tuotantomäärät ja haarautumissuhteet vastasivat laajalti standardimallin ennusteita kokeellisten epävarmuustekijöiden puitteissa. Kokeelliset epävarmuudet jättivät kuitenkin edelleen tilaa vaihtoehtoisille selityksille, mikä tarkoittaa, että ilmoitus Higgsin bosonin löytämisestä olisi ollut ennenaikaista. Tietojen keräämismahdollisuuksien lisäämiseksi LHC: n ehdottamaa vuoden 2012 sulkemista ja päivitystä 2013–14 lykättiin seitsemällä viikolla vuoteen 2013.

Marraskuussa 2012 Kiotossa pidetyssä konferenssissa tutkijat sanoivat, että heinäkuusta lähtien kerätyt todisteet olivat enemmän vakiomallin mukaisia kuin sen vaihtoehdot. Fyysikko Matt Strassler korosti "huomattavia" todisteita siitä, että uusi hiukkanen ei ole pseudoskalaarinen negatiivinen pariteettipartikkeli (vastaa tätä Higgsin bosonin vaadittua havaintoa), "haihtuminen" tai suuremman merkityksen puute aiemmissa vihjeissä ei-standardimallin havainnoista, odotettavissa Vakiomallin vuorovaikutus W- ja Z -bosonien kanssa , "merkittävien uusien vaikutusten" puuttuminen supersymmetriaa vastaan tai sitä vastaan , eikä yleensä ole merkittäviä poikkeamia toistaiseksi standardimallin Higgs -bosonin odotetuista tuloksista. Kuitenkin tietyt standardimallin laajennukset näyttäisivät myös hyvin samanlaisia tuloksia; niin kommentoijat totesivat, että muiden hiukkasten perusteella, joita ymmärretään vielä kauan niiden löytämisen jälkeen, voi kestää vuosia ollakseen varmoja ja vuosikymmeniä, jotta löydetty hiukkanen ymmärretään täysin.

Nämä havainnot merkitsivät sitä, että tammikuusta 2013 lähtien tiedemiehet olivat erittäin varmoja, että he olivat löytäneet tuntemattoman hiukkasen, jonka massa oli ~ 125 GeV/ c ² , eikä niitä ollut johdettu harhaan kokeellisten virheiden tai sattuman seurauksena. He olivat myös varmoja alustavien havaintojen perusteella, että uusi hiukkanen oli jonkinlainen bosoni. Hiukkasen käyttäytyminen ja ominaisuudet heinäkuun 2012 jälkeen tarkasteltuna näyttivät myös melko lähellä Higgsin bosonilta odotettua käyttäytymistä. Siitä huolimatta se olisi silti voinut olla Higgsin bosoni tai jokin muu tuntematon bosoni, koska tulevat testit voisivat osoittaa käyttäytymistä, joka ei vastaa Higgsin bosonia, joten joulukuussa 2012 CERN totesi vain, että uusi hiukkanen oli "yhdenmukainen" Higgsin bosoni, ja tutkijat eivät vielä sanoneet positiivisesti, että se oli Higgsin bosoni. Tästä huolimatta vuoden 2012 lopulla laajat tiedotusvälineet ilmoittivat (virheellisesti), että Higgsin bosoni oli vahvistettu vuoden aikana.

Tammikuussa 2013 CERNin pääjohtaja Rolf-Dieter Heuer totesi, että tähänastisten tietojen analysoinnin perusteella vastaus voisi olla mahdollista vuoden 2013 puoliväliin mennessä, ja Brookhaven National Laboratoryn fysiikan varapuheenjohtaja totesi helmikuussa 2013, että " lopullinen "vastaus saattaa vaatia" vielä muutaman vuoden " törmäystapauksen uudelleenkäynnistyksen jälkeen vuonna 2015 . Maaliskuun 2013 alussa CERNin tutkimusjohtaja Sergio Bertolucci totesi, että spin-0: n vahvistaminen oli tärkein jäljellä oleva vaatimus sen määrittämiseksi, onko hiukkanen ainakin jonkinlainen Higgsin bosoni.

Vahvistus olemassaolosta ja nykyisestä tilasta

CERN vahvisti 14. maaliskuuta 2013 seuraavat asiat:

CMS ja ATLAS ovat vertailleet useita vaihtoehtoja tämän hiukkasen spin-pariteetille, ja kaikki eivät pidä spinistä tai jopa pariteetista [kaksi perusmallin mukaista Higgsin bosonin peruskriteeriä]. Tämä yhdistettynä uuden hiukkasen mitattuihin vuorovaikutuksiin muiden hiukkasten kanssa osoittaa voimakkaasti, että se on Higgsin bosoni.

Tämä tekee hiukkasesta myös ensimmäisen luonnossa löydetyn skalaarihiukkasen .

Seuraavassa on esimerkkejä testeistä, joilla varmistetaan, että löydetty hiukkanen on Higgsin bosoni:

Vaatimus	Kuinka testattu / selitys	Tämänhetkinen tila (heinäkuussa 2017)
Nolla kierrosta	Hajoamismalleja tutkitaan. Spin-1 oli suljettu pois alkuhaun aikana havaitusta hajoamisesta kahteen fotoniin (γ γ), jättäen spin-0: n ja spin-2: n jäljellä oleviksi ehdokkaiksi.	Spin-0 vahvistettu. Spin-2-hypoteesi suljetaan pois, jos luottamustaso ylittää 99,9%.
Jopa (positiivinen) pariteetti	Tutkitaan kulmat, joissa hajoamistuotteet lentävät toisistaan. Negatiivinen pariteetti oli myös epäedullinen, jos spin-0 vahvistettiin.	Jopa pariteetti vahvistettiin alustavasti. Spin-0-negatiivinen pariteettihypoteesi suljetaan pois, jos luottamustaso ylittää 99,9%.
Hajoamiskanavat (hiukkasten hajoamisen tulokset) ovat ennustettuja	Vakiomalli ennustaa 125 GeV Higgsin bosonin hajoamiskuvioita. Onko nämä kaikki nähtävissä ja oikeilla hinnoilla? Erityisen merkittävää on, että mahdollisten tulosten joukossa on havaittava hajoamista fotonipareiksi (γ γ), W- ja Z -bosoneiksi (WW ja ZZ), pohjakvarkeiksi (bb) ja tau -leptoneiksi (τ τ) .	bb, γ γ, τ τ, WW ja ZZ havaittiin. Kaikki havaitut signaalin voimakkuudet ovat yhdenmukaisia vakiomallin ennusteen kanssa.
Pariskunnat massaan (eli vakiomallin hiukkasten kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen vahvuus suhteessa niiden massaan)	Hiukkasfyysikko Adam Falkowski toteaa, että Higgsin bosonin olennaiset ominaisuudet ovat se, että se on spinaali-0 (skalaari) hiukkanen, joka myös kytkeytyy massaan (W- ja Z-bosonit); spin-0: n todistaminen yksin ei riitä.	Liitännät massaan ovat vahvasti osoitettuja ("95%: n luottamustasolla c _V on 15%: n sisällä vakiomallin arvosta c _V = 1").
Korkeammat energiatulokset pysyvät tasaisina	Sen jälkeen, kun LHC: n 2015 uudelleenkäynnistys on korkeampi energia 13 TeV , etsii useita Higgs hiukkasten (kuten on ennustettu joidenkin teorioiden) ja testit kohdistaminen muut versiot hiukkasen teoria jatkui. Näiden korkeamman energian tulosten on edelleen annettava Higgsin teorioiden mukaisia tuloksia.	Törmäysten analyysi heinäkuuhun 2017 asti ei osoita poikkeamia standardimallista, ja kokeelliset tarkkuudet ovat parempia kuin tulokset pienemmillä energioilla.

Havaintoja vuodesta 2013

Heinäkuussa 2017 CERN vahvisti, että kaikki mittaukset ovat edelleen yhdenmukaisia vakiomallin ennusteiden kanssa, ja kutsui löydettyä hiukasta yksinkertaisesti "Higgsin bosoniksi". Vuodesta 2019 lähtien suuri hadronitörmäyslaite on edelleen tuottanut tuloksia, jotka vahvistavat Higgsin kentän ja hiukkasen vuoden 2013 ymmärryksen.

LHC: n kokeellinen työ vuoden 2015 uudelleenkäynnistyksen jälkeen on sisällyttänyt Higgs -kentän ja bosonin tarkentamisen tarkemmin ja sen varmistamisen, ovatko harvinaisempia ennusteita oikein. Erityisesti vuoden 2015 jälkeen tehty tutkimus on antanut vahvaa näyttöä ennakoidusta suorasta hajoamisesta fermioneiksi , kuten pohjakvarkkipareiksi (3,6 σ) - kuvattu "tärkeäksi virstanpylväksi" sen lyhyen käyttöiän ja muiden harvinaisten hajoamisten ymmärtämisessä - ja myös vahvistamaan hajoamista tau -leptonien pareiksi (5,9 σ). CERN kuvaili tätä "erittäin tärkeäksi Higgsin bosonin kytkennän muodostamiseksi leptoneiksi ja se on tärkeä askel kohti sen kytkentöjen mittaamista kolmannen sukupolven fermioneihin, elektronien ja kvarkkien erittäin raskaisiin kopioihin, joiden rooli luonnossa on syvä mysteeri ". Julkaistut tulokset 19. maaliskuuta 2018 klo 13 TeV ATLAS: lle ja CMS: lle saivat Higgsin massan mittaukset klo124,98 ± 0,28 GeV ja125,26 ± 0,21 GeV .

Heinäkuussa 2018 ATLAS- ja CMS -kokeet raportoivat havainneensa Higgsin bosonin hajoamisen parikenttään, joka muodostaa noin 60% sen hajoamisesta.

Teoreettisia kysymyksiä

Higgsin teoreettinen tarve

" Symmetrian rikkominen havainnollistettu": - Korkealla energiatasolla (vasemmalla) pallo asettuu keskelle ja tulos on symmetrinen. Alemmilla energiatasoilla (oikealla) yleiset "säännöt" pysyvät symmetrisinä, mutta "meksikolainen hattu" -potentiaali tulee voimaan: "paikallinen" symmetria rikkoutuu väistämättä, koska lopulta pallon täytyy satunnaisesti rullata tavalla tai toisella.

Mittarin invarianssit ovat nykyaikaisten hiukkasteorioiden, kuten vakiomallin , tärkeä ominaisuus , mikä johtuu osittain sen menestyksestä muilla perusfysiikan aloilla, kuten sähkömagneetti ja vahva vuorovaikutus ( kvanttikromodynamiikka ). Kuitenkin, ennen kuin Sheldon L.Glashow laajensi sähköheikkojen yhdistymismalleja vuonna 1961, oli suuria vaikeuksia kehittää mittarit teorioita heikkoa ydinvoimaa tai mahdollista yhtenäistä sähköheikkoa vuorovaikutusta varten . Fermionit, joilla on massatermi , rikkovat mittarin symmetriaa, eivätkä siksi voi olla mittarin invariantteja. (Tämä voidaan nähdä tutkimalla Dirac Lagrangiania fermioniksi vasemman- ja oikeakätisten komponenttien suhteen; havaitsemme, että mikään spin-half-hiukkasista ei koskaan pysty kääntämään heliksiivisyyttä massan edellyttämällä tavalla, joten niiden on oltava massattomia.) W ja Z bosoneilla havaitaan olevan massa, mutta bosonimassatermi sisältää termejä, jotka ovat selvästi riippuvaisia mittarin valinnasta, ja siksi myös nämä massat eivät voi olla mittarin invariantteja. Siksi näyttää siltä, että mikään vakiomalli fermioneista tai bosoneista ei voisi "alkaa" massalla sisäänrakennetulla ominaisuudella paitsi luopumalla mittarin epävarmuudesta. Jos mittarin invarianssit säilytettäisiin, näiden hiukkasten piti saada massansa jollakin muulla mekanismilla tai vuorovaikutuksella. Lisäksi kaiken, mikä antoi näille hiukkasille niiden massan, ei pitänyt "rikkoa" mittarin invarianssia perustana muille teorioiden osille, joissa se toimi hyvin, eikä sen tarvinnut vaatia tai ennustaa odottamattomia massattomia hiukkasia tai pitkän kantaman voimia (näennäisesti väistämätön) Goldstonen lauseen seurauksena ), jota ei todellisuudessa näyttänyt olevan luonnossa.

Ratkaisu kaikkiin näihin päällekkäisten ongelmat tulivat löydettiin aiemmin huomaamatta rajatapaus piilotettu matematiikan Goldstonen lauseen että tietyissä olosuhteissa se voisi teoriassa olla mahdollista, että symmetria olla rikki ilman häiritseviä mittari invarianssi ja ilman uusia massattoman hiukkasia tai voimia ja joilla on "järkeviä" (uudelleen muotoiltavia ) tuloksia matemaattisesti. Tämä tunnettiin Higgsin mekanismina .

Yhteenveto vakiomallissa kuvatuista tiettyjen hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista .

Vakiomalli olettaa kentän, joka on vastuussa tästä vaikutuksesta, nimeltään Higgs-kenttä (symboli :), jonka perustilassa on epätavallinen ominaisuus, joka on nollasta poikkeava amplitudi ; eli tyhjiöodotuksen odotusarvo . Sillä voi olla tämä vaikutus sen epätavallisen "meksikolaisen hatun" muotoisen potentiaalin vuoksi, jonka alin "piste" ei ole sen "keskellä". Yksinkertaisesti sanottuna, toisin kuin kaikki muut tunnetut kentät, Higgs-kenttä tarvitsee vähemmän energiaa nollasta poikkeavan arvon saamiseksi, joten sillä on kaikkialla muu kuin nolla-arvo . Tietyn erittäin korkean energiatason alapuolella tämän nollasta poikkeavan tyhjiöodotuksen olemassaolo rikkoo spontaanisti sähköheikon mittarin symmetrian, mikä puolestaan synnyttää Higgsin mekanismin ja laukaisee massan hankkimisen kentän kanssa vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten kanssa. Tämä vaikutus johtuu siitä , että Higgsin kentän skalaarikentän komponentit "absorboituvat" massiivisten bosonien vapausasteina ja kytkeytyvät fermioneihin Yukawa -kytkennän kautta , jolloin saadaan odotetut massatermit. Kun symmetria katkeaa näissä olosuhteissa, syntyvät Goldstone -bosonit ovat vuorovaikutuksessa Higgs -kentän (ja muiden hiukkasten kanssa, jotka pystyvät vuorovaikutuksessa Higgs -kentän kanssa) sen sijaan, että niistä tulisi uusia massattomia hiukkasia. Molempien taustalla olevien teorioiden ratkaisemattomat ongelmat "neutraloivat" toisiaan, ja lopputulos on, että alkeishiukkaset saavat tasaisen massan sen mukaan, kuinka voimakkaasti ne ovat vuorovaikutuksessa Higgs -kentän kanssa. Se on yksinkertaisin tunnettu prosessi, joka pystyy antamaan massan mittaribosoneille samalla kun se on yhteensopiva mittateorioiden kanssa . Sen kvantti olisi skalaari bosoni , joka tunnetaan Higgsin bosoni. ${\ displaystyle \ phi}$

Vaihtoehtoiset mallit

Edellä kuvattu vähimmäisstandardimalli on yksinkertaisin tunnettu Higgs -mekanismin malli, jossa on vain yksi Higgs -kenttä. Laajennettu Higgs -sektori, jossa on lisäksi Higgs -hiukkasdublettia tai -kolmikkoa, on kuitenkin myös mahdollinen, ja monilla vakiomallin laajennuksilla on tämä ominaisuus. Teorian suosima ei-minimaalinen Higgs-sektori on kahden Higgs- dupletin malli (2HDM), jotka ennustavat skalaaristen hiukkasten kvintetin olemassaolon : kaksi CP-parillista neutraalia Higgs-bosonia h ⁰ ja H ⁰ , CP-pariton neutraali Higgsin bosoni A ⁰ ja kaksi varautunutta Higgs -partikkelia H ^± . Supersymmetria ("SUSY") ennustaa myös suhteet Higgs-bosonimassojen ja mittaribosonien massojen välillä, ja siihen mahtuu125 GeV/ c ² neutraali Higgsin bosoni.

Tärkein tapa erottaa nämä eri mallit sisältää hiukkasten vuorovaikutuksen ("kytkentä") ja tarkan hajoamisprosessin ("haarautumissuhteet") tutkimuksen, joka voidaan mitata ja testata kokeellisesti hiukkasten törmäyksissä. Tyypin I 2HDM -mallissa yksi Higgs-dubletti kytkeytyy ylös- ja alas-kvarkkeihin, kun taas toinen dupletti ei liity kvarkkeihin. Tämä malli on kaksi mielenkiintoista rajoja, jossa kevyin Higgs parit vain fermioneja ( "gauge- fobia ') tai vain mittabosoni (' fermiophobic"), mutta ei molempia. Tyypin II 2HDM -mallissa yksi Higgsin dupletti yhdistää vain ylös-tyypin kvarkkeihin ja toinen vain alas-tyypin kvarkkeihin. Laajalti tutkittu Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) sisältää tyypin II 2HDM Higgs-sektorin, joten se voidaan kiistää todisteilla tyypin I 2HDM Higgsistä.

Muissa malleissa Higgsin skalaari on komposiittipartikkeli. Esimerkiksi technicolor rooli Higgsin kenttä näyttelee vahvasti sidottu paria fermioneja kutsutaan techniquarks . Muissa malleissa on parempia kvarkkeja (katso ylin kvarkkikondensaatti ). Vielä muissa malleissa ei ole Higgs -kenttää ollenkaan ja sähköheikko symmetria rikkoutuu käyttämällä lisämittoja.

Muita teoreettisia kysymyksiä ja hierarkiaongelma

Yhden silmukan Feynman-kaavio Higgsin massan ensimmäisen asteen korjauksesta. Vakiomallissa näiden korjausten vaikutukset ovat mahdollisesti valtavat, mikä aiheuttaa ns. Hierarkiaongelman .

Standardimalli jättää Higgsin bosonin massan mitattavaksi parametriksi eikä laskettavaksi arvoksi. Tämä nähdään teoreettisesti epätyydyttävänä, varsinkin kun kvanttikorjausten (jotka liittyvät vuorovaikutukseen virtuaalisten hiukkasten kanssa ) pitäisi ilmeisesti saada Higgs -hiukkasen massa olemaan huomattavasti suurempi kuin havaittu, mutta samalla vakiomalli vaatii suuruusluokkaa 100-1000 GeV varmistaa unitaarisuus (tässä tapauksessa, jotta unitarise pitkittäinen vektori hiukkasta sironta). Näiden kohtien sovittaminen näyttää selittävän, miksi on lähes täydellinen peruutus, joka johtaa ~ 125 GeV: n näkyvään massaan, eikä ole selvää, miten tämä tehdään. Koska heikko voima on noin 10 ³² kertaa vahvempi kuin painovoima, ja (tähän liittyen) Higgsin bosonin massa on niin paljon pienempi kuin Planckin massa tai suuri yhdistymisenergia , näyttää siltä, että joko taustalla on jokin yhteys tai syy havaintoja, joita ei tunneta ja joita vakiomalli ei kuvaa, tai joitakin selittämättömiä ja erittäin tarkkoja parametrien hienosäätöjä- mutta tällä hetkellä kumpikaan näistä selityksistä ei ole todistettu. Tätä kutsutaan hierarkiaongelmaksi . Yleisesti ottaen hierarkiaongelma on huolestunut siitä, että tulevassa perushiukkasten ja vuorovaikutusten teoriassa ei pitäisi olla liiallisia hienosäätöjä tai kohtuuttoman herkkiä peruutuksia, ja sen pitäisi mahdollistaa Higgsin bosonin kaltaisten hiukkasmassojen laskeminen. Ongelma on jollain tavalla ainutlaatuinen spin-0-hiukkasille (kuten Higgsin bosoni), mikä voi aiheuttaa ongelmia, jotka liittyvät kvanttikorjauksiin, jotka eivät vaikuta spin-hiukkasiin. Useita ratkaisuja on ehdotettu , mukaan lukien supersymmetria , konformaaliset ratkaisut ja ratkaisut ylimääräisillä mitoilla, kuten braneworld -malleilla.

On myös kysymyksiä kvanttitrivaalisuudesta , mikä viittaa siihen, että ei välttämättä ole mahdollista luoda johdonmukaista kvanttikenttäteoriaa, joka sisältää alkeellisia skalaarihiukkasia. Jos kvanttitrivaalisuutta kuitenkin vältetään, triviaalisuusrajoitukset voivat asettaa rajoja Higgsin Bosonin massalle.

Ominaisuudet

Higgs -kentän ominaisuudet

Vakiomallissa Higgs -kenttä on skalaarinen takyoninen kenttä - skalaari tarkoittaa sitä, että se ei muutu Lorentzin muunnosten alla , ja takyoninen merkitys sillä, että kentällä (mutta ei hiukkasella) on kuvitteellinen massa , ja tietyissä kokoonpanoissa sen täytyy rikkoa symmetria . Se koostuu neljästä osasta: kaksi neutraaleja ja kaksi veloitetaan komponentti kentät . Molemmat varautuneiden osien ja yksi neutraali kentät ovat Goldstonen bosonit , jotka toimivat pituussuunnassa kolmannen polarisaatiokomponentit massiivinen W ⁺ , W ^- , ja Z bosonit . Jäljellä olevan neutraalin komponentin kvantti vastaa (ja toteutuu teoreettisesti) massiivista Higgsin bosonia. Tämä komponentti voi olla vuorovaikutuksessa fermioneja kautta Yukawa kytkemällä antaa heille massa samoin.

Matemaattisesti Higgsin kentällä on kuvitteellinen massa ja siksi se on takyoninen kenttä. Vaikka takyonit ( hiukkaset, jotka liikkuvat valoa nopeammin ) ovat puhtaasti hypoteettinen käsite, kuvitteellisen massan kentillä on tullut tärkeä rooli nykyaikaisessa fysiikassa. Tällaisissa teorioissa mikään heräte ei koskaan leviä valoa nopeammin - takyonisen massan läsnäolo tai puuttuminen ei vaikuta mitenkään signaalien enimmäisnopeuteen ( syy -yhteyttä ei rikota ). Valoa nopeampien hiukkasten sijasta kuvitteellinen massa luo epävakautta: Mikä tahansa kokoonpano, jossa yksi tai useampi kenttäherätys on takyoninen, on hajoava spontaanisti, eikä tuloksena oleva kokoonpano sisällä fyysisiä takyoneja. Tämä prosessi tunnetaan nimellä tachyon -kondensaatio , ja sen uskotaan nyt olevan selitys sille, miten Higgsin mekanismi itse syntyy luonnossa, ja siksi syy heikon symmetrian rikkoutumiseen.

Vaikka käsite kuvitteellisesta massasta saattaa tuntua huolestuttavalta, kvantitoidaan vain kenttä eikä massa itse. Siksi alan toimijat klo spacelike erottaa kohtia on vielä työmatkan (tai anticommute) sekä tieto- ja hiukkasia vieläkään eivät etene valoa nopeammin. Tachyon -kondensaatio ajaa fyysisen järjestelmän, joka on saavuttanut paikallisen rajan - ja sen voitaisiin naiivisti odottaa tuottavan fyysisiä takyoneja - vaihtoehtoiseen vakaaseen tilaan, jossa ei ole fyysisiä takyoneja. Kun takyoninen kenttä, kuten Higgs -kenttä, saavuttaa minimipotentiaalin, sen kvantit eivät ole enää takyoneja, vaan ovat tavallisia hiukkasia, kuten Higgsin bosoni.

Higgsin bosonin ominaisuudet

Koska Higgs -kenttä on skalaarinen , Higgsin bosonilla ei ole spin . Higgsin bosoni on myös oma antihiukkasensa , se on CP-tasainen ja siinä ei ole sähkö- ja värivarausta .

Standardimalli ei ennusta Higgsin bosonin massaa. Jos massa on välillä 115 ja180 GeV/ c ² (yhdenmukainen empiiristen havaintojen kanssa125 GeV/ c ² ), vakiomalli voi olla voimassa energia -asteikoilla aina Planck -asteikolle asti (10 ¹⁹ GeV). Monet teoreetikot odottavat TeV-asteikolla syntyvän uuden standardimallin ulkopuolisen fysiikan , joka perustuu vakiomallin epätyydyttäviin ominaisuuksiin. Suurin mahdollinen Higgsin bosonin (tai jonkin muun sähköisen heikon symmetrian rikkomekanismin) sallittu massa -asteikko on 1,4 TeV; tätä pidemmälle, standardimallin muuttuu epätasaiseksi ilman tällaista mekanismia, koska unitaarisuus rikotaan tietyissä hajontaprosesseja.

On myös mahdollista, vaikkakin kokeellisesti vaikeaa, arvioida Higgsin bosonin massa epäsuorasti. Standardimallissa Higgsin bosonilla on useita epäsuoria vaikutuksia; Erityisesti Higgs -silmukat johtavat pieniin korjauksiin W- ja Z -bosonien massoihin. Sähköheikkojen parametrien tarkkoja mittauksia, kuten Fermi -vakio ja W- ja Z -bosonien massat, voidaan käyttää Higgsin massan rajoitusten laskemiseen. Heinäkuusta 2011 lähtien tarkat sähköheikkojen mittausten mukaan Higgsin bosonin massa on todennäköisesti pienempi kuin n.161 GeV/ c ² 95%: n luottamustasolla . Nämä epäsuorat rajoitukset perustuvat oletukseen, että vakiomalli on oikea. Voi olla vielä mahdollista löytää Higgsin bosoni näiden massojen yläpuolelta, jos sen mukana tulee muita hiukkasia kuin vakiomalli.

Tuotanto

Feynman -kaaviot Higgsin tuotantoon
Gluon -fuusio	Higgs Strahlung
Vector boson fusion	Huippufuusio

Jos Higgs hiukkanen teoriat ovat voimassa, niin Higgs hiukkanen voidaan valmistaa paljon kuin muita hiukkasia, jotka tutkitaan, on hiukkastörmäyttimen . Tämä tarkoittaa sitä, että suuri määrä hiukkasia kiihdytetään erittäin suuriin energioihin ja erittäin lähellä valon nopeutta , minkä jälkeen niiden annetaan murtautua yhteen. Protonit ja lyijy -ionit (paljas ytimet lyijyn atomien ) käytetään LHCssä. Näiden törmäysten äärimmäisissä energioissa haluttuja esoteerisia hiukkasia syntyy toisinaan, ja tämä voidaan havaita ja tutkia; mitä tahansa poissaoloa tai eroa teoreettisista odotuksista voidaan käyttää myös teorian parantamiseen. Tarvittava hiukkasteoria (tässä tapauksessa vakiomalli) määrittää tarvittavat törmäystyypit ja ilmaisimet. Standardimalli ennustaa, että Higgsin bosoneja voitaisiin muodostaa useilla tavoilla, vaikka todennäköisyyden tuottaa Higgsin bosoni missä tahansa törmäyksessä odotetaan aina olevan hyvin pieni - esimerkiksi vain yksi Higgsin bosoni 10 miljardia törmäystä kohden Suuri Hadron Collider. Yleisimmät odotetut prosessit Higgsin bosonituotannossa ovat:

Gluon -fuusio: Jos törmänneet hiukkaset ovat hadroneja , kuten protoni tai antiproton - kuten LHC: ssä ja Tevatronissa -, on todennäköistä, että kaksi hadronia sitovasta gluonista törmää toisiinsa. Helpoin tapa tuottaa Higgs -partikkeli on, jos kaksi gluonia yhdistyvät muodostaen virtuaalisten kvarkkien silmukan . Koska hiukkasten kytkeminen Higgsin bosoniin on verrannollinen niiden massaan, tämä prosessi on todennäköisempi raskaille hiukkasille. Käytännössä riittää, kun otetaan huomioon virtuaalisten ylä- ja ala -kvarkkien (raskaimmat kvarkit) vaikutukset. Tämä prosessi on LHC: n ja Tevatronin hallitseva panos, joka on noin kymmenen kertaa todennäköisempi kuin mikään muu prosessi.
Higgs Strahlung: Jos alkeellinen fermioni törmää anti-fermioniin-esim. Kvarkki, jossa on anti-kvarkki tai elektroni, jossa on positroni- nämä kaksi voivat yhdistyä muodostaen virtuaalisen W- tai Z-bosonin, joka, jos se kuljettaa riittävästi energiaa, voi sitten lähettää Higgsin bosoni. Tämä prosessi oli LEP: n hallitseva tuotantotapa, jossa elektroni ja positroni törmäsivät muodostaen virtuaalisen Z -bosonin, ja se oli toiseksi suurin panos Higgsin tuotantoon Tevatronilla. LHC: ssä tämä prosessi on vain kolmanneksi suurin, koska LHC törmää protoneihin protoneihin, mikä tekee kvarkin ja antikvarkin törmäyksen epätodennäköisemmäksi kuin Tevatronilla. Higgs Strahlung tunnetaan myös liitännäistuotantona .
Heikko boson -fuusio: Toinen mahdollisuus, kun kaksi (anti) fermionia törmää, on se, että nämä kaksi vaihtavat virtuaalisen W- tai Z-bosonin, joka lähettää Higgsin bosonin. Törmäävien fermionien ei tarvitse olla samantyyppisiä. Joten esimerkiksi ylös-kvarkki voi vaihtaa Z-bosonin anti-alas-kvarkin kanssa. Tämä prosessi on toiseksi tärkein Higgs -hiukkasten tuotannossa LHC: ssä ja LEP: ssä.
Huippufuusio: Viimeinen prosessi, jota yleisesti pidetään, on ylivoimaisesti vähiten todennäköinen (kahdella suuruusluokalla). Tämä prosessi sisältää kaksi törmäävää gluonia, jotka kumpikin hajoavat raskaaksi kvarkki -antiquark -pariksi. Jokaisen parin kvarkki ja antikvarki voivat yhdistyä muodostaen Higgs -hiukkasen.

Hajoaminen

Standardimallin ennuste Higgs -hiukkasen hajoamisleveydelle riippuu sen massan arvosta.

Kvanttimekaniikka ennustaa, että jos on mahdollista, että hiukkanen hajoaa kevyempien hiukkasten joukkoon, se lopulta tekee niin. Tämä pätee myös Higgsin bosoniin. Todennäköisyys, jolla tämä tapahtuu, riippuu useista tekijöistä, mukaan lukien: massan ero, vuorovaikutusten vahvuus jne. Suurin osa näistä tekijöistä on vakiomallin vahvistamia, paitsi Higgsin bosonin massa. Higgsin bosonille, jonka massa on125 GeV/ c ² SM ennustaa keskimääräisen käyttöiän noin1,6 × 10 ⁻²² s .

Standardimallin ennuste Higgs -hiukkasen eri hajoamistilojen haarautumissuhteille riippuu sen massan arvosta.

Koska Higgsin bosoni on vuorovaikutuksessa kaikkien SM: n massiivisten alkeishiukkasten kanssa, sillä on monia erilaisia prosesseja, joiden kautta se voi hajota. Jokaisella näistä mahdollisista prosesseista on oma todennäköisyys, ilmaistuna haarautumissuhteena ; murto -osa kokonaisluvusta hajoaa, joka seuraa tätä prosessia. SM ennustaa nämä haarautumissuhteet Higgsin massan funktiona (katso kuvaaja).

Yksi tapa, jolla Higgs voi hajota, on halkeaminen fermioni -antifermion -pariksi. Pääsääntöisesti Higgs hajoaa todennäköisemmin raskaiksi fermioneiksi kuin kevyiksi fermioneiksi, koska fermionin massa on verrannollinen sen vuorovaikutuksen voimaan Higgsin kanssa. Tämän logiikan mukaan yleisimmän hajoamisen pitäisi olla huippu -antitop -kvarkipari. Tällainen rappeutuminen olisi kuitenkin mahdollista vain, jos Higgs olisi raskaampi kuin ~346 GeV/ c ² , kaksi kertaa ylemmän kvarkin massa. Higgsin massalle125 GeV/ c ² SM ennustaa, että yleisin hajoaminen on pohja -pohja -kvark -pariin, joka tapahtuu 57,7% ajasta. Toiseksi yleisin fermionin hajoaminen tuolla massalla on tau -antitau -pari, joka tapahtuu vain noin 6,3% ajasta.

Toinen mahdollisuus on, että Higgs jakautuu pariksi massiivisia bosoneja. Todennäköisin mahdollisuus on, että Higgs hajoaa W -bosonipariksi (vaalean sininen viiva juonessa), mikä tapahtuu noin 21,5% ajasta Higgsin bosonille, jonka massa on125 GeV/ c ² . W -bosonit voivat myöhemmin hajota joko kvarkiksi ja antikvariksi tai varautuneeksi leptoniksi ja neutriinoksi. W -bosonien hajoamista kvarkkeiksi on vaikea erottaa taustasta, eikä leptonien hajoamista voida täysin rekonstruoida (koska neutriinoja on mahdotonta havaita hiukkasten törmäyskokeissa). Puhtaampi signaali annetaan hajoamalla Z-bosonipariksi (joka tapahtuu noin 2,6% ajasta Higgsille, jonka massa on125 GeV/ c ² ), jos jokainen bosoni hajoaa myöhemmin pariksi helposti havaittavia varautuneita leptoneja ( elektroneja tai muoneja ).

Hajoaminen massiivittomiin bosoneihin (esim. Gluoneihin tai fotoneihin ) on myös mahdollista, mutta vaatii virtuaalisten raskaiden kvarkkien (ylä- tai alaosa) tai massiivisten bosonien välisilmukan. Yleisin tällainen prosessi on hajoaminen gluonipariksi virtuaalisten raskaiden kvarkkien silmukan kautta. Tämä prosessi, joka on päinvastainen edellä mainitulle gluonifuusioprosessille, tapahtuu noin 8,6% ajasta Higgsin bosonille, jonka massa on125 GeV/ c ² . Paljon harvinaisempaa on hajoaminen fotonipariksi, jota välittää W -bosonien tai raskaiden kvarkkien silmukka, mikä tapahtuu vain kahdesti jokaista tuhatta hajoamista kohden. Tämä prosessi on kuitenkin erittäin tärkeä Higgsin bosonin kokeellisille hauille, koska fotonien energia ja vauhti voidaan mitata erittäin tarkasti, mikä antaa tarkan rekonstruktion hajoavan hiukkasen massasta.

Julkinen keskustelu

Nimeäminen

Fyysikoiden käyttämät nimet

Partikkeliin ja kenttään voimakkaimmin liittyvä nimi on Higgsin bosoni ja Higgsin kenttä. Partikkeli tunnettiin jonkin aikaa yhdistelmällä sen PRL-tekijän nimiä (mukaan lukien toisinaan Anderson), esimerkiksi Brout – Englert – Higgs -hiukkanen, Anderson-Higgs-partikkeli tai Englert – Brout – Higgs – Guralnik – Hagen– Kibble -mekanismi, ja niitä käytetään edelleen ajoittain. Osittain tunnustamisesta ja mahdollisesta jaetusta Nobel -palkinnosta johtuva sopivin nimi oli edelleen toisinaan keskustelunaihe vuoteen 2013 asti. Higgs itse kutsuu hiukkasen mieluummin joko kaikkien asianosaisten lyhenteellä tai "skalaaribosoniksi" "tai" ns. Higgs-hiukkanen ".

Merkittävä määrä on kirjoitettu siitä, miten Higgsin nimeä käytettiin yksinomaan. Tarjolla on kaksi pääasiallista selitystä. Ensimmäinen on se, että Higgs otti askeleen, joka oli joko ainutlaatuinen, selkeämpi tai selkeämpi paperissaan hiukkasen muodollisessa ennustamisessa ja tutkimisessa. PRL -lehtien kirjoittajista vain Higgsin paperi tarjosi nimenomaan ennusteeksi, että olisi olemassa massiivinen hiukkanen, ja laski joitakin sen ominaisuuksia; hän oli siksi "ensimmäinen, joka väitti, että massiivinen hiukkanen on olemassa", Nature . Fyysikko ja kirjailija Frank Close sekä fyysikko-bloggaaja Peter Woit kommentoivat, että GHK: n paperi valmistui myös sen jälkeen, kun Higgs ja Brout-Englert toimitettiin Physical Review Lettersille , ja että Higgs yksin oli kiinnittänyt huomion ennustettuun massiiviseen skalaaribosoniin , kun taas kaikki toiset olivat keskittyneet massiivinen vektorin bosonit. Tällä tavalla Higgsin panos tarjosi kokeilijoille myös ratkaisevan "konkreettisen kohteen", jota tarvitaan teorian testaamiseen.

Higgsin näkemyksen mukaan Brout ja Englert eivät kuitenkaan nimenomaisesti maininneet bosonia, koska sen olemassaolo on heidän työssään selvästi ilmiselvä, kun taas Guralnikin mukaan GHK -paperi oli täydellinen analyysi koko symmetrian rikkomismekanismista, jonka matemaattista tarkkuutta ei ole kaksi muuta paperia, ja joissakin ratkaisuissa voi olla massiivinen hiukkanen. Higgs paper tarjosi myös 'erityisen terävä' selvitys haaste ja sen ratkaisun mukaan tieteen historioitsija David Kaiser.

Vaihtoehtoinen selitys on, että nimi suositeltiin 1970 -luvulla, koska sitä käytettiin kätevänä lyhenteenä tai viittausvirheen vuoksi. Monet tilit ( mukaan lukien Higgsin oma ) luottavat Higgs -nimen fyysikko Benjamin Leen . Lee oli teorian merkittävä popularisoija sen alkuvaiheissa, ja hän liitti tavallisesti nimen "Higgs" "käteväksi lyhenteeksi" sen osille vuodesta 1972. ja ainakin yhdessä tapauksessa jo vuodesta 1966. Vaikka Lee selvensi alaviitteet, että "" Higgs "on lyhenne sanoista Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert", hänen terminsä käyttö (ja ehkä myös Steven Weinbergin virheellinen viittaus Higgsin paperiin ensimmäisenä vuonna 1967) että noin 1975–1976 myös muut olivat alkaneet käyttää nimeä ”Higgs” yksinomaan lyhenteenä. Vuonna 2012 fyysikko Frank Wilczek , joka hyvitetään nimeämiskäytäntö alkeis hiukkasen axion (yli vaihtoehtoisen ehdotuksen "Higglet", jonka Weinberg), hyväksyi "Higgsin bosoni" nimi, jossa "History on monimutkainen, ja minne piirtää rivillä, sen alapuolella on joku. "

Nimimerkki

Higgsin bosonia kutsutaan usein "jumalapartikkeliksi" tiedeyhteisön ulkopuolisissa suosituissa medioissa. Lempinimi tulee Higgsin bosonia ja hiukkasfysiikkaa käsittelevän kirjan, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What is the Quest, otsikosta . by fysiikan nobelisti ja Fermilab johtaja Leon Lederman . Lederman kirjoitti sen osana Yhdysvaltojen hallituksen epäonnistumista Superconducting Super Colliderille , joka on osittain rakennettu titaaninen kilpailija suurelle Hadron Colliderille ja jonka suunniteltu törmäysenergia on 2 × 20 TeV ja jota Lederman puolusti sen 1983: n alusta lähtien ja sammutettiin vuonna 1993 Kirja pyrki osittain lisäämään tietoisuutta tällaisen hankkeen merkityksestä ja tarpeesta sen mahdollisen rahoituksen menetyksen vuoksi. Alan johtava tutkija Lederman kirjoittaa haluavansa nimetä kirjansa The Goddamn Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? Ledermanin päätoimittaja päätti, että otsikko oli liian kiistanalainen, ja vakuutti hänet vaihtamaan otsikon The God Particle: Jos maailmankaikkeus on vastaus, mikä on kysymys?

Vaikka tämän termin käyttö mediassa on saattanut lisätä tietoisuutta ja kiinnostusta, monet tiedemiehet pitävät nimeä sopimattomana, koska se on sensaatiomainen hyperbole ja johtaa harhaan lukijoita; hiukkasella ei myöskään ole mitään tekemistä minkään Jumalan kanssa , se jättää auki monia perusfysiikan kysymyksiä eikä selitä maailmankaikkeuden perimmäistä alkuperää . Higgsin , ateistin , kerrottiin olevan tyytymätön ja totesi vuoden 2008 haastattelussa, että hän piti sitä "kiusallisena", koska se oli "sellaista väärinkäyttöä, joka mielestäni voisi loukata joitain ihmisiä". Lempinimi on satirized myös valtavirran mediassa. Tiedekirjoittaja Ian Sample totesi vuonna 2010 julkaistussa hakua käsittelevässä kirjassaan, että lempinimi on "yleismaailmallinen viha [d]" fyysikoilta ja ehkä "pahin pilkka" fysiikan historiassa , mutta (Ledermanin mukaan) kustantaja hylkäsi kaikki nimet mainitaan "Higgs" mielikuvituksettomaksi ja liian tuntemattomaksi.

Lederman aloittaa katsauksella ihmisen pitkästä tiedonhausta ja selittää, että hänen kielensä poskellaan otsikko vetää analogiaa Higgs-kentän vaikutuksen alkuräjähdyksen perus symmetriaan ja rakenteiden, hiukkasten näennäisen kaaoksen välillä. , voimat ja vuorovaikutukset, jotka johtivat ja muokkaavat nykyistä maailmankaikkeuttamme, raamatullisella Babelin tarinalla, jossa varhaisen 1.Mooseksen kirjan alkukieli oli hajanainen moniin eri kieliin ja kulttuureihin.

Nykyään ... meillä on vakiomalli, joka pienentää kaiken todellisuuden tusinaan hiukkasiin ja neljään voimaan ... Se on vaikeasti saavutettu yksinkertaisuus [... ja ...] erittäin tarkka. Mutta se on myös epätäydellinen ja itse asiassa sisäisesti epäjohdonmukainen ... Tämä bosoni on niin keskeinen nykyajan fysiikan tilassa, niin ratkaiseva lopulliselle ymmärryksellemme aineen rakenteesta, mutta silti niin vaikeasti ymmärrettävä, että olen antanut sille lempinimen : Jumalapartikkeli. Miksi Jumalapartikkeli? Kaksi syytä. Ensinnäkin kustantaja ei anna meidän kutsua sitä helvetin hiukkaseksi, vaikka se voisi olla sopivampi otsikko, kun otetaan huomioon sen ilkeä luonne ja sen aiheuttamat kustannukset. Ja toiseksi , on jonkinlainen yhteys toiseen , paljon vanhempaan kirjaan ...

- Lederman & Teresi Jumalapartikkeli : Jos maailmankaikkeus on vastaus, mikä on kysymys

Lederman kysyy, onko Higgsin bosoni lisätty vain hämmentämään ja hämmentämään niitä, jotka etsivät tietoa universumista, ja ovatko fyysikot hämmentyneitä siinä tarinassa kerrottuina, vai voittavatko he lopulta haasteen ja ymmärtävät "kuinka kaunis maailmankaikkeus on [Jumala on ] tehty ".

Muut ehdotukset

Brittiläisen The Guardian -lehden nimeämiskilpailu vuonna 2009 johti siihen, että tiedekirjeenvaihtaja valitsi parhaaksi nimeksi " samppanjapullon bosonin": "Samppanjapullon pohja on Higgsin potentiaalin muotoinen ja sitä käytetään usein kuva fysiikan luennoilla. Joten se ei ole kiusallisen suurenmoinen nimi, se on mieleenpainuva, ja [sillä] on myös fysiikan yhteys. " Myös Higgsonin nimeä ehdotettiin lausunnossa Fysiikan instituutin verkkojulkaisussa physicsworld.com .

Koulutukselliset selitykset ja analogiat

Valokuva valo kulkee läpi dispersiivinen prisma : sateenkaaren vaikutus johtuu siitä, että fotonit eivät kaikki vaikuta samassa määrin, että dispersiivinen materiaali prisman.

On käyty huomattavaa julkista keskustelua Higgs-hiukkasen analogioista ja selityksistä ja siitä, miten kenttä luo massaa, mukaan lukien selitykset yrityksen omasta katselusta ja kilpailu vuonna 1993 parhaan suositeltujen selitysten saamiseksi, kun silloinen Yhdistyneen kuningaskunnan tiedeministeri Sir William Waldegrave ja artikkeleita sanomalehdissä ympäri maailmaa.

Opetusyhteistyö, johon osallistuu LHC-fyysikko ja CERN- kouluttajan lukio- opettajat, viittaa siihen, että valon leviäminen-joka on vastuussa sateenkaarista ja hajautuvasta prismasta- on hyödyllinen vertaus Higgs-kentän symmetrian rikkomiselle ja massan aiheuttavalle vaikutukselle.

Symmetria rikkoutuu optiikassa	Tyhjiössä kaikkien värien (tai kaiken aallonpituuden fotonien ) valo kulkee samalla nopeudella , mikä on symmetrinen tilanne. Joissakin aineissa, kuten lasissa , vedessä tai ilmassa , tämä symmetria on rikki (katso: Fotonit aineessa ) . Tuloksena on, että eri aallonpituuksilla valolla on eri nopeudet .
Symmetria rikkoutuu hiukkasfysiikassa	"Naiiveissa" mittariteorioissa mittaribosonit ja muut perushiukkaset ovat kaikki massattomia - myös symmetrinen tilanne. Higgs -kentän läsnä ollessa tämä symmetria on rikki. Tuloksena on, että erityyppisillä hiukkasilla on eri massa.

Matt Strassler käyttää analogisesti sähkökenttiä:

Jotkut hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa Higgs -kentän kanssa, kun taas toiset eivät. Ne hiukkaset, jotka tuntevat Higgsin kentän, toimivat ikään kuin niillä olisi massaa. Jotain vastaavaa tapahtuu sähkökentässä - varautuneita esineitä vedetään ympäri ja neutraalit esineet voivat purjehtia ilman vaikutusta. Joten voit ajatella Higgs -hakua yrityksenä tehdä aaltoja Higgs -kentässä [ luoda Higgs -bosoneja ] todistaaksesi, että se todella on olemassa.

The Guardian tarjosi samanlaisen selityksen :

Higgsin bosoni on lähinnä aaltoilu alalla sanotaan syntynyt syntymän maailmankaikkeuden ja span kosmoksen tähän päivään ... Hiukkanen on ratkaiseva kuitenkin: Se on tupakointi ase , todisteet, joita tarvitaan osoittamaan teorian on oikeassa.

Fyysikko David Miller kuvasi kuuluisasti Higgs -kentän vaikutusta hiukkasiin samanlaisena kuin huone, joka oli täynnä poliittisten puolueiden työntekijöitä jakautuneena tasaisesti koko huoneeseen: Väkijoukko vetoaa ja hidastaa kuuluisia ihmisiä, mutta ei hidasta muita. Hän kiinnitti huomiota myös kiinteän olomuodon fysiikan tunnettuihin vaikutuksiin, joissa elektronin tehollinen massa voi olla paljon tavallista suurempi kidehilan läsnä ollessa.

Vedon vaikutuksiin perustuvat analogiat, mukaan lukien " siirapin " tai " melassin " analogiat, ovat myös hyvin tunnettuja, mutta ne voivat olla hieman harhaanjohtavia, koska ne voidaan ymmärtää (väärin) sanomalla, että Higgs -kenttä yksinkertaisesti vastustaa joidenkin hiukkasten liikettä, mutta ei muita - yksinkertainen resistiivinen vaikutus voi myös olla ristiriidassa Newtonin kolmannen lain kanssa .

Tunnustus ja palkinnot

Ennen vuoden 2013 loppua käytiin paljon keskustelua siitä, miten luotto jaetaan, jos Higgsin bosoni on todistettu, korostettu enemmän kuin Nobel -palkinto oli odotettu, ja hyvin laaja ihmisoikeus. Näitä ovat joukko teoreetikoita, jotka tekivät mahdolliseksi Higgsin mekanismiteorian, vuoden 1964 PRL -asiakirjojen teoreetikot (mukaan lukien Higgs itse), teoreetikot, jotka johtivat näistä toimivan sähköisen heikon teorian ja standardimallin, sekä kokeilijat CERNissä ja muut instituutiot, jotka tekivät mahdolliseksi todistaa Higgsin kentän ja bosonin todellisuudessa. Nobel -palkinnon saa jakaa enintään kolme henkilöä, ja jotkut mahdolliset voittajat ovat jo palkittuja muusta työstä tai ovat kuolleita (palkinto myönnetään vain henkilöille heidän elinaikanaan). Higgs -kenttään, bosoniin tai mekanismiin liittyvistä töistä jo myönnetyt palkinnot ovat:

Nobelin fysiikan palkinnon (1979) - Glashow , Salam , ja Weinberg , eläkemaksut teorian yhtenäinen heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus alkeishiukkasten
Fysiikan Nobel -palkinto (1999) - 't Hooft ja Veltman , fysiikan sähköheikkojen vuorovaikutusten kvanttirakenteen selvittämisestä
JJ Sakurai -palkinto teoreettisesta hiukkasfysiikasta (2010)-Hagen, Englert, Guralnik, Higgs, Brout ja Kibble, spontaani symmetrian rikkoutumisen ominaisuuksien selvittämisestä nelidimensioisessa relativistisessa mittariteoriassa ja mekanismista vektorien johdonmukaiseen luomiseen bosonimassoja ( edellä kuvatuille 1964 papereille )
Wolf -palkinto (2004) - Englert, Brout ja Higgs
Perusfysiikan läpimurto -erikoispalkinto (2013) - Fabiola Gianotti ja Peter Jenni , ATLAS Collaborationin tiedottaja ja Michel Della Negra, Tejinder Singh Virdee, Guido Tonelli ja Joseph Incandela, edelliset ja nykyiset CMS -yhteistyön edustajat, heidän] johtava roolinsa tieteellisessä pyrkimyksessä, joka johti siihen, että ATLAS- ja CMS-yhteistyö löysivät uuden Higgsin kaltaisen hiukkasen CERNin suuressa Hadron Colliderissa ".
Nobelin fysiikan (2013) - Peter Higgs ja François Englert , teoreettisen löytö mekanismi, joka vaikuttaa osaltaan ymmärrystämme alkuperän massan atomia pienemmät hiukkaset, ja joka on äskettäin vahvistettiin läpi löytö ennustetun perus- hiukkanen, jonka ATLAS- ja CMS -kokeet CERNin suuressa hadronitörmäyksessä

Englertin tutkija Robert Brout oli kuollut vuonna 2011, eikä Nobelin palkintoa yleensä anneta postuumisti .

Lisäksi Physical Review Lettersin 50 vuoden katsauksessa (2008) tunnustettiin vuoden 1964 PRL-symmetriarikkopaperit ja Weinbergin vuoden 1967 paperi A model of Leptons (hiukkasfysiikan eniten siteerattu paperi vuodesta 2012) "virstanpylväskirjeet".

Higgsin kaltaisen hiukkasen havaittujen havaintojen jälkeen heinäkuussa 2012 useat intialaiset tiedotusvälineet raportoivat luottamuksen laiminlyönnistä intialaiselle fyysikolle Satyendra Nath Boselle, jonka 1920-luvun työn jälkeen bosonien hiukkasluokka on nimetty (vaikka fyysikot ovat kuvailleet) Bosen yhteys löytöön heikko).

Tekniset näkökohdat ja matemaattinen muotoilu

Higgs -kentän potentiaali, piirretty funktiona ja . Siinä on meksikolainen hattu- tai samppanjapulloprofiili maassa.

{\ displaystyle \ phi ^{0}}

{\ displaystyle \ phi ^{3}}

Standard Malli, Higgsin kenttä on neljän komponentin skalaarikenttä että muodostaa kompleksin dubletti , että heikko isospin SU (2) symmetria:

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} \ left ({\ begin {array} {c} \ phi ^{1}+i \ phi ^{2} \\\ phi ^{0}+i \ phi ^{3} \ end {array}} \ right) \,}

kun kentällä on varaus +1/2alle heikko hypercharge U (1) symmetria.

Huomautus: Tämä artikkeli käyttää skaalaus sopimus, jossa sähkövaraus, $Q$ , heikko isospin , $T$ ₃ , ja heikko hypercharge, $Y$ _W , liittyvät toisiinsa $Q$ = $T$ ₃ + $Y$ _W . Eri yleissopimus käytetään useimmissa muissa Wikipedia-artikkeleita on $Q$ = $T$ ₃ +1/2 $Y$ _W .

Higgsin osa Lagrangian on

{\ displaystyle {\ mathcal {L}} _ {\ text {H}} = \ left | \ left (\ partial _ {\ mu} -igW _ {\ mu \, a} {\ tfrac {1} {2} } \ sigma^{a} -i {\ tfrac {1} {2}} g'B _ {\ mu} \ oikea) \ phi \ oikea |^{2}+\ mu _ {\ teksti {H}}^ {2} \ phi ^{\ tikari} \ phi -\ lambda \ vasen (\ phi ^{\ tikari} \ phi \ oikea) ^{2} \,}

missä ja missä ovat SU (2) - ja U (1) -symmetrien mittaribosonit ja niiden kytkentävakiot , ovat Pauli -matriisit (SU (2) -symmetrian täydelliset generaattorit) ja ja niin, että maa tila rikkoo SU (2) -symmetrian (katso kuva). ${\ displaystyle W _ {\ mu \, a}}$ ${\ displaystyle B _ {\ mu}}$ ${\ displaystyle g}$ ${\ displaystyle g '}$ ${\ displaystyle \ sigma ^{a}}$ ${\ displaystyle \ lambda> 0}$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {H}}^{2}> 0}$

Higgs -kentän perustila (potentiaalin pohja) on rappeutunut ja eri perustilat liittyvät toisiinsa SU (2) -mittarin muunnoksella. On aina mahdollista valita mittari , joka on perustilassa . Odotusarvo perustilassa (jäljempänä tyhjiö odotusarvo tai VEV) on sitten , jos . Tämän parametrin mitattu arvo on ~ ${\ displaystyle \ phi ^{1} = \ phi ^{2} = \ phi ^{3} = 0}$ ${\ displaystyle \ phi ^{0}}$ ${\ displaystyle \ left \ langle \ phi ^{0} \ right \ rangle = {\ tfrac {1} {\ sqrt {2 \,}}} v}$ ${\ displaystyle v = {\ tfrac {1} {\ sqrt {\ lambda \,}}} \ vasen | \ mu _ {\ teksti {H}} \ oikea |}$ 246 GeV/ c ² . Siinä on massayksiköitä, ja se on vakiomallin ainoa vapaa parametri, joka ei ole mitaton luku. Toisen asteen termit ja syntyvät, jotka antavat massoja W- ja Z -bosoneille: ${\ displaystyle W _ {\ mu}}$ ${\ displaystyle B _ {\ mu}}$

{\ displaystyle {\ begin {aligned} m _ {\ text {W}} & = {\ tfrac {1} {2}} v \ left | \, g \, \ right | \, \\ m _ {\ text { Z}} & = {\ tfrac {1} {2}} v {\ sqrt {g^{2}+{g '}^{2} \}} \, \ end {aligned}}}

niiden suhde määrittää Weinbergin kulman , ja jättää massattoman U (1) fotonin , . Itse Higgsin bosonin massa on annettu ${\ texttyle \ cos \ theta _ {\ text {W}} = {\ frac {m _ {\ text {W}}} {\ m _ {\ text {Z}} \}} = {\ frac {\ left | \, g \, \ oikea |} {\ {\ sqrt {g^{2}+{g '}^{2} \}} \}}}$ ${\ displaystyle \ gamma}$

{\ displaystyle m _ {\ text {H}} = {\ sqrt {2 \ mu _ {\ text {H}}^{2} \}} \ equiv {\ sqrt {2 \ lambda v^{2} \} }.}

Kvarkit ja leptonit ovat vuorovaikutuksessa Higgs -kentän kanssa Yukawan vuorovaikutustermien kautta :

{\ displaystyle {\ begin {aligned} {\ mathcal {L}} _ {\ text {Y}} = &-\ lambda _ {u} ^{i \, j} {\ frac {\ \ phi ^{0 } -i \ phi^{3} \} {\ sqrt {2 \}}} {\ overline {u}} _ {\ text {L}}^{i} u _ {\ text {R}}^{j }+\ lambda _ {u} ^{i \, j} {\ frac {\ \ phi ^{1} -i \ phi ^{2} \} {\ sqrt {2 \}}} {\ overline {d }} _ {\ text {L}}^{i} u _ {\ text {R}}^{j} \\ &-\ lambda _ {d}^{i \, j} {\ frac {\ \ phi ^{0}+i \ phi ^{3} \} {\ sqrt {2 \}}} {\ overline {d}} _ {\ text {L}} ^{i} d _ {\ text {R}} ^{j}-\ lambda _ {d} ^{i \, j} {\ frac {\ \ phi ^{1}+i \ phi ^{2} \} {\ sqrt {2 \}}} {\ overline {u}} _ {\ text {L}}^{i} d _ {\ text {R}}^{j} \\ &-\ lambda _ {e}^{i \, j} {\ frac { \ \ phi ^{0}+i \ phi ^{3} \} {\ sqrt {2 \}}} {\ overline {e}} _ {\ text {L}} ^{i} e _ {\ text { R}} ^{j}-\ lambda _ {e} ^{i \, j} {\ frac {\ \ phi ^{1}+i \ phi ^{2} \} {\ sqrt {2 \}} } {\ overline {\ nu}} _ {\ text {L}}^{i} e _ {\ text {R}}^{j}+{\ textrm {hc}} \, \ end {aligned}}}

jossa on vasenkätinen ja oikeakätinen kvarkkia ja leptoneiden, että $i$ : nnen sukupolven , ovat matriiseja Yukawa kytkentöjen jossa hc tarkoittaa hermiteä konjugaatti kaikki edellä ehdot. Symmetriaa rikkovassa perustilassa vain sisältäneet termit jäävät jäljelle, jolloin syntyy massaehtoja fermioneille. Pyörittämällä kvarkki- ja leptonikenttiä pohjaan, jossa Yukawa -kytkinten matriisit ovat lävistäjiä, saadaan ${\ displaystyle (d, u, e, \ nu) _ {\ text {L, R}}^{i}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {\ text {u, d, e}}^{i \, j}}$ ${\ displaystyle \ phi ^{0}}$

{\ displaystyle {\ mathcal {L}} _ {\ text {m}} =-m _ {\ text {u}}^{i} {\ overline {u}} _ {\ text {L}}^{i } u _ {\ text {R}}^{i} -m _ {\ text {d}}^{i} {\ overline {d}} _ {\ text {L}}^{i} d _ {\ text { R}}^{i} -m _ {\ text {e}}^{i} {\ overline {e}} _ {\ text {L}}^{i} e _ {\ text {R}}^{i }+{\ textrm {hc}},}

missä fermionien massat ovat ja merkitsevät Yukawa -matriisien ominaisarvoja. ${\ displaystyle m _ {\ text {u, d, e}}^{i} = {\ tfrac {1} {\ sqrt {2 \}}} \ lambda _ {\ text {u, d, e}}^ {i} v}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {\ text {u, d, e}}^{i}}$

Katso myös

Vakiomalli

Higgsin mekanismi
Kvanttikenttäteorian historia
Johdanto kvanttimekaniikkaan- Ei-tekninen johdanto kvanttifysiikkaan
Ei -kommutatiivinen vakiomalli
ja ei -kommutatatiivinen geometria
Vakiomallin matemaattinen muotoilu - Hiukkasfysiikan mallin matematiikka
- Vakiomallikenttien yleiskatsaus
- massatermit ja Higgsin mekanismi
Kvanttimittariteoria
W- ja Z -bosonit - Alkeishiukkaset; mittarit, jotka välittävät heikkoa vuorovaikutusta

Muut

Bose – Einstein -tilastot - Kuvaus bosonien käyttäytymisestä
Dalitzin juoni
Particle Fever , amerikkalainen dokumenttielokuva 2013, joka seuraa erilaisia LHC -kokeita ja päättyy Higgsin bosonin tunnistamiseen
Quantum triviality - Mahdollinen tulos fysiikan renormalisoinnista
Scalar boson - Boson, jonka spin on nolla
Stueckelbergin toimintaa
Tachyonic -kenttä - Kenttä, jolla on kuvitteellinen massa* ZZ diboson

Huomautuksia

Viitteet

Bernstein, Jeremy (tammikuu 1974). "Spontaani symmetrian rikkoutuminen, mittariteoriat, Higgsin mekanismi ja kaikki tämä" (PDF) . Arvioita nykyaikaisesta fysiikasta . 46 (1): 7–48. Bibcode : 1974RvMP ... 46 .... 7B . doi : 10.1103/RevModPhys.46.7 . Arkistoitu alkuperäisestä (PDF) 21. tammikuuta 2013 . Haettu 10. joulukuuta 2012 .

Peskin, Michael E .; Schroeder, Daniel V. (1995). Johdanto kvanttikenttäteoriaan . Reading, MA: Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 978-0-201-50397-5.

Griffiths, David (2008). Johdatus alkeispartikkeleihin (2. tarkistettu toim.). WILEY-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2.

Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2003). Moderni fysiikka . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4345-3.

Lue lisää

Nambu, Yoichiro ; Jona-Lasinio, Giovanni (1961). "Alkuainehiukkasten dynaaminen malli, joka perustuu analogiaan suprajohtavuuden kanssa" . Fyysinen katsaus . 122 (1): 345–358. Bibcode : 1961PhRv..122..345N . doi : 10.1103/PhysRev.122.345 .
Anderson, Philip W. (1963). "Plasmonit, mittari -invarianssit ja massa". Fyysinen katsaus . 130 (1): 439–442. Bibcode : 1963PhRv..130..439A . doi : 10.1103/PhysRev.130.439 .
Klein, Abraham ; Lee, Benjamin W. (1964). "Merkitseekö symmetrian spontaani hajoaminen nollan massan hiukkasia?". Fyysiset tarkastelukirjeet . 12 (10): 266–268. Bibcode : 1964PhRvL..12..266K . doi : 10.1103/PhysRevLett.12.266 .
Gilbert, Walter (1964). "Rikkoutuneet symmetriat ja massattomat hiukkaset". Fyysiset tarkastelukirjeet . 12 (25): 713–714. Bibcode : 1964PhRvL..12..713G . doi : 10.1103/PhysRevLett.12.713 .
Higgs, Peter (1964). "Rikkoutuneet symmetriat, massattomat hiukkaset ja mittarikentät". Fysiikan kirjeet . 12 (2): 132–133. Bibcode : 1964PhL .... 12..132H . doi : 10.1016/0031-9163 (64) 91136-9 .
Guralnik, Gerald S .; Hagen, CR ; Kibble, Tom WB (1968). "Rikkoutuneet symmetriat ja Goldstonen lause" . Julkaisussa RL Cool ja RE Marshak (toim.). Advances in Physics, Voi. 2 . Interscience Publishers . s. 567–708. ISBN 978-0-470-17057-1.
Sean Carroll (2013). Hiukkanen maailmankaikkeuden lopussa: Kuinka Higgsin Bosonin metsästys johtaa meidät uuden maailman äärelle . Dutton. ISBN 978-0-14-218030-3.
Jakobs, Karl; Seez, Chris (2015). "Higgsin Bosonin löytö" . Scholarpedia . 10 (9): 32413. doi : 10.4249/scientistpedia.32413 .

Ulkoiset linkit

Suosittu tiede, joukkotiedotusvälineet ja yleinen näkyvyys

Higgs Bosonin havainto CERN: ssä
Metsästää Higgs Bosonia CMS -kokeessa, CERN: ssä
Higgsin Boson CERNin tutkimuskeskuksessa.
Particle Fever , dokumenttielokuva Higgs Bosonin etsimisestä.
The Atom Smashers , dokumenttielokuva Higgs Bosonin etsimisestä Fermilabissa.
Artikkeleita kerätty Guardianille
Video (04:38) - CERN -ilmoitus 4. heinäkuuta 2012 löydetystä hiukkasesta, jonka epäillään olevan Higgs Boson.
Video1 (07:44 ) + Video2 (07:44) - Higgs Boson selittää CERNin fyysikko, tohtori Daniel Whiteson (16. kesäkuuta 2011).
HowStuffWorks: Mikä tarkalleen on Higgs Boson?
Carroll, Sean . "Higgs Boson ja Sean Carroll" . Kuusikymmentä symbolia . Nottinghamin yliopisto.
Overbye, Dennis (5. maaliskuuta 2013). "Chasing the Higgs Boson: Kuinka kaksi CERNin kilpailijaryhmää etsivät fysiikan vaikeinta partikkelia" . New York Times Science -sivut . Haettu 22. heinäkuuta 2013 . - New York Timesin "kulissien takana" -tyylinen artikkeli Higgsin hausta ATLASissa ja CMS: ssä
PRL -asiakirjojen kirjoittajien ja muiden läheisesti liittyvien Higgs -teorian tarina:
- Higgs, Peter (2010). "Elämäni bosonina" (PDF) . Puhe pidetty Kings Collegessa, Lontoo, 24. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä (PDF) 4. marraskuuta 2013 . Haettu 17. tammikuuta 2013 .(myös: Higgs, Peter (24 Marraskuu 2010). "Elämäni bosoni: Tarina "Higgsin " ". International Journal of Modern Physics . 17 : 86-88. Bibcode : 2002IJMPA..17S..86H . doi : 10,1142 / S0217751X02013046 .)
- Kibble, Tom (2009). "Englert – Brout – Higgs – Guralnik – Hagen – Kibble -mekanismi (historia)" . Scholarpedia . Haettu 17. tammikuuta 2013 .(myös: Kibble, Tom (2009). "Englert.Lähistöllä-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-nappulat mekanismi (historia)" . Scholarpedia . 4 (1): 8741. Bibcode : 2009SchpJ ... 4.8741K . doi : 10,4249 / 8741 .)
- Guralnik, Gerald (2009). "Guralnikin, Hagenin ja Kiblen spontaanin symmetrian rikkomisen ja mittarihiukkasten teorian kehityksen historia". International Journal of Modern Physics . 24 (14): 2601–2627. arXiv : 0907.3466 . Bibcode : 2009IJMPA..24.2601G . doi : 10.1142/S0217751X09045431 . S2CID 16298371 ., Guralnik, Gerald (2011). "Spontaanin symmetrian rikkoutumisen alku hiukkasfysiikassa. DPF-2011-konferenssin artikkelit, Providence, RI, 8. – 13. Elokuuta 2011". arXiv : 1110.2253v1 [ fysiikka.hist-ph ].ja Guralnik, Gerald (2013). "Harhaoppisia ideoita, jotka muodostivat kulmakiven hiukkasfysiikan vakiomallille". SPG Mitteilungen, maaliskuu 2013, nro 39, (s. 14), ja keskustelu Brownin yliopistossa vuoden 1964 PRL -lehdistä
- Philip Anderson (ei yksi PRL -kirjoittajista) suprajohtavuuden symmetrian rikkoutumisesta ja sen siirtymisestä hiukkasfysiikkaan ja PRL -papereihin
Sarjakuva etsinnästä
Cham, Jorge (19. helmikuuta 2014). "True Tales from the Road: The Higgs Boson Repla Explained" . Kasattu korkeammalle ja syvemmälle . Haettu 25. helmikuuta 2014 .
Higgs Boson , BBC Radio 4 keskustelu Jim Al-Khalilin, David Warkin ja Roger Cashmoren kanssa ( In Our Time , 18. marraskuuta 2004)

Merkittäviä papereita ja muuta

"Uuden hiukkasen havainto etsiessään Higgsin standardimallia bosonia ATLAS -ilmaisimella LHC: ssä". Physics Letters B . 716 (2012): 1–29. 2012. arXiv : 1207.7214 . Bibcode : 2012PhLB..716 .... 1A . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.020 . S2CID 119169617 .
"Uuden bosonin havaitseminen 125 GeV: n massalla CMS -kokeella LHC: ssä". Physics Letters B . 716 (2012): 30–61. 2012. arXiv : 1207.7235 . Bibcode : 2012PhLB..716 ... 30C . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.021 .
Partikkelitietoryhmä: Katsaus Higgs Bosonien hauista.
2001, avaruusajan odysseia: Michiganin teoreettisen fysiikan keskuksen avajaiskonferenssin julkaisut : Michigan, 21. – 25. Toukokuuta 2001, (s. 86–88), toim. Michael J.Duff, James T.Liu , ISBN 978-981-238-231-3 , joka sisältää Higgsin tarinan Higgs Bosonista.
Migdal, AA; Polyakov, AM (1966). "Vahvan vuorovaikutussymmetrian spontaani hajoaminen ja massattomien hiukkasten puuttuminen" (PDF) . Neuvostoliiton fysiikka JETP . 24 (1): 91. Bibcode : 1967JETP ... 24 ... 91m . S2CID 34510322 . Arkistoitu alkuperäisestä (PDF) 21. syyskuuta 2018 saakka. - esimerkki vuoden 1966 venäläisestä aiheesta.

Johdanto alaan

Electroweak Symmetry Breaking - Elektronisen heikon symmetrian rikkomisen pedagoginen johdanto monien avainsuhteiden vaiheittaisilla johdannaisilla, Robert D.Klauber, 15. tammikuuta 2018 (arkistoitu Wayback Machine)
Spontaani symmetrian rikkominen, mittariteoriat, Higgsin mekanismi ja kaikki tämä (Bernstein, Reviews of Modern Physics, tammikuu 1974) - 47 sivun johdanto, joka kattaa Higgsin teorioiden kehityksen, historian ja matematiikan vuosina 1950–1974.

Languages

In other projects