Vova Krasen
0 
1282
321
Astăzi este o zi bună pentru fizică.
Două noi rezultate lansate astăzi (4 iunie) au găsit bosonul Higgs apărând împreună cu cea mai grea particulă descoperită vreodată. Iar rezultatele ne-ar putea ajuta să înțelegem mai bine una dintre cele mai fundamentale probleme din fizică - de ce materia are masă.
Rezultatele au fost lansate în cadrul conferinței Large Hadron Collider Physics 2018 din Bologna, Italia. Descoperirea a fost realizată în mod independent prin două experimente (A Toroidal LHC Apparatus, sau ATLAS, și Compact Muon Solenoid, sau CMS) folosind datele înregistrate la Large Hadron Collider (LHC), localizat în laboratorul CERN din Elveția. Aceste rezultate sunt puse la dispoziția publicului în două lucrări, una tocmai trimisă spre publicare și una abia publicată.
Vânătoare pentru masă
Vânătoarea pentru Higgs și originile masei au o istorie fascinantă. În 1964, mai multe grupuri de oameni de știință, inclusiv fizicianul britanic Peter Higgs și fizicianul belgian Francois Englert, au prezis că masa particulelor fundamentale subatomice a apărut prin interacțiuni cu un câmp energetic acum numit câmpul Higgs. Câmpul energetic pătrunde în univers. Particulele care interacționează mai mult cu câmpul sunt mai masive, în timp ce altele interacționează puțin cu câmpul, iar unele deloc. O consecință a acestei predicții este că ar trebui să existe o particulă subatomică numită bosonul Higgs. [6 Implicații de găsire a bosonului Higgs]
După aproape 50 de ani de căutare, cercetătorii de la LHC au găsit bosonul Higgs în 2012. Pentru predicția de succes, Higgs și Englert au împărțit Premiul Nobel pentru fizică din 2013.
Cea mai grea particulă subatomică fundamentală cunoscută este quark-ul de top, descoperit în 1995 la Fermilab, situat chiar la vest de Chicago. Există șase quark-uri cunoscute. Două sunt stabile și se găsesc în centrul protonilor și neutronilor. Celelalte patru sunt instabile și sunt create doar în acceleratoarele de particule mari. Un singur quark de sus are o masă comparabilă cu un atom de tungsten.
Măsurarea evazivă
În anunțul de astăzi, oamenii de știință au descris o clasă de coliziuni în care a fost creată simultan o pereche de quark-top / antimaterie simultană cu un boson Higgs. Aceste coliziuni permit oamenilor de știință să măsoare direct puterea interacțiunii dintre bosonii Higgs și quarks de vârf. Deoarece interacțiunea unei particule cu câmpul Higgs este ceea ce conferă unei particule masa sa și deoarece quarkul superior este cea mai masivă particulă subatomică fundamentală, bosonul Higgs interacționează cel mai puternic cu quark-ul superior. În consecință, interacțiuni de acest gen sunt un laborator ideal în care să se facă studii detaliate despre originile masei.
Această măsurătoare a fost deosebit de provocatoare. Descoperirea bosonului Higgs în 2012 a implicat doar o mână de ciocniri. Coliziunile în care se produc simultan atât bosonii Higgs, cât și quarkurile superioare se întâmplă doar în 1 la sută din coliziunile în care este produs un boson Higgs. Când se include o mare varietate de moduri în care se pot descompune quark-urile de top, această analiză a necesitat zeci de analize independente, implicând sute de cercetători. Analizele au fost apoi combinate într-o singură măsurare. Aceasta a fost o realizare foarte dificilă.
Înainte de această măsurare, nu a fost posibil să se măsoare direct puterea de interacțiune a unui quark de sus și a bosonilor Higgs. Bosonii Higgs au o masă de 125 GeV (miliarde de electroni volți), iar quark-ul superior are o masă de 172 GeV. Deci, o pereche de quark / antiquark de top are o masă de 344 GeV, care este mai mare decât masa bosonului Higgs. Prin urmare, este imposibil ca un boson Higgs să se descompună într-o pereche de quark / antiquark de top. În schimb, se creează o pereche de quark / antiquark de top și una dintre aceste două particule emite un boson Higgs. Fiecare quark de top se descompune în trei particule, iar bosonul Higgs se descompune în două. Astfel, după descompunerea particulelor, se găsesc opt produse de descompunere diferite în detector, care trebuie alocate corect. Este un set de date foarte complex. [Ciudate și Muoane Ciudate, Oh My! Particele cele mai minuscule ale naturii disecate]
Este, de asemenea, un tip foarte rar de interacțiune. Oamenii de știință au trecut prin aproximativ un sfert de coliziuni (10 ridicate la 15 puteri) între perechi de protoni pentru a identifica o simplă mână de coliziuni cu caracteristicile necesare.
Mistere reziduale
În timp ce descoperirea bosonului Higgs și măsurătorile ulterioare îi determină pe cercetători să creadă că teoria scrisă prima dată în 1964 de Higgs și Englert și alții este corectă, rămân câteva mistere reziduale semnificative. Printre ei: De ce are bosonul Higgs masa pe care o face? Și de ce există deloc un câmp Higgs? În primul rând, este faptul că teoria Higgs nu este motivată de un cadru teoretic mai profund. Este adăugat pur și simplu. În forma sa cea mai simplă, Modelul Standard (care este teoria principală a interacțiunilor subatomice) prevede că toate particulele fundamentale subatomice sunt lipsite de masă. Aceasta este în contradicție directă cu măsurătorile. Teoria Higgs este adăugată, la fel ca un model teoretic de ajutor, la modelul standard. Deoarece teoria Higgs poate explica masa acestor particule, teoria Higgs a fost acum subsumată în cadrul modelului standard.
Dar este încă un ajutor de bandă și asta este o stare de fapt nesatisfăcătoare. Poate studiind interacțiunile dintre bosonii Higgs și particulele cu care interacționează cel mai puternic, vom descoperi un comportament care indică o teorie de bază mai profundă și mai explicativă.
În plus, valoarea numerică pentru masa bosonului Higgs este un pic de mister. Câmpul Higgs dă masă particulelor subatomice fundamentale, inclusiv bosonul Higgs în sine. Cu toate acestea, povestea este mai complexă decât asta. Din cauza efectelor mecanice cuantice, bosonul Higgs se poate transmuta temporar în alte particule subatomice, inclusiv quarkul superior. În timp ce bosonul Higgs se află în această stare transmutată, aceste particule temporare pot interacționa cu câmpul Higgs și, prin urmare, pot schimba indirect masa bosonului Higgs. Atunci când aceste efecte sunt luate în considerare, masa prevăzută și măsurată a bosonului Higgs este în dezacord sălbatic. Acesta este un mister apăsător pentru fizica modernă și, sperăm, măsurători mai bune ale interacțiunilor bosonilor Higgs vor arunca lumină asupra acestui conundru.
Deși anunțul de astăzi implică doar un număr mic de coliziuni în care se creează quark-uri de sus și bosonii Higgs, în viitor va fi posibil să studiem acest proces cu o precizie mult mai mare. LHC funcționează excelent, dar până la sfârșitul anului 2018, va fi livrat doar 3 la sută din datele pe care este de așteptat să le furnizeze. La sfârșitul anului 2018, LHC se va opri timp de doi ani pentru modernizări și renovări. În 2021, colizorul va relua operațiunile cu o răzbunare, care operează până în 2030. În această perioadă, oamenii de știință se așteaptă să înregistreze de 30 de ori mai multe date decât ar fi fost colectate până la sfârșitul acestui an..
Este greu de știut ce vom găsi. LHC și detectoarele asociate sunt piese extraordinare de tehnologie și, de fapt, este probabil ca acestea să furnizeze și mai multe date decât se prevedea. Cu atât de multe date, este foarte posibil ca oamenii de știință să descopere un fenomen nou care nu a fost descoperit, dar care va necesita ca noi să rescriem manualele. Aceasta nu este o garanție, dar un lucru este sigur: anunțul de astăzi stabilește o cale clară pentru a înțelege mai bine originile masei.
Nota editorului: Don Lincoln este cercetător în fizică la Fermilab. Este autorul „The Big Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), și produce o serie de videoclipuri despre educația științifică.. Urmărește-l pe Facebook. Opiniile exprimate în acest comentariu sunt ale sale.