Thomas Dalton
0 
1561
23
I dag er en god dag for fysik.
To nye resultater, der blev offentliggjort i dag (4. juni), har fundet, at Higgs-bosonen dukker op sammen med den tyngste partikel, der nogensinde er blevet opdaget. Og resultaterne kunne hjælpe os med bedre at forstå et af de mest grundlæggende problemer i fysik - hvorfor stof har masse.
Resultaterne blev frigivet på konferencen Large Hadron Collider Physics 2018 i Bologna, Italien. Opdagelsen blev uafhængigt gennemført ved to eksperimenter (A Toroidal LHC Apparatus, eller ATLAS, og Compact Muon Solenoid, eller CMS) ved anvendelse af data registreret ved Large Hadron Collider (LHC), der var placeret på CERN-laboratoriet i Schweiz. Disse resultater er tilgængelige for offentligheden i to artikler, et netop indsendt til offentliggørelse og et netop offentliggjort.
Jagt efter masse
Jakten på Higgs og massens oprindelse har en fascinerende historie. I 1964 forudsagde flere grupper af videnskabsmænd, inklusive den britiske fysiker Peter Higgs og den belgiske fysiker Francois Englert, at massen af grundlæggende subatomiske partikler opstod gennem interaktioner med et energifelt, der nu kaldes Higgs-feltet. Energifeltet gennemsyrer universet. Partikler, der interagerer mere med marken er mere massive, mens andre interagerer lidt med marken, og nogle slet ikke. En konsekvens af denne forudsigelse er, at der skulle eksistere en subatomær partikel kaldet Higgs boson. [6 Implikationer af Finding the Higgs Boson]
Efter næsten 50 års søgning fandt forskere ved LHC Higgs boson i 2012. For deres vellykkede forudsigelse delte Higgs og Englert 2013 Nobelprisen i fysik.
Den tungeste kendte grundlæggende subatomære partikel er den øverste kvark, der blev opdaget i 1995 ved Fermilab, beliggende lige vest for Chicago. Der er seks kendte kvarker. To er stabile og findes i midten af protoner og neutroner. De fire andre er ustabile og oprettes kun i store partikelacceleratorer. En enkelt topkvark har en masse, der kan sammenlignes med et atom af wolfram.
Undvigende måling
I dagens meddelelse beskrev videnskabsmænd en klasse af kollisioner, hvor et top-quark-stof / antimatterpar blev skabt samtidig med en Higgs-boson. Disse kollisioner giver forskere mulighed for direkte at måle interaktionsstyrken mellem Higgs bosoner og topkvarker. Fordi samspillet mellem en partikel og Higgs-feltet er det, der giver en partikel dens masse, og fordi det øverste kvark er den mest massive grundlæggende subatomiske partikel, interagerer Higgs-bosen stærkest med den øverste kvark. Derfor er interaktioner af denne art et ideelt laboratorium, hvor man kan foretage detaljerede undersøgelser af massens oprindelse.
Denne måling var især udfordrende. Opdagelsen af Higgs-bosonen i 2012 involverede blot en håndfuld kollisioner. Kollisioner, hvor både Higgs-bosoner og top-kvarker produceres samtidigt, sker kun i 1 procent af kollisionerne, hvor en Higgs-boson produceres. Når man inkluderer den store række måder, hvorpå topkvarkerne kan forfaldne, krævede denne analyse dusinvis af uafhængige analyser, der involverede hundredevis af forskere. Analyserne blev derefter kombineret til en enkelt måling. Dette var en meget vanskelig gennemførelse.
Før denne måling var det ikke muligt at måle interaktionsstyrken for en topkvark og Higgs-bosoner direkte. Higgs-bosoner har en masse på 125 GeV (milliarder elektron volt), og det øverste kvark har en masse på 172 GeV. Så et top-kvark / antikark-par har en masse på 344 GeV, hvilket er større end massen af Higgs-boson. Det er derfor umuligt for en Higgs-boson at nedbryde sig til et top-kvark / antikark-par. I stedet oprettes et øverste kvark / antikark-par, og en af disse to partikler udsender en Higgs-boson. Hver øverste kvark nedbrydes i tre partikler, og Higgs-bosen nedbrydes i to. Efter partikernes forfald findes der således otte forskellige henfaldsprodukter i detektoren, som skal tildeles korrekt. Det er et meget komplekst datasæt. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Naturens mindste partikler dissekeret]
Det er også en meget sjælden type interaktion. Forskere sigtede rundt omkring en firsæson (10 hævet til 15 magt) kollisioner mellem par af protoner for at identificere en simpel håndfuld kollision med de nødvendige egenskaber.
Rest mysterier
Mens opdagelsen af Higgs-bosonen og efterfølgende målinger får forskerne til at tro, at teorien først blev skrevet ned i 1964 af Higgs og Englert og andre er korrekt, er der stadig nogle betydelige resterende mysterier. Blandt dem: Hvorfor har Higgs boson den masse, den gør? Og hvorfor er der overhovedet et Higgs-felt? Først og fremmest er det faktum, at Higgs-teorien ikke er motiveret af en dybere teoretisk ramme. Det tilføjes ganske enkelt på. I sin enkleste form forudsiger standardmodellen (som er den førende teori om subatomiske interaktioner), at alle grundlæggende subatomiske partikler er masseløse. Dette er i direkte modsætning til målingerne. Higgs-teorien tilføjes, ligesom en teoretisk båndhjælp, til standardmodellen. Da Higgs-teorien kan forklare massen af disse partikler, er Higgs-teorien nu blevet underlagt inden for standardmodellen.
Men det er stadig en Band-Aid, og det er en utilfredsstillende situation. Måske ved at studere interaktioner mellem Higgs bosoner og de partikler, som de interagerer mest med, vil vi afsløre en vis adfærd, der peger på en dybere og mere forklarende underliggende teori.
Derudover er den numeriske værdi for massen af Higgs boson lidt af et mysterium. Higgs-feltet giver masse til grundlæggende subatomiske partikler, herunder Higgs-bosonen selv. Historien er dog mere kompliceret end det. På grund af kvantemekaniske effekter kan Higgs-bosen midlertidigt transmittere sig selv til andre subatomære partikler, inklusive topkvarken. Mens Higgs-bosonen er i denne transmuterede tilstand, kan disse midlertidige partikler interagere med Higgs-feltet og derved indirekte ændre Higgs-bosonens masse. Når disse effekter tages i betragtning, er den forudsagte og målte masse af Higgs boson i vild uenighed. Dette er et presserende mysterium for moderne fysik, og forhåbentlig vil bedre målinger af interaktioner mellem Higgs bosoner kaste lys over dette conundrum.
Selvom dagens meddelelse kun involverer et lille antal kollisioner, hvor topkvarker og Higgs-bosoner oprettes, vil det i fremtiden være muligt at studere denne proces med meget større præcision. LHC fungerer fremragende, men ved udgangen af 2018 vil den kun have leveret 3 procent af de data, den forventes at levere. I slutningen af 2018 lukker LHC i to år for opgraderinger og renoveringer. I 2021 genoptager collideren operationer med hævn og fungerer gennem 2030. I løbet af denne periode forventer forskere at registrere 30 gange flere data, end der er blevet indsamlet ved udgangen af dette år.
Det er svært at vide, hvad vi finder. LHC og tilhørende detektorer er ekstraordinære teknologier, og det er faktisk sandsynligt, at de leverer endnu flere data end forudsagt. Med så meget data er det meget muligt, at forskere vil afsløre noget nyt fænomen, som ikke er blevet opdaget, men som kræver, at vi omskriver lærebøgerne. Det er ikke en garanti, men en ting er sikkert: Dagens meddelelse indeholder en klar vej til bedre forståelse af massens oprindelse.
Redaktørens note: Don Lincoln er fysikforsker hos Fermilab. Han er forfatteren af "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), og han producerer en række videnskabsuddannelsesvideoer. Følg ham på Facebook. Synspunkterne i denne kommentar er hans.