Joseph Norman
0 
3698
5
Dnes je dobrý den pro fyziku.
Dva nové výsledky zveřejněné dnes (4. června) zjistily, že se objevil Higgsův boson spolu s nejtěžší částicí, která byla kdy objevena. A výsledky by nám mohly pomoci lépe porozumět jednomu z nejzákladnějších problémů ve fyzice - proč hmota má hmotu.
Výsledky byly zveřejněny na konferenci Physics Large Hadron Collider Physics 2018 v italské Boloni. Objev byl nezávisle proveden dvěma experimenty (Toroidální LHC aparát nebo ATLAS a kompaktní muon solenoid nebo CMS) s využitím dat zaznamenaných ve velkém hadronovém kluzáku (LHC), který se nachází v laboratoři CERN ve Švýcarsku. Tyto výsledky jsou veřejnosti k dispozici ve dvou dokumentech, jeden právě předložený k publikaci a druhý právě zveřejněný.
Lov na mši
Lov Higgsů a původ masy mají fascinující historii. V roce 1964 předpovědělo několik skupin vědců, včetně britského fyzika Petera Higgse a belgického fyzika Francoise Englerta, že hmota základních subatomových částic vznikla interakcemi s energetickým polem, které se nyní nazývá Higgsovo pole. Energetické pole prostupuje vesmírem. Částice, které interagují více s polem, jsou masivnější, zatímco jiné interagují málo s polem a některé ne vůbec. Důsledkem této predikce je, že by měla existovat subatomická částice zvaná Higgsův boson. [6 Důsledky nalezení Higgsova bosona]
Po téměř 50 letech hledání našli vědci na LHC v roce 2012 Higgsův boson. Higgs a Englert za svou úspěšnou předpověď předali Nobelovu cenu za fyziku za rok 2013.
Nejtěžší známá základní subatomická částice je top kvark, objevený v roce 1995 ve Fermilabu, ležící západně od Chicaga. Existuje šest známých kvarků. Dva jsou stabilní a nacházejí se ve středu protonů a neutronů. Další čtyři jsou nestabilní a jsou vytvářeny pouze ve velkých urychlovačích částic. Jeden top kvark má hmotnost srovnatelnou s atomem wolframu.
Nepolapitelné měření
V dnešním oznámení vědci popsali třídu srážek, ve které byl vytvořen pár top kvark / antihmota společně s Higgsovým bosonem. Tyto srážky umožňují vědcům přímo měřit sílu interakce mezi Higgsovými bosony a top kvarky. Protože interakce částice s Higgsovým polem je tím, co dává částici její hmotu, a protože horní kvark je nejmasivnější základní subatomickou částicí, Higgsův boson interaguje nejsilněji s top kvarkem. V souladu s tím jsou interakce tohoto druhu ideální laboratoří, ve které se provádějí podrobné studie o původu hmoty.
Toto měření bylo obzvláště náročné. Objev bosonu Higgs v roce 2012 zahrnoval jen hrst kolizí. Srážky, ve kterých se současně produkují jak Higgsovy bosony, tak i top kvarky, se vyskytují pouze u 1 procenta srážek, při nichž je produkován Higgsův boson. Když jeden zahrnuje velké množství způsobů, jak se top kvarky mohou rozkládat, tato analýza vyžadovala desítky nezávislých analýz, zahrnujících stovky vědců. Analýzy byly poté spojeny do jednoho měření. To byl velmi obtížný úspěch.
Před tímto měřením nebylo možné přímo měřit interakční sílu vrchního kvarku a Higgsových bosonů. Higgsovy bosony mají hmotnost 125 GeV (miliarda elektronových voltů) a horní kvark má hmotnost 172 GeV. Takže pár top kvark / antiquark má hmotnost 344 GeV, což je větší než hmotnost Higgsova bosonu. Je proto nemožné, aby se Higgsův boson rozpadl na pár top kvark / antiquark. Místo toho se vytvoří pár top kvark / antikvark a jedna z těchto dvou částic emituje Higgsův boson. Každý top kvark se rozpadne na tři částice a Higgsův boson se rozpadne na dvě. Po rozpadu částic je tedy v detektoru nalezeno osm různých produktů rozpadu, které musí být správně přiřazeny. Je to velmi složitá sada dat. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Nejmenší rozptýlené částice přírody]
Je to také velmi vzácný druh interakce. Vědci prosadili srážky mezi čtyřmi miliony (10 zvýšených na 15 sil), aby identifikovaly pouhou hrst kolizí s požadovanými charakteristikami.
Zbytková tajemství
Zatímco objev Higgsova bosonu a následná měření vedou vědce k přesvědčení, že teorie poprvé napsaná v roce 1964 Higgsem a Englertem a dalšími je správná, přetrvávají některá významná zbytková tajemství. Mezi nimi: Proč má Higgsův boson hmotnost, kterou má? A proč vůbec existuje pole Higgs? Především je to skutečnost, že Higgsova teorie není motivována hlubším teoretickým rámcem. Jednoduše se přidá. Ve své nejjednodušší formě předpovídá Standardní model (což je hlavní teorie subatomických interakcí), že všechny základní subatomické částice jsou bezhmotné. To je v přímém rozporu s měřením. Do standardního modelu je přidána Higgsova teorie, podobně jako teoretická Band-Aid. Protože Higgsova teorie může vysvětlit množství těchto částic, Higgsova teorie byla nyní zahrnuta do standardního modelu.
Ale stále je to Band-Aid a to je neuspokojivý stav věcí. Možná studováním interakcí mezi Higgsovými bosony a částicemi, se kterými interagují nejsilněji, odhalíme určité chování, které ukazuje na hlubší a vysvětlující základní teorii.
Kromě toho je číselná hodnota hmotnosti Higgsova bosonu trochu záhadou. Higgsovo pole dává hmotu základním subatomovým částicím, včetně samotného Higgsova bosonu. Příběh je však složitější. Kvůli kvantovým mechanickým účinkům se Higgsův boson může dočasně přeměnit na jiné subatomické částice, včetně horního kvarku. Zatímco Higgsův boson je v tomto transmutovaném stavu, tyto dočasné částice mohou interagovat s Higgsovým polem, a tím nepřímo měnit hmotnost Higgsova bosonu. Když se tyto účinky vezmou v úvahu, předpovídaná a změřená hmotnost Higgsova bosonu je v divokém rozporu. Toto je naléhavé tajemství moderní fyziky a snad i lepší měření interakcí Higgsových bosonů osvětlí tento hlavolam..
Ačkoli dnešní oznámení zahrnuje pouze malé množství kolizí, při nichž vznikají top kvarky a Higgsovy bosony, v budoucnu bude možné tento proces studovat s mnohem větší přesností. LHC funguje skvěle, ale do konce roku 2018 dodá pouze 3 procenta dat, která se očekávají. Na konci roku 2018 bude LHC na dva roky odstavena kvůli modernizaci a modernizaci. V roce 2021 bude srážka pokračovat v operacích s pomstou, která bude fungovat až do roku 2030. V tomto období vědci očekávají, že zaznamená 30krát více údajů, než kolik bude shromážděno do konce tohoto roku..
Je těžké vědět, co najdeme. Detektory LHC a přidružené detektory jsou výjimečnými technologiemi a ve skutečnosti je pravděpodobné, že dodají ještě více dat, než se předpokládalo. S tak velkým množstvím údajů je docela možné, že vědci odhalí nějaký nový jev, který nebyl objeven, ale který bude vyžadovat, abychom přepsali učebnice. To není záruka, ale jedna věc je jistá: Dnešní oznámení stanoví jasnou cestu k lepšímu pochopení původu hmoty.
Poznámka editora: Don Lincoln je výzkumník fyziky ve společnosti Fermilab. Je autorem knihy „The Large Hadron Collider: Mimořádný příběh Higgsova bosona a dalších látek, které vám vyfouknou mysl“ (Johns Hopkins University Press, 2014), a produkuje řadu videí o přírodovědném vzdělávání.. Sledujte ho na Facebooku. Názory vyjádřené v tomto komentáři jsou jeho.