Fysiker Philip Harris på første observation af længe forudsagt Higgs bosonforfald

I dag, forskere ved CERN, Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning, har meddelt, at for første gang, de har observeret Higgs-bosonet forvandles til elementarpartikler kendt som bundkvarker, mens det henfalder. Fysikere har forudsagt, at dette er den mest almindelige måde, hvorpå de fleste Higgs-bosoner skulle henfalde, men indtil nu, det har været ekstremt svært at udvælge forfaldets subtile signaler. Opdagelsen er et væsentligt skridt i retning af at forstå, hvordan Higgs-bosonen giver masse til alle de fundamentale partikler i universet.

Forskerne gjorde deres opdagelse ved hjælp af ATLAS- og CMS-detektorerne, to store eksperimenter designet til at analysere højenergipartikelkollisioner genereret af CERNs Large Hadron Collider (LHC) - den største, den mest kraftfulde partikelaccelerator i verden.

Higgs bosoner, som først blev opdaget i 2012, er en utrolig sjældenhed, og produceres i kun én ud af hver milliard LHC-kollisioner. En gang smadret ind i eksistensen, partiklerne forsvinder næsten øjeblikkeligt, henfalder til en strøm af sekundære partikler. Fysikkens standardmodel, som er den mest accepterede teori til at beskrive vekselvirkningerne mellem de fleste partikler i universet, forudsiger, at næsten 60 procent af Higgs-bosonerne skulle henfalde til bundkvarker, elementarpartikler, der er omkring fire gange så massive som en proton.

Både ATLAS- og CMS-holdene brugte flere år på at forfine teknikker og inkorporere flere data i deres jagt på dette mest almindelige Higgs-boson-henfald. Begge eksperimenter bekræftede i sidste ende, at for første gang, de så tegn på, at en Higgs-boson henfaldt til en bundkvark, med en statistisk høj grad af tillid.

MIT fysikere i Laboratory for Nuclear Science har været involveret i at analysere og fortolke data til denne nye opdagelse, inklusive Philip Harris, adjunkt i fysik. MIT News talte med Harris, som også er medlem af CMS-eksperimentet, om den åndssvage søgen efter en forsvindende transformation, og hvordan den nye Higgs-opdagelse kan hjælpe fysikere til at forstå, hvorfor universet har masse.

Spørgsmål:Sæt denne opdagelse lidt i sammenhæng for os. Hvor betydningsfuldt er det, at dit hold har observeret Higgs-bosonen forfalde til bundkvarker?

A:Higgs-bosonen har to forskellige mekanismer:Den giver masse til kraftpartiklerne involveret i elektrosvage interaktioner, den kraft, der er ansvarlig for nuklear beta-henfald; og det giver masse til de fundamentale partikler inde i atomet, kvarkerne og leptonerne (såsom elektroner og myoner). På trods af at det er ansvarligt for begge mekanismer, Higgs-opdagelsen og de efterfølgende Higgs-egenskabsmålinger er stort set blevet udført med de elektrosvage kraftpartikler. Vi har først for nylig direkte observeret Higgs interaktioner med stof. Denne måling, Higgs-bosonen henfalder til en bundkvark, er første gang, vi direkte har observeret Higgs-til-kvark-interaktioner. Dette bekræfter, at kvarker faktisk får masse fra Higgs-mekanismen.

Spørgsmål:Hvor vanskelig var denne detektion at lave, og hvordan blev det endelig observeret?

A:Omtrent 60 procent af alle Higgs-henfald er til bundkvarker. Dette er den største enkelte henfaldskanal i Higgs-bosonen. Imidlertid, det er også den kanal, der har den største baggrund [støj fra omgivende partikler]. Afhængigt af hvordan du tæller det, den er omkring en million gange større end de kanaler, vi brugte til at opdage Higgs-bosonen.

Folk kan lide at sammenligne Higgs målinger med at finde en nål i en høstak. Her, Jeg tror, ​​at en mere passende analogi er et magisk øje-stereogram. Du leder efter en bred forvrængning i data, som er meget svær at se. Tricket med at prøve at se denne forvrængning er som et magisk øje:Du skal finde ud af, hvordan du fokuserer rigtigt.

For at kalibrere vores "fokus, "Vi så på den elektrosvage kraftpartikel, Z bosonen, og dets henfald til bundkvarker. Engang var vi i stand til at se Z-bosonen gå ind i bundkvarker, vi satte vores mål til Higgs bosonen, og der var det. Jeg bør understrege, at for at se denne forvrængning klart, var vi nødt til at stole på teknologi, der var i sin vorden på tidspunktet for opdagelsen af ​​Higgs-bosonen, herunder nogle af de seneste fremskridt inden for maskinlæring. Faktisk, for kun et par år siden blev det undervist i din standard partikelfysikklasse, at det var umuligt at observere Higgs henfald i nogle af disse kanaler.

Spørgsmål:Den oprindelige opdagelse af Higgs-bosonen er blevet udråbt som en skelsættende opdagelse, der i sidste ende vil afsløre mysteriet om, hvorfor atomer har masse. Hvordan vil denne nye opdagelse af Higgs-forfaldet hjælpe med at løse dette mysterium?

A:Efter Higgs boson opdagelse, vi har lært meget om, hvordan Higgs-mekanismen giver masse til forskellige partikler. Imidlertid, mange vil hævde, at efter Higgs-bosonopdagelsen, højenergifysik er blevet endnu mere interessant, fordi det begynder at se ud til, at vores konventionelle syn på partikelfysik ikke passer helt rigtigt.

En af de bedste måder at teste vores syn på er ved at måle egenskaberne af Higgs boson. Higgs-til-bund-kvark-henfaldet er afgørende for denne forståelse, fordi det giver os mulighed for direkte at undersøge egenskaberne af Higgs- og kvarkstof-interaktioner og på grund af dets store henfaldshastighed, hvilket betyder, at vi kan måle Higgs-bosonen i alle mulige scenarier, som ikke er mulige med andre henfaldstilstande.

Denne observation giver os et nyt og kraftfuldt værktøj til at undersøge Higgs-bosonen. Faktisk, som en del af denne måling, vi var i stand til at måle Higgs bosoner med energier over det dobbelte af energien af ​​de højeste Higgs bosoner tidligere observeret.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.