Higgs10:Opfinder fremtiden for Higgs-forskning

I 1975 foretog tre CERN-teoretikere, John Ellis, Mary K. Gaillard og Dimitri Nanopoulos, den første omfattende undersøgelse af Higgs-bosonens kolliderende fænomenologi. Næsten 40 år senere blev det opdaget ved LHC. Nu, ti år senere, kan vi have en sådan langsigtet fremsyn i at forudse de forskellige veje, som fremtidig Higgs-forskning kan følge?

Den 4. juli 2022, mens jeg nyder de mange smukke præsentationer på Higgs@10-symposiet, blev en sætning ved med at klinge i mine ører:"Kompatibel med forudsigelser af standardmodel (SM). Alarmklokkerne ringede. Virkelig? Er vi sikre? Hvorvidt Higgs er SM-lignende eller ej, er et spørgsmål, der vil forme Higgs-forskningens eksperimentelle fremtid.

Vi kan kvantificere et svar gennem sproget i effektiv feltteori, som er en matematisk manifestation af forestillingen om, at den mest effektive måde at beskrive et objekt på afhænger af længdeskalaen, du ser det fra. For astronauter beskrives Jorden meget effektivt som en glat kugle. For sommerstuderende på vandretur til Le Reculet er det ikke. Det samme gælder kvanteverdenen. Langt fra et neutralt atom fremstår det effektivt som en punktlignende partikel med nogle resterende multipolære interaktioner med fotoner. På kortere afstande, når man kommer ind blandt elektronerne, fejler denne beskrivelse fuldstændig.

Ditto Higgs. Uanset hvad der foregår derinde, ved energier tæt nok på mh, beskrives det effektivt som en punktpartikel med en håndfuld yderligere "operatorer", som i det væsentlige er nye partikelinteraktioner, der ikke er indeholdt i SM (ikke med på krus eller T-shirt), men involverer SM-partikler. Ved øjet kan astronauten muligvis se nogle træk på Jorden og antage, at der kan være bjerge, men de kunne faktisk ikke estimere elevernes højdestigning. På samme måde kan ikke-SM Higgs-operatører fange resteffekterne på lang afstand af Higgs' mikroskopiske indre, men ikke afsløre deres fulde herlighed i detaljer. Hvis alle disse ekstra operatører forsvinder, er Higgs SM-lignende. Lad os overveje to håndplukkede eksempler og undersøge, hvor SM-lignende Higgs er...

Hvor "fuzzy" er det? Er det punkt-agtigt ned til de mindste afstandsskalaer eller er det ligesom pionen opbygget af andre endnu uidentificerede nye partikler? I sidstnævnte tilfælde, meget som for pionerne og deres kvarker og gluoner, ville direkte observation af de nye ting kræve at gå til højere energier. Alternativt kunne den være punktlignende, men at undersøge den nøje kan afsløre de afslørende spor af en sky af nye partikler, som den interagerer med. For din interesse er operatoren, der kan fange disse egenskaber, skrevet (∂μ|H|2)2. Hvis den forsvinder, er Higgs helt punktlignende. Hvis ikke, er det mere sløret end forventet. Hvor sløret er det? Nuværende LHC Higgs koblingsmålinger tyder på, at den er effektivt punktlignende ned til en længdeskala blot en faktor tre under den elektrosvage skala. Det kunne stadig være meget uklart! Så sløret som en pion. Hvis ja, næppe en SM-lignende Higgs! Vi skal gøre det bedre, og gennem meget mere præcise koblingsmålinger på 0,2 %-niveauet kan en fremtidig Higgs-fabrik som FCC-ee afgøre, om Higgs er punktlignende så langt nede som 6 %-niveauet.

Finder Higgs sig attraktiv? Ja, ifølge SM. Nye partikler betyder nye kræfter, og derfor følger det, at hvis Higgs-bosonen interagerer med nye tunge partikler, vil de generere en ny kraft mellem Higgs og sig selv. Operatøren, der effektivt fanger dette, er |H|6, og det former bogstaveligt talt den måde, hvorpå Higgs-feltet gav masse til partikler under selve vort univers' begyndelse! Så hvor SM-agtig er Higgs selvtiltrækning? Med de nuværende eksperimentelle begrænsninger ved vi, at Higgs-selvtiltrækningen kan være 530 % stærkere end SM-værdien (ikke blot selvtiltrækning, mere som direkte forfængelighed) eller endda -140 % mindre (selvafvisende, mere lignende). Næppe SM-agtigt i begge tilfælde! For at have nogen idé om, hvorvidt selvtiltrækningen er SM-agtig, skal vi gøre det meget bedre. En fremtidig facilitet, såsom FCC-hh, CLIC eller en myon-kollider, kunne undersøge selvtiltrækningen på det meget mere præcise 5 %-niveau.

Tålmodighed er en dyd; selvtilfredshed er det ikke. Det er alt for tidligt at kalde tid i baren for Higgs-bosonen. Hvem ved, måske bliver vi endda serveret med noget helt uventet, som et nyt vindue ind i universets mørke sektor. Det vil tage tid (målt i årtier) og en masse hårdt arbejde at virkelig udforske alle facetter af Higgs-bosonens natur, forstå om det er SM-lignende eller ej. Men det kan og bør gøres. Dette er Higgs-forskningens eksperimentelle fremtid, som vi ser frem til.

Når det er sagt, er det ingen hemmelighed, at mange teoretikere forventede, at Higgs var meget mindre SM-lignende, end det ser ud til at være allerede. Behørigt kløede hoveder er et teoretisk statskup nu stille undervejs. Der var gode grunde til at forvente noget andet:først og fremmest hierarkiproblemet. Dette problem er ikke blot æstetisk. SM'en nedbrydes ved høje energier og giver i sidste ende patologiske forudsigelser, så det kan kun være en langdistance effektiv feltteoribeskrivelse af noget andet mere fundamentalt. Hvis Higgs-massen, som det var tilfældet for pioner, bestemmes af de mere fundamentale parametre, så er der for Higgs ingen mekanisme til at holde den lettere end masseskalaen for de nye partikler i den teori. Alligevel fortæller kolliderer os, at der er et hul mellem massen af ​​Higgs og de nye partiklers masse. Tidligere motiverede dette opdagelsen og udviklingen af ​​nye mekanismer til at forklare en let Higgs, såsom den ærede lavskala-supersymmetri, der hidtil ikke var vist på LHC-fysikfesten, med dens medfølgende ikke-SM-lignende Higgs.

Groft vækket af syndfloden af ​​eksklusionsplaner, kaffen lugtede modvilligt, har teoretikere i de senere år fremsat, hvad der godt kunne vise sig at være revolutionære teoretiske udviklinger. Hierarkiproblemet er ikke forsvundet, og det er dataene heller ikke, så de andre grundlæggende antagelser, der er skjult indsprøjtet i de gamle teorier, ofte knyttet til symmetri eller æstetiske principper såsom enkelhed eller minimalitet, er blevet afhørt og fundet mangelfulde. Som svar er der blevet udviklet uforfærdede nye klasser af teorier, der kan løse hierarkiproblemet, mens de er i overensstemmelse med alle disse generende eksklusionsplot. De spænder fra relativt beskedne konceptuelle justeringer af eksisterende strukturer, til opgivelsen af ​​æstetiske principper og derefter helt ud på den anden side til forsøg på at forbinde Higgs-massen med universets oprindelse, kosmologi, naturen af ​​Big Bang og , i yderste konsekvens, spekulationer om mulige forbindelser mellem Higgs-massen og selve livets eksistens. You name it, vi går dristigt.

Det er ikke et fait accompli. Ingen af ​​disse ideer er så berusende som supersymmetri eller så fordummende som ekstra dimensioner, der hver især efterlader dem, der studerer dem, med mere en "se dette rum"-følelse end den "eureka", som Arkimedes nød. Forskelligt er de ikke radikale nok, for radikale eller simpelthen ikke til at smage. Intet Goldilocks-øjeblik endnu. Men efter min mening er disse spørgsmål grund til håb. I lignende øjeblikke i fortiden har vi i det væsentlige været på rette vej, idet vi har måttet vente lidt længere end forventet på de bekræftende eksperimentelle data (topkvark). På andre tidspunkter har de rigtige ideer været for radikale til, at de fleste kan klare det på én gang (kvantemekanik). Men for andre sygnede de korrekte tilgange hen i relativ uklarhed alt for længe, ​​simpelthen fordi de ikke var à la mode (kvantefeltteori). Slå op i citatoptegnelserne fra de originale Brout-Englert, Higgs, Guralnik-Hagen-Kibble papirer eller Weinbergs "A Model of Leptons", som alle er grundlæggende for Higgs bosonens fysik, og du vil se, at de er vigtige eksempler. som vi gør klogt i at huske. Naturen gav ingen løfter om, at det skulle have været let at forstå Higgs' oprindelse, og det burde det heller ikke være i fremtiden, men historien lærer, at dem, der udforsker ubønhørligt og frygtløst, ofte er dem, der belønnes med den største pris af alle:sandheden.

Hvor vil alt dette gå hen i de kommende år? Vil vi være ihærdige nok til at bygge acceleratoren, detektorerne og landsbyen, der skal til for at måle Higgs selvtiltrækning eller opdage Higgs uklarhed? Vil nogle smarte teoretikere låse døren op til den grundlæggende teori ud over SM? Vil fremtidige fænomenologer lægge de første grundsten på vejen til at opdage det?

Som Dennis Gabor, holografiens opfinder, udtrykte det:"Fremtiden kan ikke forudsiges, men fremtider kan opfindes." Vi arbejder på det. + Udforsk yderligere

ATLAS og CMS frigiver resultater af de hidtil mest omfattende undersøgelser af Higgs bosons egenskaber