Hvad kommer efter Higgs-bosonen

For ti år siden i denne uge bekræftede to internationale samarbejder mellem grupper af videnskabsmænd, herunder et stort kontingent fra Caltech, at de havde fundet afgørende beviser for Higgs-bosonen, en undvigende elementarpartikel, som først blev forudsagt i en række artikler offentliggjort i midten af 1960'erne, der menes at give elementarpartikler masse.

50 år før, da teoretiske fysikere forsøgte at forstå den såkaldte elektrosvage teori, som beskriver både elektromagnetisme og den svage kernekraft (involveret i radioaktivt henfald), blev det tydeligt for Peter Higgs, der arbejdede i Storbritannien, og uafhængigt for François Englert og Robert Brout, i Belgien, såvel som den amerikanske fysiker Gerald Guralnik og andre, at et tidligere uidentificeret felt, der fyldte universet, var påkrævet for at forklare opførselen af ​​de elementarpartikler, der udgør stof. Dette felt, Higgs-feltet, ville føre til en partikel med nul spin, betydelig masse og have evnen til spontant at bryde symmetrien i det tidligste univers, hvilket tillader universet at materialisere sig. Den partikel blev kendt som Higgs-bosonen.

I løbet af de årtier, der fulgte, udtænkte og udviklede eksperimentelle fysikere først de instrumenter og metoder, der var nødvendige for at opdage Higgs-bosonen. Det mest ambitiøse af disse projekter var Large Hadron Collider (LHC), som drives af European Organisation for Nuclear Research, eller CERN. Siden planlægningen af ​​LHC i slutningen af ​​1980'erne har U.S. Department of Energy og National Science Foundation arbejdet i samarbejde med CERN for at skaffe finansiering og teknologisk knowhow og for at støtte tusindvis af videnskabsmænd, der hjælper med at lede efter Higgs.

LHC er en 27 kilometer lang underjordisk ring, hvorigennem protoner accelereres af superledende magneter til lige under lysets hastighed. To stråler af protoner, der bevæger sig i modsatte retninger, er fokuseret og rettet til at kollidere med hinanden på bestemte punkter, hvor detektorer kan observere partiklerne produceret af disse kollisioner. Brugen af ​​større detektorfaciliteter med forskellige designs - primært Compact Muon Solenoid (CMS) og A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) - gør det muligt for forskere at udføre en lang række eksperimenter for at teste forudsigelserne af standardmodellen, som Higgs-bosonen af. er en del, at søge efter nye partikler og interaktioner, der ligger ud over standardmodellen, og at verificere hinandens resultater. Påvisningen af ​​Higgs-bosonet, annonceret den 4. juli 2012, var baseret på analysen af ​​en hidtil uset mængde data indsamlet af CMS og ATLAS.

Harvey Newman, Marvin L. Goldberger-professor i fysik ved Caltech og en af ​​lederne af Caltech-teamet, som er en del af CMS-samarbejdet, kalder opdagelsen af ​​Higgs-bosonen "en milepæl i menneskehedens historie", der "har ændret sig permanent". måden vi ser universet på."

Humoristisk kaldet "Gud-partiklen" i 1993 i en bog af samme navn af forfatterne Leon Lederman og Dick Teresi, spiller Higgs-bosonen en afgørende rolle i fysikkens standardmodel:den tilvejebringer den mekanisme, gennem hvilken elementarpartikler opnår masse. Når partikler krydser Higgs-feltet og interagerer med Higgs-bosoner, glider nogle over overfladen uden at ændre sig overhovedet. Men andre bliver så at sige fanget i ukrudtet og får masse.

Standardmodellen har endnu ikke forklaret mørkt stof eller gravitation tilstrækkeligt, men gang på gang er dens forudsigelser blevet bekræftet eksperimentelt. "Det er et slående og overraskende resultat, at aftalen med Standardmodellen gennem analysen af ​​stigende mængder data, med stadig mere følsomme metoder, er blevet ved med at forbedre sig i alle dens detaljer, selv som de første tegn på, hvad der ligger hinsides, i udtryk for nye partikler og nye interaktioner, er blevet ved med at undvige os," siger Newman.

Enhver afvigelse fra resultater forudsagt af standardmodellen antyder tilstedeværelsen af ​​andre partikler eller dynamik, der en dag kan danne grundlaget for en ny, mere altomfattende fysikmodel.

Kollisioner, der producerer Higgs-bosoner, er meget sjældne. For hver milliard proton-proton-kollisioner skabes kun én Higgs-boson. For yderligere at komplicere dette billede henfalder Higgs-bosoner meget hurtigt til andre partikler, og det er kun ved at måle disse partiklers egenskaber, at Higgs-bosonens tidligere eksistens kan udledes. Caltechs Maria Spiropulu, Shang-Yi Ch'en-professoren i fysik og den anden leder af det oprindelige hold af Caltech-forskere, der hjalp med at opdage Higgs, beskriver det som "den ordsprogede nål i høstakken-problemet."

Teknologiske forbedringer af LHC og dets detektorer har muliggjort højere energi og større præcision i kollidererne og deres detektorer. Siden opdagelsen af ​​Higgs-bosonen i 2012 har eksperimenter ved LHC afsløret yderligere information om Higgs-bosonen og dens masse- og henfaldsprocesser. For eksempel arbejdede Newman, Spiropulu og andre Caltech-forskere i 2018 sammen med et internationalt hold, der producerede beviser, der viste, at Higgs-bosonen henfalder til par af fundamentale partikler kaldet bundkvarker, arbejde, som Spiropulu på det tidspunkt beskrev som et "Herculean-arbejde." Forud for denne opdagelse lavede CMS-teamet den første observation af Higgs-bosonet, der koblede direkte til den tungeste standardmodelpartikel, topkvarken.

I 2020 dokumenterede Spiropulu og hendes kolleger en sjælden henfaldsproces for Higgs-bosonen, der resulterer i to myoner. "At undersøge Higgs-bosonens egenskaber er ensbetydende med at søge efter ny fysik, som vi ved skal være der," sagde Spiropulu.

"Jeg var lige ved at tage eksamen fra gymnasiet, da jeg hørte om Higgs-opdagelsen på LHC," siger Caltech-kandidatstuderende og CMS-teammedlem Irene Dutta (MS '20), der arbejdede på muonforskningen. "Det er ydmygende at vide, hvor godt standardmodellen kan beskrive elementarpartikler og deres interaktioner med en sådan præcision."

Senest har et Caltech-ledet team af forskere, der arbejder på CMS-eksperimentet, brugt maskinlæringsalgoritmer baseret på neurale netværk til at udvikle en ny metode til at jage efter, hvad der kan være et endnu mere undvigende bytte end Higgs selv:en yderst sjælden " par" af interagerende Higgs-bosoner, der ifølge teorien kunne produceres under protonkollisioner.

Efter en treårig nedlukning for yderligere at opgradere LHC-acceleratoren og eksperimenter, begyndte LHC de sidste forberedelser til en tredje kørsel (Kørsel 3) tidligt i 2022. Starten af ​​Kørsel 3, der er planlagt til at fortsætte til slutningen af ​​2025, vil finde sted den 5. juli, hvilket producerede de første kollisioner ved den nye energi på 13,6 tera-elektron-volt.

"Higgs-opdagelsen er en milepæl på en lang vej frem," siger Caltechs Barry Barish, Ronald og Maxine Linde professor i fysik, emeritus, den tidligere leder af Caltechs højenergifysikgruppe (og medvinder af Nobelprisen i fysik) i 2017 for sit arbejde på et andet storstilet fysikprojekt, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, eller LIGO, som foretog den første påvisning af krusningerne i rum og tid kendt som gravitationsbølger i 2016). "Partikelfysik bevæger sig fremad med tanke på, at standardmodellen kun beskriver en lille brøkdel af det, vi ved er der, og flere spørgsmål er ubesvarede end besvarede; ja, vi har en fantastisk simpel parametrisering i standardmodellen, men den faktiske oprindelse af den elektrosvage symmetribrud er ukendt. Vi har meget mere arbejde forude," siger Barish.

Efter at have reflekteret over et årti med at udforske Higgs-bosonen, bemærker Newman, at forskningen "fortsætter med at motivere os til at tænke hårdere og designe opgraderede detektorer og acceleratorforbedringer, der gør det muligt for os at udvide vores rækkevidde betydeligt nu og i de næste to årtier." Dette inkluderer den anden store fase af LHC-programmet, kendt som High Luminosity LHC, der er planlagt til at køre fra 2029 til 2040. Det vil give væsentlige opgraderinger af acceleratorkomplekset og detektorer, der vil føre til en forventet stigning i de indsamlede data med en faktor 20 i forhold til, hvad CMS og ATLAS har i dag.

Caltech-teamet omfatter også Si Xie, forskningsassistent professor i fysik, samt forskerne Adi Bornheim og Ren-Yuan Zhu, som alle har dedikeret årtiers studier for at opdage og forstå Higgs-bosonen. Caltech-gruppen fører nye ultrapræcision-timing-detektoropgraderinger til High Luminosity LHC og udvikler nye AI-baserede dataanalysetilgange, der vil muliggøre accelereret opdagelse i næsten realtid. Gruppen har produceret mere end et dusin ph.d. afhandlinger og gjorde det muligt for cirka 100 bachelorstuderende og praktikanter at engagere sig i analyse, instrumentering og beregningsforskning siden opdagelsen af ​​Higgs. + Udforsk yderligere

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