Higgs-bosonen, ti år efter dens opdagelse

For ti år siden, den 4. juli 2012, annoncerede ATLAS- og CMS-samarbejdet ved Large Hadron Collider (LHC) opdagelsen af ​​en ny partikel med egenskaber i overensstemmelse med Higgs-bosonens egenskaber forudsagt af standardmodellen for partikelfysik. Opdagelsen var et vartegn i videnskabens historie og fangede verdens opmærksomhed. Et år senere vandt det François Englert og Peter Higgs Nobelprisen i fysik for deres forudsigelse, der blev lavet årtier tidligere, sammen med afdøde Robert Brout, af et nyt fundamentalt felt, kendt som Higgs-feltet, der gennemsyrer universet, manifesterer sig som Higgs boson og giver masse til elementarpartiklerne.

"Opdagelsen af ​​Higgs-bosonen var en monumental milepæl inden for partikelfysik. Det markerede både afslutningen på en årtier lang udforskningsrejse og begyndelsen på en ny æra af studier af denne meget specielle partikel," siger Fabiola Gianotti, CERNs direktør. -General og projektleder ('talsperson') for ATLAS-eksperimentet på tidspunktet for opdagelsen. "Jeg husker med følelser dagen for annonceringen, en dag med enorm glæde for det verdensomspændende partikelfysiske samfund og for alle de mennesker, der arbejdede utrætteligt gennem årtier for at gøre denne opdagelse mulig."

På bare ti år har fysikere taget enorme skridt fremad i vores forståelse af universet, og de har ikke kun tidligt bekræftet, at partikelen, der blev opdaget i 2012, faktisk er Higgs-bosonen, men også gjort det muligt for forskere at begynde at bygge et billede af, hvordan den gennemgående tilstedeværelse af en Higgs felt i hele universet blev etableret en tiendedel af en milliardtedel af et sekund efter Big Bang.

Den nye rejse indtil videre

Den nye partikel, der blev opdaget af de internationale ATLAS- og CMS-samarbejder i 2012, så meget ud som Higgs-bosonen forudsagt af standardmodellen. Men var det i virkeligheden den længe eftertragtede partikel? Så snart opdagelsen var blevet gjort, satte ATLAS og CMS sig for at undersøge i detaljer, om egenskaberne af den partikel, de havde opdaget, virkelig matchede dem, der var forudsagt af standardmodellen. Ved at bruge data fra opløsningen, eller 'henfald', af den nye partikel til to fotoner, bærerne af den elektromagnetiske kraft,

eksperimenter har vist, at den nye partikel ikke har noget iboende vinkelmomentum eller kvantespin - nøjagtigt som Higgs-bosonen forudsagt af standardmodellen. I modsætning hertil har alle andre kendte elementarpartikler spin:stofpartiklerne, såsom 'op' og 'ned' kvarkerne, der danner protoner og neutroner, og de kraftbærende partikler, såsom W- og Z-bosonerne.

Ved at observere Higgs-bosonerne blive produceret fra og henfalde til par af W- eller Z-bosoner, bekræftede ATLAS og CMS, at disse opnår deres masse gennem deres interaktioner med Higgs-feltet, som forudsagt af standardmodellen. Styrken af ​​disse interaktioner forklarer den korte rækkevidde af den svage kraft, som er ansvarlig for en form for radioaktivitet og initierer den nukleare fusionsreaktion, der driver Solen.

Eksperimenterne har også vist, at topkvarken, bundkvarken og tauleptonen - som er de tungeste fermioner - får deres masse fra deres interaktioner med Higgs-feltet, igen som forudsagt af standardmodellen. Det gjorde de ved at observere, i tilfældet med topkvarken, at Higgs-bosonen blev produceret sammen med par af topkvarker, og i tilfældene med bundkvarken og tau lepton, bosonens henfald til par af henholdsvis bundkvarker og tau-leptoner. . Disse observationer bekræftede eksistensen af ​​en vekselvirkning, eller kraft, kaldet Yukawa-vekselvirkningen, som er en del af standardmodellen, men som er i modsætning til alle andre kræfter i standardmodellen:den formidles af Higgs-bosonen, og dens styrke er ikke kvantificeret, det vil sige, det kommer ikke i multipla af en bestemt enhed.

ATLAS og CMS målte Higgs bosonens masse til at være 125 milliarder elektronvolt (GeV), med en imponerende præcision på næsten én promille. Massen af ​​Higgs-bosonen er en fundamental naturkonstant, som ikke forudsiges af standardmodellen. Desuden, sammen med massen af ​​den tungeste kendte elementarpartikel, topkvarken og andre parametre, kan Higgs bosonens masse bestemme stabiliteten af ​​universets vakuum.

Dette er blot nogle få af de konkrete resultater af ti års udforskning af Higgs-bosonen ved verdens største og mest kraftfulde kolliderer – det eneste sted i verden, hvor denne unikke partikel kan produceres og studeres i detaljer.

"De store dataprøver leveret af LHC, den exceptionelle ydeevne af ATLAS- og CMS-detektorerne og nye analyseteknikker har gjort det muligt for begge samarbejder at udvide følsomheden af ​​deres Higgs-boson-målinger ud over, hvad man troede var muligt, da eksperimenterne blev designet." siger ATLAS-talsmand Andreas Hoecker.

Siden LHC begyndte at kollidere protoner med rekordenergier i 2010, og takket være den hidtil usete følsomhed og præcision i de fire hovedeksperimenter, har LHC-samarbejdet desuden opdaget mere end 60 sammensatte partikler forudsagt af standardmodellen, hvoraf nogle er eksotiske 'tetraquarks' og 'pentaquarks'. Eksperimenterne har også afsløret en række spændende antydninger af afvigelser fra standardmodellen, der tvinger til yderligere undersøgelser, og har studeret kvark-gluon-plasmaet, der fyldte universet i dets tidlige øjeblikke, med hidtil usete detaljer. De har også observeret mange sjældne partikelprocesser, foretaget stadig mere præcise målinger af Standard Model-fænomener og brudt ny vej i søgninger efter nye partikler ud over dem, der forudsiges af Standard

Model, inklusive partikler, der kan udgøre det mørke stof, der tegner sig for det meste af universets masse.

Resultaterne af disse søgninger tilføjer vigtige brikker til vores forståelse af grundlæggende fysik. "Opdagelser inden for partikelfysik behøver ikke at betyde nye partikler," siger CERNs direktør for forskning og databehandling, Joachim Mnich. "LHC-resultaterne opnået over et årti med drift af maskinen har gjort det muligt for os at sprede et meget bredere net i vores søgninger, sætte stærke grænser for mulige udvidelser af standardmodellen og komme med nye søge- og dataanalyseteknikker. "

Bemærkelsesværdigt er alle de opnåede LHC-resultater indtil videre kun baseret på 5 % af den samlede mængde data, som kollideren vil levere i sin levetid. "Med denne 'lille' prøve har LHC givet store skridt fremad i vores forståelse af elementarpartikler og deres interaktioner," siger CERN-teoretiker Michelangelo Mangano. "Og selv om alle de resultater, der er opnået indtil videre er i overensstemmelse med standardmodellen, er der stadig masser af plads til nye fænomener ud over, hvad der er forudsagt af denne teori."

"Higgs-bosonen i sig selv kan pege på nye fænomener, herunder nogle, der kan være ansvarlige for det mørke stof i universet," siger CMS-talsmand Luca Malgeri. "ATLAS og CMS udfører mange søgninger for at undersøge alle former for uventede processer, der involverer Higgs-bosonen."

Den rejse, der stadig venter forude

Hvad er der tilbage at lære om Higgs-feltet og Higgs-bosonen ti år efter? En masse. Giver Higgs-feltet også masse til de lettere fermioner, eller kan en anden mekanisme være på spil? Er Higgs-bosonen en elementær eller sammensat partikel? Kan det interagere med mørkt stof og afsløre naturen af ​​denne mystiske form for stof? Hvad genererer Higgs bosonens masse og selvinteraktion? Har den tvillinger eller slægtninge?

At finde svarene på disse og andre spændende spørgsmål vil ikke kun fremme vores forståelse af universet i den mindste skala, men kan også hjælpe med at låse op for nogle af de største mysterier i universet som helhed, såsom hvordan det kom til at være, som det er. og hvad dens ultimative skæbne kan være. Især Higgs bosonens selvinteraktion kan være nøglen til en bedre forståelse af ubalancen mellem stof og antistof og stabiliteten af ​​vakuumet i universet.

Mens svar på nogle af disse spørgsmål kan være givet af data fra den forestående tredje kørsel af LHC eller fra kolliderens store opgradering, menes LHC med høj lysstyrke fra 2029 og fremefter at være uden for rækkevidde af LHC, der kræver en fremtidig 'Higgs-fabrik'. Af denne grund undersøger CERN og dets internationale partnere den tekniske og økonomiske gennemførlighed af en meget større og mere kraftfuld maskine, Future Circular Collider, som svar på en anbefaling i den seneste opdatering af den europæiske strategi for partikelfysik.

"Højenergikollidere er stadig det mest kraftfulde mikroskop til vores rådighed til at udforske naturen i de mindste skalaer og opdage de grundlæggende love, der styrer universet," siger Gian Giudice, leder af CERNs teoriafdeling. "Desuden giver disse maskiner også enorme samfundsmæssige fordele."

Historisk set har accelerator-, detektor- og computerteknologierne forbundet med højenergikollidere haft en stor positiv indvirkning på samfundet, med opfindelser som World Wide Web, detektorudviklingen, der førte til PET-scanneren (Positron Emission Tomography) og design af acceleratorer til hadronterapi i behandlingen af ​​cancer. Desuden har design, konstruktion og drift af partikelfysiske kollidere og eksperimenter resulteret i uddannelse af nye generationer af forskere og fagfolk inden for andre områder og i en unik model for internationalt samarbejde. + Udforsk yderligere

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