Higgs-bosonen og fremkomsten af ​​standardmodellen for partikelfysik i 1970'erne

I begyndelsen af ​​1970'erne var ideen om en massiv skalar boson som hjørnestenen i en samlet teoretisk model af de svage og elektromagnetiske vekselvirkninger endnu ikke blevet forankret i et felt, der stadig var ved at lære at leve med det, vi nu kender som standarden. model for partikelfysik. Efterhånden som tiårets forskellige gennembrud gradvist konsoliderede denne teoretiske ramme, opstod Brout-Englert-Higgs (BEH)-feltet og dets boson som den mest lovende teoretiske model til at forklare massens oprindelse.

I 1960'erne var der bemærkelsesværdigt få citater af artiklerne af Sheldon Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg om teorien om forenede svage og elektromagnetiske interaktioner. Alt dette ændrede sig imidlertid i 1971 og 1972, da Gerard 't Hooft og Martinus Veltman (en tidligere CERN-medarbejder) i Utrecht beviste, at måleteorier, der anvender Brout-Englert-Higgs-mekanismen til at generere masser til gauge-bosoner, er renormaliserbare, og er derfor matematisk konsistente og kan bruges til at lave pålidelige, præcise beregninger for de svage interaktioner. Dette gennembrud blev givet bred omtale i en indflydelsesrig tale af Benjamin Lee fra Fermilab under ICHEP-konferencen, der blev afholdt der i 1972, hvor han talte længe om "Higgs-marker."

Opmuntret, især af CERN-teoretikere Jacques Prentki og Bruno Zumino, prioriterede Gargamelle-samarbejdet søgen efter svage neutrale strøminteraktioner i CERN-neutrinostrålen, og deres repræsentant Paul Musset præsenterede det første direkte bevis for dem på et seminar på CERN den 19. juli 1973. Denne første eksperimentelle støtte til forening af de elektromagnetiske og svage vekselvirkninger tiltrak stor interesse og nøje granskning, men blev generelt accepteret inden for få måneder. Den neutral-strøm opdagelse overbeviste fysikere om, at den begyndende standardmodel var på rette vej. Tidligere CERN-generaldirektør Luciano Maiani, citeret i en CERN Courier-artikel fra 2013, udtrykker det sådan:"I begyndelsen af ​​årtiet troede folk generelt ikke på en standardteori, selvom teorien havde gjort alt. Den neutrale-strømme signaler ændrede det. Fra da af måtte partikelfysikken teste standardteorien."

Det næste gennembrud kom i 1974, da to eksperimentelle grupper, der arbejdede i USA, ledet af Sam Ting ved Brookhaven og Burt Richter ved SLAC, opdagede en smal vektorresonans, J/psi, med fremtrædende henfald til lepton-antilepton-par. Der blev foreslået mange teoretiske fortolkninger, som vi på CERN diskuterede over telefonen i spændte midnatsseminarer med Fred Gilman på SLAC (næsten 40 år før Zoom!). Den vindende fortolkning var, at J/psi var en bundet tilstand af charmekvarken og dens antikvark. Eksistensen af ​​denne fjerde kvark var blevet foreslået af James Bjorken og Sheldon Glashow i 1964, og dens anvendelse til at undertrykke smagsændrende neutrale svage interaktioner var blevet foreslået af Glashow, John Iliopoulos og Maiani i 1970. Mary K. Gaillard (en lang- gæsteforsker ved CERN), skrev Jon Rosner og Lee en indflydelsesrig artikel om charmens fænomenologi i 1974, og eksperimenter faldt gradvist i tråd med deres forudsigelser, og den endelige bekræftelse kom i 1976.

Opmærksomheden fra de fleste af de teoretiske og eksperimentelle samfund blev derefter henledt til søgen efter de massive W- og Z-vektorbosoner, der var ansvarlige for de svage interaktioner. Dette motiverede konstruktionen af ​​højenergiske hadron-kollidere og førte til opdagelsen af ​​W- og Z-bosonerne ved CERN i 1983 af et hold ledet af Carlo Rubbia.

Imidlertid forekom det Mary K. Gaillard, Dimitri Nanopoulos og mig selv på CERN, at nøglespørgsmålet ikke var eksistensen af ​​de massive svage vektorbosoner, men snarere spørgsmålet om den skalære Higgs-boson, der gjorde det muligt for standardmodellen at være fysisk konsistent og matematisk. beregnelige. På det tidspunkt kunne antallet af artikler om Higgs-bosonens fænomenologi tælles på fingrene på én hånd, så vi satte os for at beskrive dens fænomenologiske profil i nogen detaljer, der dækkede en bred vifte af mulige masser. Blandt de produktionsmekanismer, vi overvejede, var den mulige produktion af Higgs-bosonen i forbindelse med Z-bosonen, hvilket skabte betydelig interesse i dagene af LEP 2. Blandt Higgs-henfaldstilstandene, vi beregnede, var det til et par fotoner. Denne karakteristiske kanal er særlig interessant, fordi den genereres af kvanteeffekter (loopdiagrammer) i standardmodellen.

På trods af vores overbevisning om, at noget som Higgs-bosonet måtte eksistere, endte vores afhandling med en advarende bemærkning, der var noget tungen i kinden:"Vi undskylder over for eksperimentalister for ikke at have nogen idé om, hvad massen af ​​Higgs-bosonen er ... og for ikke at være sikker på dens koblinger til andre partikler, bortset fra at de sandsynligvis alle er meget små. Af disse grunde ønsker vi ikke at opmuntre til store eksperimentelle søgninger efter Higgs-bosonen, men vi føler, at folk, der udfører eksperimenter, der er sårbare over for Higgs-bosonen, bør vide det hvordan det kan vise sig."

Denne forsigtighed skyldtes til dels, at datidens seniorfysikere (Dimitri og jeg var under 30 på det tidspunkt) betragtede ideerne omkring elektrosvag symmetri som bryde og Higgs-bosonen med ret gulsotte øjne. Ikke desto mindre, som tiden gik, blev de massive W og Z opdaget, eksistensen eller ej af Higgs-bosonen steg op på den eksperimentelle dagsorden, og ingen plausible alternative teoretiske forslag til eksistensen af ​​noget som Higgs-bosonen dukkede op. Eksperimentalister, først på LEP og senere på Tevatron og LHC, fokuserede i stigende grad på søgninger efter Higgs-bosonen som den sidste byggesten i standardmodellen, og kulminerede med opdagelsen den 4. juli 2012. + Udforsk yderligere

Indsigt i Higgs-bosonens interaktion med charmekvarken