⏹️ 👩🏿‍🤝‍👩🏽 🌭 هيجز بوزون (ترجمة) ✋🏾 🤰🏼 👩‍🎤

نحن في Quantuz ( ~~نحاول الانضمام إلى مجتمع GT~~ ) نقدم ترجمتنا لقسم موقع Higgs boson particleadventure.org. في هذا النص ، استبعدنا الصور غير المطلعة (انظر النسخة الكاملة في النص الأصلي). ستكون المادة مثيرة للاهتمام لجميع المهتمين بأحدث إنجازات الفيزياء التطبيقية.

دور بوزون هيجز

كان بوزون هيجز آخر جسيم تم اكتشافه في النموذج القياسي. هذا عنصر حاسم في النظرية. ساعد اكتشافه على تأكيد آلية كيفية اكتساب الجسيمات الأساسية للكتلة. هذه الجسيمات الأساسية في النموذج القياسي هي الكواركات واللبتونات والجسيمات الحاملة للقوة.

1964 نظرية

في عام 1964 ، طرح ستة فيزيائيين نظريين فرضية وجود مجال جديد (مثل المجال الكهرومغناطيسي) ، والذي يملأ كل الفضاء ويحل مشكلة حاسمة في فهمنا للكون.

بغض النظر ، قام فيزيائيون آخرون ببناء نظرية للجسيمات الأساسية ، تسمى "النموذج القياسي" ، والتي قدمت دقة استثنائية (تصل الدقة التجريبية لبعض أجزاء النموذج القياسي إلى 1 في 10 مليار دولار. وهذا يعادل التنبؤ بالمسافة بين نيويورك وسان فرانسيسكو بدقة حوالي 0.4 مم). وقد تم ربط هذه الجهود ارتباطا وثيقا. يحتاج النموذج القياسي إلى آلية للحصول على جزيئات الكتلة. تم تطوير نظرية المجال من قبل بيتر هيجز وروبرت بريدج وفرانسوا إنجلر وجيرالد جورالنيك وكارل هاجين وتوماس كيبل.

بوسون

أدرك بيتر هيجز أنه من خلال القياس مع الحقول الكمومية الأخرى ، يجب أن يكون هناك جسيم مرتبط بهذا المجال الجديد. يجب أن يكون لها دوران يساوي صفر ، وبالتالي ، يكون بوزون - جسيم مع دوران كامل (على عكس الفرميونات ، حيث يكون الدوران نصفًا صحيحًا: 1/2 ، 3/2 ، وما إلى ذلك). وبالفعل ، سرعان ما أصبح يعرف باسم هيجز بوسون. كان عيبه الوحيد أنه لم يره أحد.

ما هي كتلة البوزون؟

لسوء الحظ ، لم تحدد النظرية التي تتنبأ بالبوزون كتلتها. مرت سنوات ، حتى أصبح من الواضح أن بوزون هيجز يجب أن يكون ثقيلًا للغاية ، وعلى الأرجح ، بعيدًا عن متناول المنشآت التي تم بناؤها قبل مصادم الهادرون الكبير (LHC).

تذكر أنه وفقًا لـ E = mc ² ، فكلما زادت كتلة الجسيم ، زادت الطاقة اللازمة لإنشائه.

بينما بدأ المصادم LHC في جمع البيانات في عام 2010 ، أظهرت التجارب في مسرعات أخرى أن كتلة بوزون هيجز يجب أن تكون أكبر من 115 GeV / s2. في سياق التجارب في LHC ، تم التخطيط للبحث عن أدلة على بوزون في نطاق الكتلة 115-600 GeV / s2 أو أعلى من 1000 GeV / s2.

كل عام ، تجريبيًا ، كان من الممكن استبعاد بوزونات ذات كتل كبيرة. في عام 1990 ، كان من المعروف أن الكتلة المطلوبة يجب أن تكون أكبر من 25 GeV / s2 ، وفي عام 2003 تبين أنها كانت أكبر من 115 GeV / s2

يمكن أن تؤدي الاصطدامات في Collider Hadron Collider إلى الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام

يتحدث دينيس أوفرباي في صحيفة نيويورك تايمز عن إعادة بناء ظروف جزء من تريليون من الثانية بعد الانفجار العظيم ويقول:

" ... لم يتم رؤية بقايا [الانفجار] في هذا الجزء من الكون منذ برودة الكون قبل 14 مليار سنة - ربيع الحياة عابر ، مرارا وتكرارا في جميع مشتقاته ممكنة، كما لو تشارك الكون في نسختها الخاصة من فيلم "يوم جرذ الأرض "،

واحدة من هذه "بقايا" يمكن أن يكون بوزون هيغز. يجب أن تكون كتلته كبيرة جدًا ، ويجب أن تتحلل في أقل من نانو ثانية.

بعد نصف قرن من التوقعات ، أصبحت الدراما متوترة. كان الفيزيائيون ينامون عند مدخل الجمهور ليأخذوا مكانهم في ندوة بمختبر سيرن في جنيف.

على بعد عشرة آلاف ميل من هنا ، على الجانب الآخر من الكوكب ، في المؤتمر الدولي المرموق لفيزياء الجسيمات في ملبورن ، اجتمع مئات العلماء من جميع أنحاء العالم للاستماع إلى بث ندوة من جنيف.

لكن أولاً ، دعنا نلقي نظرة على المبنى.

4 يوليو الألعاب النارية

في 4 يوليو 2012 ، قدم مديرو تجربة ATLAS و CMS في Large Hadron Collider أحدث نتائج بحث بوزون هيجز. كانت هناك شائعة تقول أنهم ذاهبون للإبلاغ أكثر من مجرد تقرير عن النتائج ، ولكن ماذا؟

بالطبع ، عندما تم تقديم النتائج ، أفاد كل من التعاونين اللذين أجريا التجارب أنهما قد عثرا على دليل على وجود جسيم "مشابه لبوزون هيجز" بكتلة تبلغ حوالي 125 جيجا إلكترون فولت. لقد كان بالتأكيد جسيمًا ، وإذا لم يكن بوزون هيجز ، فإن تقليده عالي الجودة.

لم يكن الدليل مشكوكًا فيه ؛ حصل العلماء على خمس نتائج سيجما ، مما يعني أن هناك أقل من احتمال واحد لكل مليون ، أن البيانات هي ببساطة خطأ إحصائي.

يتحلل بوزون هيجز إلى جزيئات أخرى

يتحلل بوزون Higgs إلى جسيمات أخرى فورًا بعد إنتاجه ، حتى نتمكن من مراقبة منتجات الاضمحلال فقط. تظهر أكثر

أشكال الانحلال شيوعًا (من بين تلك التي يمكننا رؤيتها) في الشكل: يُعرف كل متغير من اضمحلال بوزون هيجز باسم "قناة الاضمحلال" أو "وضع الاضمحلال". على الرغم من أن وضع ب ب شائع ، إلا أن العديد من العمليات الأخرى تنتج جسيمات متشابهة ، لذلك إذا لاحظت تسوس ب ب ، فمن الصعب جدًا معرفة ما إذا كانت الجسيمات ظهرت بسبب بوزون هيجز أو بطريقة ما. نقول أن وضع الاضمحلال bb لديه "خلفية واسعة".

أفضل قنوات الاضمحلال للبحث عن بوزون هيجز هي قنوات الفوتون واثنين من البوزونات Z. *

*( 125 Z- , Z- 91 , 182 , 125 . , , Z- Z- (Z*), .)

Z + Z

تحتوي بوزونات Z أيضًا على العديد من أوضاع الاضمحلال ، بما في ذلك Z → e + + e- و Z → µ + + µ-.

كان وضع الاضمحلال Z + Z بسيطًا جدًا لتجارب ATLAS و CMS ، عندما تحلل بوزون Z في أحد الوضعين (Z → e + e- أو Z → μ + μ-). هناك أربعة أنماط من تسوس بوزات هيغز في الشكل:

النتيجة النهائية هي أنه في بعض الأحيان سيرى المراقب (بالإضافة إلى بعض الجسيمات غير المنضمة) أربعة ميونات ، أو أربعة إلكترونات ، أو اثنين من الميونات واثنين من الإلكترونات.

كيف سيبدو بوزون هيجز في كاشف أطلس

في هذا الحدث ، نشأت "نفاثة" (نفاثة) تنخفض ، وبوسون هيغز - أعلى ، لكنها انهارت على الفور تقريبًا. تسمى كل صورة تصادم "حدث".

يمكن مشاهدة مثال على حدث مع احتمال انهيار بوزون هيجز في شكل رسم متحرك جميل لتصادم بروتونين في مصادم هادرون الكبير على موقع المصدر على هذا الرابط .

في هذه الحالة ، يمكن إنتاج بوزون هيجز ، ثم يتحلل على الفور إلى بوزونات Z ، والتي بدورها ستتحلل على الفور (تترك ميونات وإلكترونين).

آلية كتلة الجسيمات

إن اكتشاف بوزون هيجز هو مفتاح لا يصدق لكشف كيف تكتسب الجسيمات الأساسية الكتلة ، كما ادعى هيجز ، وبراوت ، وإنجلر ، وجيرالد ، وكارل ، وكيبل. ما هي هذه الآلية؟ هذه نظرية رياضية معقدة للغاية ، ولكن يمكن فهم فكرتها الرئيسية في شكل تشبيه بسيط.

تخيل المساحة المليئة بحقل هيجز كحفل من الفيزيائيين يتحدثون بهدوء مع بعضهم البعض باستخدام الكوكتيلات ...
في مرحلة ما يدخل بيتر هيجز ، ويخلق الإثارة ، ويتحرك في الغرفة ويجذب مجموعة من المعجبين في كل خطوة ...

تمكن البروفيسور هيجز من التحرك بحرية قبل دخول الغرفة. ولكن بعد دخوله غرفة مليئة بالفيزيائيين ، انخفضت سرعته. أبطأت مجموعة من المشجعين حركته حول الغرفة. وبعبارة أخرى ، اكتسب كتلة. يشبه هذا اكتساب جسيم بلا كتلة عند التفاعل مع حقل هيجز.

ولكن كل ما أراده هو الوصول إلى البار!

(فكرة التشبيه تنتمي إلى البروفيسور ديفيد جيه. ميللر من جامعة لندن كوليدج لندن ، الذي فاز بجائزة شرح بأسعار معقولة لبوزون هيجز - © CERN)

كيف تحصل بوزون هيجز على كتلتها الخاصة؟

من ناحية أخرى ، أثناء تداول الأخبار حول الغرفة ، فإنها تشكل أيضًا مجموعات من الناس ، ولكن هذه المرة حصريًا من علماء الفيزياء. يمكن لهذه المجموعة التحرك ببطء حول الغرفة. مثل الجسيمات الأخرى ، تكتسب بوزون هيجز كتلة ببساطة عن طريق التفاعل مع مجال هيجز.

البحث عن كتلة بوزون هيجز

كيف تجد كتلة بوزون هيجز إذا تحللت في جزيئات أخرى قبل أن نكتشفها؟

إذا قررت تجميع دراجة وترغب في معرفة كتلتها ، فيجب عليك إضافة كتل أجزاء الدراجة: عجلتان ، وإطار ، وعجلة قيادة ، وسرج ، وما إلى ذلك.

ولكن إذا كنت ترغب في حساب كتلة بوزون هيجز من الجسيمات التي تتحلل فيها ، فلا يمكنك ببساطة جمع الكتل. لما لا؟

لا تعمل إضافة كتل جسيمات اضمحلال بوزون هيجز ، لأن هذه الجسيمات لديها طاقة حركية هائلة مقارنة بالطاقة المتبقية (تذكر أنه بالنسبة للجسيم في حالة الراحة E = mc ²) ويرجع ذلك إلى حقيقة أن كتلة بوزون هيجز أكبر بكثير من كتلة المنتجات النهائية لتحللها ، لذا فإن الطاقة المتبقية تذهب إلى مكان ما ، أي الطاقة الحركية للجسيمات الناشئة بعد الاضمحلال. تخبرنا نظرية النسبية باستخدام المساواة أدناه لحساب "الكتلة الثابتة" لمجموعة من الجسيمات بعد الاضمحلال ، والتي ستعطينا كتلة "الأم" ، بوزون هيجز:

E ² = p ² c ² + m ² c ⁴

ابحث عن كتلة بوزون هيجز من منتجات الاضمحلال

ملاحظة Quantuz: نحن هنا غير متأكدين من الترجمة ، حيث توجد مصطلحات خاصة. نحن نقدم مقارنة الترجمة مع المصدر فقط في حالة.

عندما نتحدث عن انحطاطات من النوع H → Z + Z * → e + + e- + µ + + can- ، يمكن أن تنشأ المجموعات الأربعة الممكنة الموضحة أعلاه من تحلل بوزون هيجز ومن عمليات الخلفية ، لذلك نحتاج انظر إلى الرسم البياني للكتلة الكلية لأربعة جسيمات في المجموعات المشار إليها.

يشير الرسم البياني للكتل إلى أننا نلاحظ عددًا كبيرًا من الأحداث ونلاحظ عدد تلك الأحداث عندما يتم الحصول على الكتلة الثابتة الناتجة. يبدو مثل الرسم البياني لأن قيم الكتلة الثابتة تنقسم إلى أعمدة. يشير ارتفاع كل عمود إلى عدد الأحداث التي تكون فيها الكتلة الثابتة في النطاق المقابل.

يمكننا أن نتخيل أن هذه هي نتائج اضمحلال بوزون هيجز ، لكن الأمر ليس كذلك.

بيانات بوزون هيجز من الخلفية

تظهر المناطق الحمراء والبنفسجية في الرسم البياني "خلفية" حيث من المتوقع أن يحدث عدد أحداث ليبتون الأربعة بدون مشاركة بوزون هيجز.

تمثل المنطقة الزرقاء (انظر الرسوم المتحركة) توقعات "إشارة" ، حيث يشير عدد أحداث أربعة ليبتون إلى نتيجة اضمحلال بوزون هيجز. توجد الإشارة في الجزء العلوي من الخلفية ، لأنه من أجل الحصول على العدد الإجمالي المتوقع للأحداث ، يمكنك ببساطة إضافة كل النتائج المحتملة للأحداث التي قد تحدث.

تشير النقاط السوداء إلى عدد الأحداث التي تمت ملاحظتها ، بينما تمثل الخطوط السوداء التي تمر عبر النقاط شكًا إحصائيًا في هذه الأرقام. زيادة في البيانات (انظر الشريحة التالية) عند 125 GeV هي علامة على 125 GeV جديدة (بوزون هيجز).

توجد رسوم متحركة لتطور بيانات بوزون هيجز أثناء تراكمه على الموقع الأصلي .

ترتفع إشارة بوزون هيجز ببطء فوق الخلفية.

تفسد بوزون هيجز إلى فوتونين

انحلال الفوتون (H → γ + γ) له خلفية أوسع ، ولكن مع ذلك تتميز الإشارة بوضوح.

هذا رسم بياني للكتلة الثابتة لتحلل بوزون هيجز إلى فوتونين. كما ترى ، الخلفية واسعة جدًا مقارنة بالجدول السابق. وذلك لأن عدد العمليات التي تنتج فوتونين أكثر بكثير من العمليات التي تحتوي على أربعة لبتونات.

يظهر الخط الأحمر المنقط الخلفية ، ويظهر الخط الأحمر السميك مجموع الخلفية والإشارة. نرى أن البيانات تتوافق بشكل جيد مع الجسيم الجديد في منطقة 125 GeV.

عيوب البيانات الأولى

كانت البيانات مقنعة ، لكنها ليست مثالية ، وكانت بها عيوب كبيرة. بحلول الرابع من تموز (يوليو) 2012 ، لم تكن هناك إحصاءات كافية لتحديد المعدل الذي ينقسم فيه الجسيم (بوزون هيجز) إلى مجموعات مختلفة من الجسيمات الأقل كتلة (ما يسمى بـ "النسب المتفرعة") التي تنبأ بها النموذج القياسي.

إن "نسبة التفرع" هي ببساطة احتمال أن يتحلل الجسيم من خلال قناة اضمحلال معينة. يتم توقع هذه النسب من خلال النموذج القياسي ويتم قياسها من خلال ملاحظة التحلل المتكرر لنفس الجسيمات.

يوضح الرسم البياني التالي أفضل القياسات لنسب التفرع التي يمكننا إجراؤها اعتبارًا من عام 2013. نظرًا لأن هذه هي النسب التي تنبأ بها النموذج القياسي ، فإن التوقعات هي 1.0. النقاط هي القياسات الحالية. من الواضح أن أجزاء الخطأ (الخطوط الحمراء) في الأغلبية لا تزال كبيرة جدًا بحيث لا يمكن استخلاص استنتاجات جادة. يتم تقليل هذه الأجزاء مع تلقي البيانات الجديدة وربما نقل النقاط.

كيف تتعلم أن الشخص يراقب حدثًا مرشحًا لبوزون هيجز؟ هناك معلمات فريدة تسلط الضوء على مثل هذه الأحداث.

هل الجسيم بوزون هيجز؟

بينما تم اكتشاف اضمحلال جسيم جديد ، فإن الوتيرة التي يحدث بها هذا في 4 يوليو ما زالت غير واضحة. لم يكن معروفًا حتى ما إذا كان الجسيم المفتوح يحتوي على أرقام كمية صحيحة - أي ما إذا كان لديه الدوران والتكافؤ المطلوب لبوزون هيجز.

وبعبارة أخرى ، في 4 يوليو ، كان الجسيم يشبه البطة ، لكننا كنا بحاجة للتأكد من أنه يسبح مثل البطة والدجال مثل البطة.

أظهرت جميع نتائج تجارب ATLAS و CMS لمصادم الهادرون الكبير (وكذلك مصادم تيفاترون من مختبر فيرمي) بعد 4 يوليو 2012 اتساقًا ملحوظًا مع نسب التفرع المتوقعة لأوضاع الاضمحلال الخمسة المذكورة أعلاه ، والاتساق مع الدوران المتوقع (يساوي صفر) والتكافؤ (يساوي +1) ، وهي الأرقام الكمية الأساسية.

هذه المعلمات مهمة لتحديد ما إذا كان الجسيم الجديد هو بالفعل بوزون هيجز أو جسيم آخر غير متوقع. لذا تشير جميع الأدلة المتاحة إلى بوزون هيجز من النموذج القياسي.

وجد بعض الفيزيائيين هذا خيبة أمل! إذا كان الجسيم الجديد هو بوزون هيجز من النموذج القياسي ، فإن النموذج القياسي يكون مكتملاً بشكل أساسي. كل ما يمكن فعله الآن هو أخذ قياسات بدقة أكبر لما هو مفتوح بالفعل.

ولكن إذا تبين أن الجسيم الجديد شيء لا يمكن التنبؤ به من خلال النموذج القياسي ، فإن هذا سيفتح الباب أمام العديد من النظريات والأفكار الجديدة للاختبار. تتطلب النتائج غير المتوقعة دائمًا تفسيرات جديدة وتساعد في دفع الفيزياء النظرية إلى الأمام.

من أين أتت الكتلة في الكون؟

في المادة العادية ، يتم احتواء الجزء الأكبر من الكتلة في الذرات ، وعلى وجه الدقة ، يتم احتواءه في نواة تتكون من البروتونات والنيوترونات.

تتكون البروتونات والنيوترونات من ثلاثة كواركات ، تكتسب كتلتها من خلال التفاعل مع مجال هيجز.

ولكن ... تساهم كتل الكواركات بحوالي 10 MeV ، أي حوالي 1٪ من كتلة البروتون والنيوترون. إذن من أين تأتي الكتلة المتبقية؟

اتضح أن كتلة البروتون تنشأ بسبب الطاقة الحركية للكواركات المكونة لها. كما تعلم ، بالطبع ، ترتبط الكتلة والطاقة بالمساواة E = mc ² .

لذا فإن جزءًا صغيرًا من كتلة المادة العادية في الكون ينتمي إلى آلية هيجز. ومع ذلك ، كما سنرى في القسم التالي ، سيكون الكون غير مأهول تمامًا بدون كتلة هيجز ، ولن يكون هناك من يكتشف آلية هيجز!

إذا لم يكن هناك مجال هيجز؟

إذا لم يكن هناك مجال هيجز ، كيف سيبدو الكون؟

هذا ليس واضحا جدا.

بالتأكيد ، لا شيء يربط الإلكترونات في الذرات. كانوا يطيرون بعيدا بسرعة الضوء.

لكن الكواركات مرتبطة بتفاعل قوي ولا يمكن أن توجد بشكل حر. ربما تم الحفاظ على بعض حالات الكواركات المرتبطة ، ولكن ليس واضحًا بشأن البروتونات والنيوترونات.

كل هذا سيكون على الأرجح مادة شبيهة بالطاقة النووية. وربما انهار كل هذا نتيجة للجاذبية.

حقيقة نحن على يقين: الكون سيكون باردًا ومظلمًا ولا حياة.
لذا فإن بوزون هيجز ينقذنا من الكون البارد والظلام واللا حياة ، حيث لا يوجد أشخاص لفتح بوزون هيجز.

هل بوزون هيجز من بوزون النموذج القياسي؟

نحن نعلم بالتأكيد أن الجسيم الذي اكتشفناه هو بوزون هيجز. نحن نعلم أيضًا أنها تشبه إلى حد بعيد بوزون هيجز من النموذج القياسي. ولكن هناك نقطتان لم يتم إثباتهما بعد:

1. على الرغم من حقيقة أن بوزون هيجز من النموذج القياسي ، هناك اختلافات طفيفة تشير إلى وجود فيزياء جديدة (الآن غير معروفة).
2. هناك أكثر من بوزونات هيجز مع كتل أخرى. هذا يشير أيضًا إلى ظهور نظريات جديدة للبحث.

سيساعد الوقت والبيانات الجديدة فقط في الكشف عن نقاء النموذج القياسي وبوزنه أو النظريات الفيزيائية الجديدة المثيرة.

هيجز بوزون (ترجمة)