🙎🏼 👨🏻‍🚒 🏂🏽 Higgs Boson (Übersetzung) 🤱🏼 😤 🕴🏾

Wir bei Quantuz ( ~~versuchen, der GT-Community beizutreten~~ ) bieten unsere Übersetzung des Higgs-Boson Particleadventure.org-Site-Abschnitts an. In diesem Text haben wir nicht informative Bilder ausgeschlossen (siehe die Vollversion im Original). Das Material wird für alle interessant sein, die sich für die neuesten Errungenschaften der angewandten Physik interessieren.

Higgs-Boson-Rolle

Das Higgs-Boson war das letzte im Standardmodell entdeckte Teilchen. Dies ist eine kritische Komponente der Theorie. Seine Entdeckung bestätigte den Mechanismus, wie fundamentale Teilchen Masse aufnehmen. Diese grundlegenden Partikel im Standardmodell sind Quarks, Leptonen und krafttragende Partikel.

1964 Theorie

1964 stellten sechs theoretische Physiker die Hypothese der Existenz eines neuen Feldes (wie eines elektromagnetischen Feldes) auf, das den gesamten Raum ausfüllt und ein kritisches Problem in unserem Verständnis des Universums löst.

Unabhängig davon haben andere Physiker eine Theorie grundlegender Teilchen entwickelt, die als „Standardmodell“ bezeichnet wird und eine phänomenale Genauigkeit liefert (die experimentelle Genauigkeit einiger Teile des Standardmodells erreicht 1 zu 10 Milliarden). Dies entspricht einer Vorhersage der Entfernung zwischen New York und San Francisco mit einer Genauigkeit von etwa 0,4 mm). Diese Bemühungen sind eng miteinander verbunden. Das Standardmodell benötigte einen Mechanismus zur Erfassung von Massenteilchen. Die Feldtheorie wurde von Peter Higgs, Robert Brought, François Engler, Gerald Goralnik, Karl Hagen und Thomas Kibble entwickelt.

Boson

Peter Higgs erkannte, dass in Analogie zu anderen Quantenfeldern ein Teilchen mit diesem neuen Feld verbunden sein muss. Es sollte einen Spin gleich Null haben und somit ein Boson sein - ein Teilchen mit einem ganzen Spin (im Gegensatz zu Fermionen, bei denen der Spin eine halbe ganze Zahl ist: 1/2, 3/2 usw.). Und tatsächlich wurde er bald als Higgs Boson bekannt. Sein einziger Nachteil war, dass ihn niemand gesehen hatte.

Was ist die Masse des Bosons?

Leider hat die Theorie, die das Boson vorhersagt, seine Masse nicht spezifiziert. Jahre vergingen, bis klar wurde, dass das Higgs-Boson extrem schwer und höchstwahrscheinlich für Anlagen, die vor dem Large Hadron Collider (LHC) gebaut wurden, unerreichbar sein sollte.

Denken Sie daran, dass gemäß E = mc ² , je größer die Masse des Partikels ist, desto mehr Energie benötigt wird, um es zu erzeugen.

Während der LHC 2010 mit der Datenerfassung begann, zeigten Experimente mit anderen Beschleunigern, dass die Higgs-Bosonenmasse größer als 115 GeV / s2 sein sollte. Im Rahmen von Experimenten am LHC sollte nach Hinweisen auf ein Boson im Massenbereich von 115–600 GeV / s2 oder sogar über 1000 GeV / s2 gesucht werden.

Experimentell war es jedes Jahr möglich, Bosonen mit großen Massen auszuschließen. 1990 war bekannt, dass die gewünschte Masse größer als 25 GeV / s2 sein sollte, und 2003 stellte sich heraus, dass sie größer als 115 GeV / s2 war

Kollisionen beim Large Hadron Collider können viele interessante Dinge erzeugen

Dennis Overbay in der New York Times spricht über die Rekonstruktion der Bedingungen einer Billionstelsekunde nach dem Urknall und sagt:

„ ... die Überreste [der Explosion] in diesem Teil des Kosmos wurden seit der Abkühlung des Universums vor 14 Milliarden Jahren nicht mehr gesehen - der Frühling des Lebens ist flüchtig. immer wieder in all seinen möglichen Variationen, als ob das Universum an seiner eigenen Version des Films „Groundhog Day “ teilgenommen hätte.

Einer dieser „Überreste“ könnte das Higgs-Boson sein. Seine Masse muss sehr groß sein und in weniger als einer Nanosekunde zerfallen.

Ankündigung

Nach einem halben Jahrhundert voller Erwartungen ist das Drama angespannt. Physiker schliefen am Eingang des Publikums, um an einem Seminar im CERN-Labor in Genf teilzunehmen.

Über zehntausend Meilen von hier auf der anderen Seite des Planeten versammelten sich auf der prestigeträchtigen internationalen Konferenz über Teilchenphysik in Melbourne Hunderte von Wissenschaftlern aus aller Welt, um die Ausstrahlung eines Seminars aus Genf zu hören.

Aber zuerst werfen wir einen Blick auf die Räumlichkeiten.

4. Juli Feuerwerk

Am 4. Juli 2012 präsentierten die Experimentmanager von ATLAS und CMS beim Large Hadron Collider ihre neuesten Higgs-Boson-Suchergebnisse. Gerüchten zufolge würden sie mehr als nur einen Bericht über die Ergebnisse berichten, aber was?

Als die Ergebnisse präsentiert wurden, berichteten beide Kollaborationen, die die Experimente durchführten, dass sie Hinweise auf die Existenz eines Teilchens "ähnlich dem Higgs-Boson" mit einer Masse von etwa 125 GeV fanden. Es war definitiv ein Teilchen, und wenn es nicht das Higgs-Boson ist, dann ist seine Nachahmung von sehr hoher Qualität.

Die Beweise waren nicht zweifelhaft, Wissenschaftler hatten fünf Sigma-Ergebnisse, was bedeutet, dass es weniger als eine Wahrscheinlichkeit pro Million gibt, dass die Daten einfach ein statistischer Fehler sind.

Das Higgs-Boson zerfällt in andere Teilchen

Das Higgs-Boson zerfällt fast unmittelbar nach seiner Herstellung in andere Teilchen, so dass wir nur seine Zerfallsprodukte beobachten können. Die häufigsten Zerfälle (unter denen, die wir sehen können) sind in der Abbildung dargestellt:

Jede Zerfallsvariante des Higgs-Bosons wird als "Zerfallskanal" oder "Zerfallsmodus" bezeichnet. Obwohl der bb-Modus üblich ist, produzieren viele andere Prozesse ähnliche Partikel. Wenn Sie also den bb-Zerfall beobachten, ist es sehr schwierig zu sagen, ob die Partikel aufgrund des Higgs-Bosons oder irgendwie aufgetreten sind. Wir sagen, dass der BB-Decay-Modus einen "breiten Hintergrund" hat.

Die besten Zerfallskanäle für die Suche nach dem Higgs-Boson sind die Kanäle von zwei Photonen und zwei Z-Bosonen. *

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

Z + Z

Z-Bosonen haben auch mehrere Zerfallsmodi, einschließlich Z → e + + e- und Z → µ + + µ-.

Der Z + Z-Zerfallsmodus war für die ATLAS- und CMS-Experimente recht einfach, als beide Z-Bosonen in einem von zwei Modi (Z → e + e- oder Z → μ + μ-) zerfielen. In der Abbildung sind vier Higgs-Boson-Zerfallsmodi beobachtet:

Das Endergebnis ist, dass der Beobachter manchmal (zusätzlich zu einigen ungebundenen Teilchen) vier Myonen oder vier Elektronen oder zwei Myonen und zwei Elektronen sieht.

Wie das Higgs-Boson in einem ATLAS-Detektor aussehen würde

In diesem Fall entstand ein "Jet" (Jet), der nach unten ging, und das Higgs-Boson - nach oben, aber es fiel fast augenblicklich auseinander. Jedes Kollisionsbild wird als "Ereignis" bezeichnet.

Ein Beispiel für ein Ereignis mit dem möglichen Zusammenbruch des Higgs-Bosons in Form einer schönen Animation der Kollision zweier Protonen im Large Hadron Collider kann auf der Quellseite unter diesem Link eingesehen werden .

In diesem Fall kann das Higgs-Boson erzeugt werden und zerfällt dann sofort in zwei Z-Bosonen, die wiederum sofort zerfallen (wobei zwei Myonen und zwei Elektronen übrig bleiben).

Partikelmassenmechanismus

Die Entdeckung des Higgs-Bosons ist ein unglaublicher Schlüssel, um herauszufinden, wie fundamentale Teilchen an Masse gewinnen, wie Higgs, Braut, Engler, Gerald, Karl und Kibble behaupteten. Was ist dieser Mechanismus? Dies ist eine sehr komplexe mathematische Theorie, aber ihre Hauptidee kann in Form einer einfachen Analogie verstanden werden.

Stellen Sie sich den mit dem Higgs-Feld gefüllten
Raum als eine Gruppe von Physikern vor, die ruhig mit Cocktails miteinander sprechen ... Irgendwann tritt Peter Higgs ein, sorgt für Aufregung, bewegt sich durch den Raum und zieht mit jedem Schritt eine Gruppe von Fans an ...

Professor Higgs konnte sich frei bewegen, bevor er den Raum betrat. Aber nachdem er einen Raum voller Physiker betreten hatte, nahm seine Geschwindigkeit ab. Eine Gruppe von Fans verlangsamte seine Bewegung im Raum; Mit anderen Worten, er gewann an Masse. Dies ähnelt einem masselosen Teilchen, das bei der Wechselwirkung mit einem Higgs-Feld Masse aufnimmt.

Aber er wollte nur an die Bar!

(Die Idee der Analogie gehört Prof. David J. Miller vom University College London, der den Preis für eine erschwingliche Erklärung des Higgs-Bosons gewann - © CERN)

Wie bekommt das Higgs-Boson seine eigene Masse?

Während sich die Nachrichten im Raum verbreiteten, bildeten sie andererseits auch Gruppen von Menschen, diesmal jedoch ausschließlich von Physikern. Eine solche Gruppe kann sich langsam im Raum bewegen. Wie andere Teilchen gewinnt das Higgs-Boson einfach durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld an Masse.

Higgs-Boson-Massensuche

Wie finden Sie die Masse des Higgs-Bosons, wenn es in andere Teilchen zerfällt, bevor wir es entdecken?

Wenn Sie sich für die Montage eines Fahrrads entscheiden und dessen Masse wissen möchten, sollten Sie die Masse der Fahrradteile addieren: zwei Räder, einen Rahmen, ein Lenkrad, einen Sattel usw.

Wenn Sie jedoch die Masse des Higgs-Bosons aus den Teilchen berechnen möchten, in die es zerfällt, können Sie die Massen einfach nicht addieren. Warum nicht?

Die Addition der Massen der Higgs-Boson-Zerfallsteilchen funktioniert nicht, da diese Teilchen im Vergleich zur Ruheenergie eine enorme kinetische Energie aufweisen (denken Sie daran, dass für ein Teilchen in Ruhe E = mc ^{2 ist}) Dies liegt an der Tatsache, dass die Masse des Higgs-Bosons viel größer ist als die Masse der Endprodukte seines Zerfalls, so dass die verbleibende Energie irgendwohin geht, nämlich in die kinetische Energie der Teilchen, die nach dem Zerfall entstehen. Die Relativitätstheorie besagt, dass wir die folgende Gleichheit verwenden müssen, um die "invariante Masse" einer Menge von Teilchen nach dem Zerfall zu berechnen, die uns die Masse des "Elternteils", des Higgs-Bosons, ergibt:

E ² = p ² c ² + m ² c ⁴

Suchen Sie nach der Higgs-Bosonenmasse aus ihren Zerfallsprodukten

Quantuz Hinweis: Hier sind wir uns der Übersetzung etwas unsicher, da es spezielle Begriffe gibt. Wir bieten an, die Übersetzung für alle Fälle mit der Quelle zu vergleichen.

Wenn wir über Zerfälle vom Typ H → Z + Z * → e + + e- + µ + + µ- sprechen , können die vier oben gezeigten möglichen Kombinationen sowohl aus dem Zerfall des Higgs-Bosons als auch aus Hintergrundprozessen entstehen, also brauchen wir Schauen Sie sich das Histogramm der Gesamtmasse von vier Partikeln in den angegebenen Kombinationen an.

Das Histogramm der Massen impliziert, dass wir eine große Anzahl von Ereignissen beobachten und die Anzahl dieser Ereignisse notieren, wenn die resultierende invariante Masse erhalten wird. Es sieht aus wie ein Histogramm, da die Werte der invarianten Masse in Spalten unterteilt sind. Die Höhe jeder Spalte gibt die Anzahl der Ereignisse an, bei denen sich die invariante Masse im entsprechenden Bereich befindet.

Wir können uns vorstellen, dass dies das Ergebnis des Zerfalls des Higgs-Bosons ist, aber das ist nicht so.

Higgs-Boson-Daten aus dem Hintergrund

Die roten und violetten Bereiche des Histogramms zeigen einen „Hintergrund“, in dem die Anzahl der Vier-Lepton-Ereignisse ohne Beteiligung des Higgs-Bosons erwartet wird.

Der blaue Bereich (siehe Animation) stellt eine „Signal“ -Prognose dar, bei der die Anzahl der Vier-Lepton-Ereignisse auf das Ergebnis des Zerfalls des Higgs-Bosons hindeutet. Das Signal befindet sich oben im Hintergrund, da Sie einfach alle möglichen Ergebnisse von Ereignissen addieren, die auftreten können, um die vorhergesagte Gesamtzahl der Ereignisse zu erhalten.

Schwarze Punkte geben die Anzahl der beobachteten Ereignisse an, während schwarze Linien, die durch die Punkte verlaufen, statistische Unsicherheiten in diesen Zahlen darstellen. Eine Zunahme der Daten (siehe nächste Folie) bei 125 GeV ist ein Zeichen für ein neues 125 GeV-Teilchen (Higgs-Boson).

Eine Animation der Datenentwicklung für das akkumulierte Higgs-Boson befindet sich auf der ursprünglichen Site .

Das Higgs-Bosonensignal steigt langsam über den Hintergrund.

Das Higgs-Boson zerfiel in zwei Photonen

Der Zerfall in zwei Photonen (H → γ + γ) hat einen noch breiteren Hintergrund, dennoch ist das Signal klar zu unterscheiden.

Dies ist ein Histogramm der invarianten Masse für den Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Photonen. Wie Sie sehen können, ist der Hintergrund im Vergleich zum vorherigen Diagramm sehr breit. Dies liegt daran, dass es viel mehr Prozesse gibt, die zwei Photonen erzeugen, als Prozesse mit vier Leptonen.

Die gepunktete rote Linie zeigt den Hintergrund und die dicke rote Linie zeigt die Summe aus Hintergrund und Signal. Wir sehen, dass die Daten gut mit dem neuen Partikel im Bereich von 125 GeV übereinstimmen.

Erste Datenfehler

Die Daten waren überzeugend, aber nicht perfekt und wiesen erhebliche Mängel auf. Bis zum 4. Juli 2012 gab es nicht genügend Statistiken, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der ein Partikel (Higgs-Boson) in verschiedene Sätze weniger massereicher Partikel (die sogenannten „Verzweigungsanteile“) zerfällt, die vom Standardmodell vorhergesagt wurden.

Ein "Verzweigungsanteil" ist einfach die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen durch einen bestimmten Zerfallskanal zerfällt. Diese Anteile werden vom Standardmodell vorhergesagt und durch wiederholtes Beobachten von Zerfällen derselben Partikel gemessen.

Die folgende Grafik zeigt die besten Messungen der Verzweigungsanteile, die wir ab 2013 durchführen können. Da dies die vom Standardmodell vorhergesagten Anteile sind, beträgt die Erwartung 1,0. Punkte sind aktuelle Messungen. Offensichtlich sind die Fehlersegmente (rote Linien) in der Mehrzahl immer noch zu groß, um ernsthafte Schlussfolgerungen zu ziehen. Diese Segmente werden reduziert, wenn neue Daten empfangen werden und sich möglicherweise Punkte bewegen.

Wie erfährt man, dass eine Person ein Kandidatenereignis für das Higgs-Boson beobachtet? Es gibt eindeutige Parameter, die solche Ereignisse hervorheben.

Ist das Teilchen ein Higgs-Boson?

Während der Zerfall eines neuen Partikels entdeckt wurde, war das Tempo, mit dem dies bis zum 4. Juli geschieht, noch nicht klar. Es war nicht einmal bekannt, ob das offene Teilchen die richtigen Quantenzahlen hatte - das heißt, ob es den für das Higgs-Boson erforderlichen Spin und die Parität hatte.

Mit anderen Worten, am 4. Juli sah das Partikel wie eine Ente aus, aber wir mussten sicherstellen, dass es wie eine Ente schwimmt und wie eine Ente quakt.

Alle Ergebnisse der ATLAS- und CMS-Experimente des Large Hadron Collider (sowie des Tevatron Collider vom Fermi Laboratory) nach dem 4. Juli 2012 zeigten eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit den erwarteten Verzweigungsanteilen für die fünf oben diskutierten Zerfallsmodi und die Übereinstimmung mit dem erwarteten Spin (gleich Null) und der Parität (gleich Null) +1), das sind die grundlegenden Quantenzahlen.

Diese Parameter sind wichtig, um festzustellen, ob das neue Teilchen wirklich das Higgs-Boson oder ein anderes unerwartetes Teilchen ist. Alle verfügbaren Beweise deuten also auf das Higgs-Boson aus dem Standardmodell hin.

Einige Physiker fanden das eine Enttäuschung! Wenn das neue Teilchen das Higgs-Boson aus dem Standardmodell ist, ist das Standardmodell im Wesentlichen vollständig. Jetzt können nur noch Messungen mit zunehmender Genauigkeit des bereits geöffneten durchgeführt werden.

Wenn sich jedoch herausstellt, dass das neue Teilchen vom Standardmodell nicht vorhersehbar ist, öffnet dies die Tür für viele neue Theorien und Ideen zum Testen. Unerwartete Ergebnisse erfordern immer neue Erklärungen und helfen, die theoretische Physik voranzutreiben.

Woher kam die Masse im Universum?

In der gewöhnlichen Materie ist der Großteil der Masse in Atomen enthalten, und genauer gesagt, in einem Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht.

Protonen und Neutronen bestehen aus drei Quarks, die ihre Masse durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld erhalten.

ABER ... die Quarkmassen tragen ungefähr 10 MeV bei, was ungefähr 1% der Masse des Protons und des Neutrons entspricht. Woher kommt also die verbleibende Masse?

Es stellt sich heraus, dass die Masse des Protons aufgrund der kinetischen Energie seiner Quarkbestandteile entsteht. Wie Sie natürlich wissen, sind Masse und Energie durch die Gleichheit E = mc ^{2 verbunden} .

Daher gehört nur ein kleiner Teil der Masse der gewöhnlichen Materie im Universum zum Higgs-Mechanismus. Wie wir jedoch im nächsten Abschnitt sehen werden, wäre das Universum ohne die Higgs-Masse völlig unbewohnt, und es würde niemanden geben, der den Higgs-Mechanismus entdeckt!

Wenn es kein Higgs-Feld gäbe?

Wenn es kein Higgs-Feld gäbe, wie würde das Universum aussehen?

Das ist nicht so offensichtlich.

Sicherlich würde nichts Elektronen in Atomen binden. Sie würden mit Lichtgeschwindigkeit auseinander fliegen.

Quarks sind jedoch durch starke Wechselwirkung miteinander verbunden und können nicht in freier Form existieren. Einige gebundene Zustände von Quarks könnten erhalten geblieben sein, aber über Protonen und Neutronen ist es nicht klar.

All dies wäre wahrscheinlich eine nuklearähnliche Angelegenheit. Und vielleicht ist all dies infolge der Schwerkraft zusammengebrochen.

Eine Tatsache, bei der wir uns sicher sind: Das Universum wäre kalt, dunkel und leblos.
Das Higgs-Boson rettet uns also vor dem kalten, dunklen, leblosen Universum, in dem es keine Menschen gibt, die das Higgs-Boson öffnen könnten.

Ist das Higgs-Boson vom Standardmodell-Boson?

Wir wissen mit Sicherheit, dass das Teilchen, das wir entdeckt haben, das Higgs-Boson ist. Wir wissen auch, dass es dem Higgs-Boson aus dem Standardmodell sehr ähnlich ist. Es gibt jedoch zwei Punkte, die noch nicht bewiesen sind:

1. Trotz der Tatsache, dass das Higgs-Boson vom Standardmodell abweicht, gibt es geringfügige Unterschiede, die auf die Existenz einer neuen Physik hinweisen (jetzt unbekannt).
2. Es gibt mehr als ein Higgs-Boson mit anderen Massen. Dies deutet auch darauf hin, dass neue Theorien für die Forschung auftauchen werden.

Nur Zeit und neue Daten werden dazu beitragen, entweder die Reinheit des Standardmodells und seines Bosons oder neue aufregende physikalische Theorien aufzudecken.

Higgs Boson (Übersetzung)