Bosón de Higgs (traducción)
Nosotros en Quantuz ( tratando de unirnos a la comunidad GT ) estamos ofreciendo nuestra traducción de la sección del sitio Higgs boson partículasadventure.org. En este texto, excluimos las imágenes no informativas (vea la versión completa en el original). El material será interesante para todos los interesados en los últimos logros de la física aplicada.
Papel del bosón de Higgs
El bosón de Higgs fue la última partícula descubierta en el modelo estándar. Este es un componente crítico de la teoría. Su descubrimiento ayudó a confirmar el mecanismo de cómo las partículas fundamentales adquieren masa. Estas partículas fundamentales en el Modelo Estándar son quarks, leptones y partículas portadoras de fuerza.Teoría de 1964
En 1964, seis físicos teóricos presentaron la hipótesis de la existencia de un nuevo campo (como un campo electromagnético), que llena todo el espacio y resuelve un problema crítico en nuestra comprensión del universo.De todos modos, otros físicos construyeron una teoría de partículas fundamentales, llamada el "Modelo Estándar", que proporcionó una precisión fenomenal (la precisión experimental de algunas partes del Modelo Estándar alcanza 1 en 10 mil millones. Esto es equivalente a predecir la distancia entre Nueva York y San Francisco con una precisión de aproximadamente 0,4 mm). Estos esfuerzos han estado estrechamente vinculados. El modelo estándar necesitaba un mecanismo para adquirir partículas en masa. La teoría de campo fue desarrollada por Peter Higgs, Robert Brought, Francois Engler, Gerald Goralnik, Karl Hagen y Thomas Kibble.Boson
Peter Higgs se dio cuenta de que, por analogía con otros campos cuánticos, debe haber una partícula asociada con este nuevo campo. Debe tener un giro igual a cero y, por lo tanto, ser un bosón, una partícula con un giro completo (a diferencia de los fermiones, en los que el giro es medio entero: 1/2, 3/2, etc.). Y de hecho, pronto se hizo conocido como el Bosón de Higgs. Su único inconveniente era que nadie lo había visto.¿Cuál es la masa del bosón?
Desafortunadamente, la teoría que predice el bosón no especificó su masa. Pasaron los años, hasta que quedó claro que el bosón de Higgs debería ser extremadamente pesado y, muy probablemente, fuera del alcance de las instalaciones construidas antes del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).Recuerde que de acuerdo con E = mc 2 , cuanto mayor es la masa de la partícula, más energía se necesita para crearla.Mientras que el LHC comenzó a recopilar datos en 2010, los experimentos en otros aceleradores mostraron que la masa del bosón de Higgs debería ser mayor que 115 GeV / s2. En el curso de los experimentos en el LHC, se planeó buscar evidencia de un bosón en el rango de masa 115–600 GeV / s2 o incluso superior a 1000 GeV / s2.
Cada año, experimentalmente, era posible excluir bosones con grandes masas. En 1990, se sabía que la masa deseada debería ser mayor que 25 GeV / s2, y en 2003 resultó que era mayor que 115 GeV / s2Las colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones pueden generar muchas cosas interesantes
Dennis Overbay en el New York Times habla sobre la reconstrucción de las condiciones de una billonésima de segundo después del Big Bang y dice:" ... los restos [de la explosión] en esta parte del cosmos no se han visto desde que el Universo se enfrió hace 14 mil millones de años: la primavera de la vida es fugaz, una y otra vez en todas sus variaciones posibles, como si el Universo participara en su propia versión de la película "Groundhog Day ".Uno de estos "restos" puede ser el bosón de Higgs. Su masa debe ser muy grande, y debe decaer en menos de un nanosegundo.Anuncio
Después de medio siglo de expectativas, el drama se ha vuelto tenso. Los físicos dormían en la entrada de la audiencia para tomar lugar en un seminario en el laboratorio del CERN en Ginebra.A más de diez mil millas de aquí, al otro lado del planeta, en la prestigiosa conferencia internacional sobre física de partículas en Melbourne, cientos de científicos de todo el mundo se reunieron para escuchar la transmisión de un seminario desde Ginebra.Pero primero, echemos un vistazo a las instalaciones.4 de julio fuegos artificiales
El 4 de julio de 2012, los gerentes de experimentos de ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones presentaron sus últimos resultados de búsqueda de bosones de Higgs. Se rumoreaba que iban a informar más que solo un informe sobre los resultados, pero ¿qué?Por supuesto, cuando se presentaron los resultados, ambas colaboraciones que realizaron los experimentos informaron que encontraron evidencia de la existencia de una partícula "similar al bosón de Higgs" con una masa de aproximadamente 125 GeV. Definitivamente fue una partícula, y si no es el bosón de Higgs, entonces su imitación es de muy alta calidad.La evidencia no era dudosa; los científicos obtuvieron cinco resultados sigma, lo que significa que hay menos de una probabilidad por millón, que los datos son simplemente un error estadístico.
El bosón de Higgs se descompone en otras partículas
El bosón de Higgs se descompone en otras partículas casi inmediatamente después de su producción, por lo que solo podemos observar sus productos de descomposición. Las desintegraciones más comunes (entre las que podemos ver) se muestran en la figura:
cada variante de desintegración del bosón de Higgs se conoce como "canal de desintegración" o "modo de desintegración". Aunque el modo bb es común, muchos otros procesos producen partículas similares, por lo que si observa la descomposición bb, es muy difícil saber si las partículas aparecieron debido al bosón de Higgs o de alguna manera. Decimos que el modo de descomposición bb tiene un "fondo amplio".Los mejores canales de desintegración para buscar el bosón de Higgs son los canales de dos fotones y dos bosones Z. **( 125 Z- , Z- 91 , 182 , 125 . , , Z- Z- (Z*), .)Z + Z
Los bosones Z también tienen varios modos de desintegración, incluidos Z → e + + e- y Z → µ + + µ-.El modo de decaimiento Z + Z fue bastante simple para los experimentos ATLAS y CMS, cuando ambos bosones Z decayeron en uno de los dos modos (Z → e + e- o Z → μ + µ-). Hay cuatro modos observados de descomposición del bosón de Higgs en la figura:
El resultado final es que a veces el observador verá (además de algunas partículas no unidas) cuatro muones, o cuatro electrones, o dos muones y dos electrones.Cómo se vería el bosón de Higgs en un detector ATLAS
En este caso, surgió un "jet" (jet) que bajaba y el bosón de Higgs subía, pero casi al instante se vino abajo. Cada imagen de colisión se llama un "evento".
Un ejemplo de un evento con el posible colapso del bosón de Higgs en forma de una hermosa animación de la colisión de dos protones en el Gran Colisionador de Hadrones se puede ver en el sitio de origen en este enlace .En este caso, se puede producir el bosón de Higgs, y luego se descompone inmediatamente en dos bosones Z, que a su vez se descompondrán inmediatamente (dejando dos muones y dos electrones).Mecanismo de masa de partículas
El descubrimiento del bosón de Higgs es una clave increíble para desentrañar cómo las partículas fundamentales ganan masa, como afirmaron Higgs, Braut, Engler, Gerald, Karl y Kibble. ¿Qué es este mecanismo? Esta es una teoría matemática muy compleja, pero su idea principal puede entenderse en forma de una analogía simple.Imagina el espacio lleno del campo de Higgs como una fiesta de físicos hablando tranquilamente entre sí con cócteles ...En algún momento entra Peter Higgs, creando emoción, moviéndose por la sala y atrayendo a un grupo de fanáticos a cada paso ...El profesor Higgs pudo moverse libremente antes de entrar en la sala. Pero después de entrar en una habitación llena de físicos, su velocidad disminuyó. Un grupo de fanáticos desaceleró su movimiento por la habitación; en otras palabras, ganó masa. Esto es similar a una partícula sin masa que adquiere masa cuando interactúa con un campo de Higgs.
¡Pero todo lo que quería era llegar al bar!(La idea de analogía pertenece al Prof. David J. Miller del University College London, quien ganó el premio por una explicación asequible del bosón de Higgs - © CERN)¿Cómo obtiene el bosón de Higgs su propia masa?
Por otro lado, mientras las noticias circulaban por la sala, también formaron grupos de personas, pero esta vez exclusivamente de físicos. Tal grupo puede moverse lentamente por la habitación. Al igual que otras partículas, el bosón de Higgs gana masa simplemente interactuando con el campo de Higgs.
Búsqueda masiva de bosones de Higgs
¿Cómo encuentras la masa del bosón de Higgs si se descompone en otras partículas antes de que la descubramos?Si decide montar una bicicleta y desea conocer su masa, debe sumar las masas de las piezas de la bicicleta: dos ruedas, un cuadro, un volante, una silla de montar, etc.Pero si desea calcular la masa del bosón de Higgs a partir de las partículas en las que se descompone, simplemente no puede sumar las masas. Por que noLa adición de las masas de las partículas de descomposición del bosón de Higgs no funciona, ya que estas partículas tienen una energía cinética tremenda en comparación con la energía en reposo (recuerde que para una partícula en reposo E = mc 2) Esto se debe al hecho de que la masa del bosón de Higgs es mucho mayor que la masa de los productos finales de su descomposición, por lo que la energía restante va a algún lado, es decir, a la energía cinética de las partículas que surgen después de la descomposición. La teoría de la relatividad nos dice que usemos la igualdad a continuación para calcular la "masa invariante" de un conjunto de partículas después de la descomposición, lo que nos dará la masa del "padre", el bosón de Higgs:E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4Busque la masa del bosón de Higgs de sus productos de descomposición
Nota de Quantuz: aquí estamos un poco inseguros de la traducción, ya que hay términos especiales. Ofrecemos comparar la traducción con la fuente por si acaso.Cuando hablamos de desintegraciones del tipo H → Z + Z * → e + + e- + µ + + µ-, las cuatro combinaciones posibles que se muestran arriba pueden surgir tanto de la desintegración del bosón de Higgs como de procesos en segundo plano, por lo que necesitamos Mire el histograma de la masa total de cuatro partículas en las combinaciones indicadas.El histograma de masas implica que observamos una gran cantidad de eventos y tomamos nota de la cantidad de esos eventos cuando se obtiene la masa invariante resultante. Parece un histograma porque los valores de la masa invariante se dividen en columnas. La altura de cada columna indica el número de eventos en los que la masa invariante está en el rango correspondiente.Podemos imaginar que estos son los resultados de la descomposición del bosón de Higgs, pero esto no es así.Datos del bosón de Higgs del fondo
Las regiones roja y violeta del histograma muestran un "fondo" en el que se espera que ocurra el número de eventos de cuatro leptones sin la participación del bosón de Higgs.La región azul (ver animación) representa un pronóstico de "señal", en el que el número de eventos de cuatro leptones sugiere el resultado de la descomposición del bosón de Higgs. La señal se encuentra en la parte superior del fondo, porque para obtener el número total de eventos predichos, simplemente sumas todos los resultados posibles de los eventos que pueden ocurrir.Los puntos negros indican el número de eventos observados, mientras que las líneas negras que pasan a través de los puntos representan incertidumbre estadística en estos números. Un aumento en los datos (ver la siguiente diapositiva) a 125 GeV es un signo de una nueva partícula de 125 GeV (bosón de Higgs).
Una animación de la evolución de los datos para el bosón de Higgs a medida que se acumula se encuentra en el sitio original .La señal del bosón de Higgs se eleva lentamente sobre el fondo.El bosón de Higgs se descompone en dos fotones
La desintegración en dos fotones (H → γ + γ) tiene un fondo aún más amplio, pero la señal se distingue claramente.
Este es un histograma de la masa invariante para la descomposición del bosón de Higgs en dos fotones. Como puede ver, el fondo es muy amplio en comparación con el gráfico anterior. Esto se debe a que hay muchos más procesos que producen dos fotones que procesos con cuatro leptones.La línea roja punteada muestra el fondo y la línea roja gruesa muestra la suma del fondo y la señal. Vemos que los datos están de acuerdo con la nueva partícula en la región de 125 GeV.Primeros defectos de datos
Los datos fueron convincentes, pero no perfectos, y tuvieron defectos significativos. Para el 4 de julio de 2012, no había suficientes estadísticas para determinar la velocidad a la que una partícula (bosón de Higgs) se descompone en diferentes conjuntos de partículas menos masivas (las llamadas "proporciones de ramificación") predichas por el Modelo Estándar.Una "proporción de ramificación" es simplemente la probabilidad de que una partícula decaiga a través de un canal de descomposición dado. El modelo estándar predice estas proporciones y se mide observando repetidamente las desintegraciones de las mismas partículas.El siguiente gráfico muestra las mejores medidas de proporciones de ramificación que podemos hacer a partir de 2013. Dado que estas son las proporciones predichas por el Modelo Estándar, la expectativa es 1.0. Los puntos son medidas actuales. Obviamente, los segmentos de error (líneas rojas) en la mayoría todavía son demasiado grandes para sacar conclusiones serias. Estos segmentos se reducen a medida que se reciben nuevos datos y los puntos posiblemente se muevan.
¿Cómo saber que una persona está observando un evento candidato para el bosón de Higgs? Hay parámetros únicos que resaltan tales eventos.¿Es la partícula un bosón de Higgs?
Si bien se descubrió la descomposición de una nueva partícula, el ritmo al que esto ocurre para el 4 de julio aún no estaba claro. Ni siquiera se sabía si la partícula abierta tenía los números cuánticos correctos, es decir, si tenía el giro y la paridad requeridas para el bosón de Higgs.En otras palabras, el 4 de julio, la partícula parecía un pato, pero necesitábamos asegurarnos de que nada como un pato y grazna como un pato.Todos los resultados de los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (así como el Colisionador Tevatron del Laboratorio Fermi) después del 4 de julio de 2012 mostraron una notable consistencia con las proporciones de ramificación esperadas para los cinco modos de descomposición discutidos anteriormente, y consistencia con el giro esperado (igual a cero) y la paridad (igual a +1), que son los números cuánticos básicos.Estos parámetros son importantes para determinar si la nueva partícula es realmente el bosón de Higgs o alguna otra partícula inesperada. Entonces, toda la evidencia disponible apunta al bosón de Higgs del Modelo Estándar.¡Algunos físicos encontraron esto decepcionante! Si la nueva partícula es el bosón de Higgs del Modelo estándar, entonces el Modelo estándar está esencialmente completo. Todo lo que se puede hacer ahora es tomar medidas con una precisión cada vez mayor de lo que ya está abierto.Pero si la nueva partícula resulta ser algo impredecible por el Modelo Estándar, entonces esto abrirá la puerta a muchas nuevas teorías e ideas para probar. Los resultados inesperados siempre requieren nuevas explicaciones y ayudan a impulsar la física teórica.¿De dónde vino la masa en el universo?
En la materia ordinaria, la mayor parte de la masa está contenida en átomos y, para ser precisos, está contenida en un núcleo que consiste en protones y neutrones.Los protones y los neutrones están formados por tres quarks, que adquieren su masa al interactuar con el campo de Higgs.PERO ... las masas de los quarks contribuyen aproximadamente 10 MeV, que es aproximadamente el 1% de la masa del protón y el neutrón. Entonces, ¿de dónde viene la masa restante?Resulta que la masa del protón surge debido a la energía cinética de sus quarks constituyentes. Como usted, por supuesto, sabe, masa y energía están conectadas por la igualdad E = mc 2 .Entonces, solo una pequeña parte de la masa de materia ordinaria en el Universo pertenece al mecanismo de Higgs. Sin embargo, como veremos en la siguiente sección, ¡el Universo estaría completamente deshabitado sin la masa de Higgs, y no habría nadie para descubrir el mecanismo de Higgs!Si no hubiera un campo de Higgs?
Si no hubiera un campo de Higgs, ¿cómo sería el universo?Esto no es tan obvio.Ciertamente, nada uniría electrones en los átomos. Volarían separados a la velocidad de la luz.Pero los quarks están conectados por una interacción fuerte y no pueden existir en forma libre. Algunos estados unidos de quarks podrían haberse conservado, pero sobre los protones y los neutrones no está claro.Todo esto probablemente sería una cuestión nuclear. Y tal vez todo esto se derrumbó como resultado de la gravedad.Un hecho en el que estamos seguros: el Universo sería frío, oscuro y sin vida.Entonces, el bosón de Higgs nos salva del universo frío, oscuro y sin vida, donde no hay personas para abrir el bosón de Higgs.¿Es el bosón de Higgs del bosón del modelo estándar?
Sabemos con certeza que la partícula que descubrimos es el bosón de Higgs. También sabemos que es muy similar al bosón de Higgs del modelo estándar. Pero hay dos puntos que aún no están probados:1. A pesar del hecho de que el bosón de Higgs del Modelo Estándar, existen ligeras diferencias que indican la existencia de una nueva física (ahora desconocida).2. Hay más de un bosón de Higgs, con otras masas. Esto también sugiere que aparecerán nuevas teorías para la investigación.Solo el tiempo y los nuevos datos ayudarán a revelar la pureza del Modelo estándar y su bosón o nuevas teorías físicas emocionantes. Source: https://habr.com/ru/post/es388943/
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