Higgs Boson (traduction)
Chez Quantuz (en essayant de rejoindre la communauté GT ), nous proposons notre traduction de la section du site Higgs boson particleadventure.org. Dans ce texte, nous avons exclu les images non informatives (voir la version complète dans l'original). Le matériel sera intéressant pour tous ceux qui s'intéressent aux dernières réalisations de la physique appliquée.
Rôle du boson de Higgs
Le boson de Higgs était la dernière particule découverte dans le modèle standard. Il s'agit d'un élément essentiel de la théorie. Sa découverte a permis de confirmer le mécanisme de l'acquisition de la masse des particules fondamentales. Ces particules fondamentales du modèle standard sont des quarks, des leptons et des particules porteuses de force.1964 Théorie
En 1964, six physiciens théoriciens ont avancé l'hypothèse de l'existence d'un nouveau champ (comme un champ électromagnétique), qui remplit tout l'espace et résout un problème critique dans notre compréhension de l'univers.Quoi qu'il en soit, d'autres physiciens ont construit une théorie des particules fondamentales, appelée «modèle standard», qui a fourni une précision phénoménale (la précision expérimentale de certaines parties du modèle standard atteint 1 sur 10 milliards. Cela équivaut à prédire la distance entre New York et San Francisco avec une précision d'environ 0,4 mm). Ces efforts sont étroitement liés. Le modèle standard avait besoin d'un mécanisme pour acquérir des particules de masse. La théorie des champs a été développée par Peter Higgs, Robert Been, François Engler, Gerald Goralnik, Karl Hagen et Thomas Kibble.Boson
Peter Higgs s'est rendu compte que par analogie avec d'autres champs quantiques, il devait y avoir une particule associée à ce nouveau champ. Il devrait avoir un spin égal à zéro et, par conséquent, être un boson - une particule avec un spin entier (contrairement aux fermions, dans lesquels le spin est demi-entier: 1/2, 3/2, etc.). Et en effet, il est rapidement devenu connu sous le nom de Boson de Higgs. Son seul inconvénient était que personne ne l'avait vu.Quelle est la masse du boson?
Malheureusement, la théorie prédisant le boson n'a pas précisé sa masse. Des années ont passé, jusqu'à ce qu'il devienne clair que le boson de Higgs devait être extrêmement lourd et, très probablement, hors de portée des installations construites avant le Grand collisionneur de hadrons (LHC).N'oubliez pas que selon E = mc 2 , plus la masse de la particule est grande, plus il faut d'énergie pour la créer.Alors que le LHC a commencé à collecter des données en 2010, des expériences sur d'autres accélérateurs ont montré que la masse du boson de Higgs devrait être supérieure à 115 GeV / s2. Au cours d'expériences au LHC, il était prévu de rechercher des preuves d'un boson dans la gamme de masse de 115 à 600 GeV / s2 ou même supérieur à 1000 GeV / s2.
Chaque année, expérimentalement, il a été possible d'exclure des bosons de grandes masses. En 1990, on savait que la masse souhaitée devait être supérieure à 25 GeV / s2, et en 2003, il s'est avéré qu'elle était supérieure à 115 GeV / s2Les collisions au Grand collisionneur de hadrons peuvent générer beaucoup de choses intéressantes
Dennis Overbay dans le New York Times parle de reconstruire les conditions d'un billionième de seconde après le Big Bang et dit:« ... les restes [de l'explosion] dans cette partie de l'espace n'ont pas été vus depuis que l'Univers s'est refroidi il y a 14 milliards d'années - le printemps de la vie est éphémère, encore et encore dans toutes ses variantes possibles, comme si l'Univers participait à sa propre version du film «Groundhog Day ».Un de ces «restes» pourrait être le boson de Higgs. Sa masse doit être très grande et elle doit se désintégrer en moins d'une nanoseconde.Annonce
Après un demi-siècle d'attente, le drame est devenu tendu. Des physiciens dormaient à l'entrée du public pour prendre place lors d'un séminaire au laboratoire du CERN à Genève.À plus de dix mille kilomètres d'ici, de l'autre côté de la planète, lors de la prestigieuse conférence internationale sur la physique des particules à Melbourne, des centaines de scientifiques du monde entier se sont réunis pour entendre la diffusion d'un séminaire de Genève.Mais d'abord, jetons un œil aux locaux.Feu d'artifice du 4 juillet
Le 4 juillet 2012, les responsables des expériences ATLAS et CMS du Large Hadron Collider ont présenté leurs derniers résultats de recherche sur les bosons de Higgs. La rumeur voulait qu'ils rapportent plus qu'un simple rapport sur les résultats, mais quoi?Bien entendu, lorsque les résultats ont été présentés, les deux collaborations menant les expériences ont rapporté avoir trouvé des preuves de l'existence d'une particule "similaire au boson de Higgs" d'une masse d'environ 125 GeV. C'était définitivement une particule, et si ce n'est pas le boson de Higgs, alors son imitation est de très haute qualité.Les preuves n'étaient pas douteuses; les scientifiques ont obtenu cinq résultats sigma, ce qui signifie qu'il y a moins d'une probabilité par million, que les données sont simplement une erreur statistique.
Le boson de Higgs se décompose en d'autres particules
Le boson de Higgs se désintègre en d'autres particules presque immédiatement après sa production, de sorte que nous ne pouvons qu'observer ses produits de désintégration. Les désintégrations les plus courantes (parmi celles que nous pouvons voir) sont illustrées dans la figure:
Chaque variante de désintégration du boson de Higgs est connue sous le nom de «canal de désintégration» ou «mode de désintégration». Bien que le mode bb soit commun, de nombreux autres processus produisent des particules similaires, donc si vous observez la désintégration bb, il est très difficile de dire si les particules sont apparues en raison du boson de Higgs ou d'une manière ou d'une autre. Nous disons que le mode de désintégration bb a un "arrière-plan large".Les meilleurs canaux de désintégration pour rechercher le boson de Higgs sont les canaux de deux photons et de deux bosons Z. **( 125 Z- , Z- 91 , 182 , 125 . , , Z- Z- (Z*), .)Z + Z
Les bosons Z ont également plusieurs modes de désintégration, y compris Z → e + + e- et Z → µ + + µ-.Le mode de désintégration Z + Z était assez simple pour les expériences ATLAS et CMS, lorsque les deux bosons Z se sont désintégrés dans l'un des deux modes (Z → e + e- ou Z → μ + μ-). Il y a quatre modes de désintégration du boson de Higgs observés sur la figure:
Le résultat final est que parfois l'observateur verra (en plus de certaines particules non liées) quatre muons, ou quatre électrons, ou deux muons et deux électrons.À quoi ressemblerait le boson de Higgs dans un détecteur ATLAS
Dans cet événement, un "jet" (jet) est apparu en descendant, et le boson de Higgs - en place, mais il s'est presque instantanément effondré. Chaque image de collision est appelée un «événement».
Un exemple d'un événement avec l'effondrement possible du boson de Higgs sous la forme d'une belle animation de la collision de deux protons dans le Grand collisionneur de hadrons peut être consulté sur le site source à ce lien .Dans ce cas, le boson de Higgs peut être produit, puis se désintègre immédiatement en deux bosons Z, qui à leur tour se désintègrent immédiatement (laissant deux muons et deux électrons).Mécanisme de masse des particules
La découverte du boson de Higgs est une clé incroyable pour découvrir comment les particules fondamentales gagnent en masse, comme l'ont affirmé Higgs, Braut, Engler, Gerald, Karl et Kibble. Quel est ce mécanisme? Il s'agit d'une théorie mathématique très complexe, mais son idée principale peut être comprise sous la forme d'une simple analogie.Imaginez l'espace rempli du champ de Higgs comme un groupe de physiciens qui se parlent calmement avec des cocktails ...À un moment donné, Peter Higgs entre, créant de l'excitation, se déplaçant dans la pièce et attirant un groupe de fans à chaque pas ...Le professeur Higgs a pu se déplacer librement avant d'entrer dans la pièce. Mais après être entré dans une salle pleine de physiciens, sa vitesse a diminué. Un groupe de fans a ralenti son mouvement dans la pièce; en d'autres termes, il a pris de la masse. Ceci est similaire à une particule sans masse qui acquiert de la masse lorsqu'elle interagit avec un champ de Higgs.
Mais tout ce qu'il voulait, c'était aller au bar!(L'idée de l'analogie appartient au professeur David J. Miller de l'University College London, qui a remporté le prix pour une explication abordable du boson de Higgs - © CERN)Comment le boson de Higgs obtient-il sa propre masse?
D'un autre côté, alors que les nouvelles circulaient dans la salle, ils formaient également des groupes de personnes, mais cette fois exclusivement de physiciens. Un tel groupe peut se déplacer lentement dans la pièce. Comme les autres particules, le boson de Higgs gagne en masse simplement en interagissant avec le champ de Higgs.
Recherche de masse du boson de Higgs
Comment trouvez-vous la masse du boson de Higgs s'il se désintègre en d'autres particules avant de le découvrir?Si vous décidez d'assembler un vélo et que vous souhaitez connaître sa masse, vous devez additionner les masses des pièces du vélo: deux roues, un cadre, un volant, une selle, etc.Mais si vous voulez calculer la masse du boson de Higgs à partir des particules dans lesquelles il se désintègre, vous ne pouvez tout simplement pas additionner les masses. Pourquoi pasL'ajout des masses des particules de désintégration du boson de Higgs ne fonctionne pas, car ces particules ont une énergie cinétique énorme par rapport à l'énergie de repos (rappelez-vous que pour une particule au repos E = mc 2) Cela est dû au fait que la masse du boson de Higgs est beaucoup plus grande que la masse des produits finaux de sa désintégration, donc l'énergie restante va quelque part, à savoir dans l'énergie cinétique des particules résultant de la désintégration. La théorie de la relativité nous dit d'utiliser l'égalité ci-dessous pour calculer la "masse invariante" d'un ensemble de particules après désintégration, ce qui nous donnera la masse du "parent", le boson de Higgs:E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4Rechercher la masse de bosons de Higgs à partir de ses produits de désintégration
Quantuz Remarque: ici, nous sommes un peu incertains de la traduction, car il existe des termes spéciaux. Nous vous proposons de comparer la traduction avec la source au cas où.Lorsque nous parlons de désintégrations de type H → Z + Z * → e + + e- + µ + + µ-, les quatre combinaisons possibles illustrées ci-dessus peuvent provenir à la fois de la désintégration du boson de Higgs et de processus d'arrière-plan, nous avons donc besoin regardez l'histogramme de la masse totale de quatre particules dans les combinaisons indiquées.L'histogramme des masses implique que nous observons un grand nombre d'événements et notons le nombre de ces événements lorsque la masse invariante résultante est obtenue. Il ressemble à un histogramme car les valeurs de la masse invariante sont divisées en colonnes. La hauteur de chaque colonne indique le nombre d'événements dans lesquels la masse invariante est dans la plage correspondante.Nous pouvons imaginer que ce sont les résultats de la désintégration du boson de Higgs, mais ce n'est pas le cas.Données de boson de Higgs de l'arrière-plan
Les régions rouge et violette de l'histogramme montrent un «arrière-plan» dans lequel le nombre d'événements à quatre leptons devrait se produire sans la participation du boson de Higgs.La région bleue (voir l'animation) représente une prévision «signal», dans laquelle le nombre d'événements à quatre leptons suggère le résultat de la désintégration du boson de Higgs. Le signal est situé en haut de l'arrière-plan, car pour obtenir le nombre total prévu d'événements, vous additionnez simplement tous les résultats possibles des événements qui peuvent se produire.Les points noirs indiquent le nombre d'événements observés, tandis que les lignes noires passant par les points représentent l'incertitude statistique de ces nombres. Une augmentation des données (voir la diapositive suivante) à 125 GeV est le signe d'une nouvelle particule de 125 GeV (boson de Higgs).
Une animation de l'évolution des données du boson de Higgs à mesure qu'il s'accumule se trouve sur le site d'origine .Le signal du boson de Higgs monte lentement au-dessus de l'arrière-plan.Le boson de Higgs se désintègre en deux photons
La décroissance en deux photons (H → γ + γ) a un fond encore plus large, mais néanmoins le signal est clairement distingué.
Il s'agit d'un histogramme de la masse invariante pour la désintégration du boson de Higgs en deux photons. Comme vous pouvez le voir, l'arrière-plan est très large par rapport au graphique précédent. En effet, il y a beaucoup plus de processus produisant deux photons que de processus à quatre leptons.La ligne rouge pointillée montre l'arrière-plan et l'épaisse ligne rouge montre la somme de l'arrière-plan et du signal. Nous voyons que les données sont en bon accord avec la nouvelle particule dans la région de 125 GeV.Premières failles de données
Les données étaient convaincantes, mais pas parfaites, et présentaient des défauts importants. Au 4 juillet 2012, il n'y avait pas suffisamment de statistiques pour déterminer la vitesse à laquelle une particule (boson de Higgs) se décompose en différents ensembles de particules moins massives (les soi-disant «proportions de ramification») prédits par le modèle standard.Une «proportion de ramification» est simplement la probabilité qu'une particule se désintègre à travers un canal de désintégration donné. Ces proportions sont prédites par le modèle standard et mesurées en observant à plusieurs reprises les désintégrations des mêmes particules.Le graphique suivant montre les meilleures mesures de proportions de ramification que nous pouvons faire à partir de 2013. Comme ce sont les proportions prévues par le modèle standard, l'attente est de 1,0. Les points sont des mesures actuelles. De toute évidence, les segments d'erreur (lignes rouges) dans la majorité sont encore trop grands pour tirer des conclusions sérieuses. Ces segments sont réduits à mesure que de nouvelles données sont reçues et des points peuvent éventuellement se déplacer.
Comment apprendre qu'une personne observe un événement candidat pour le boson de Higgs? Il existe des paramètres uniques qui mettent en évidence de tels événements.La particule est-elle un boson de Higgs?
Bien que la décomposition d'une nouvelle particule ait été découverte, le rythme auquel cela se produit au 4 juillet n'était toujours pas clair. On ne savait même pas si la particule ouverte avait les nombres quantiques corrects - c'est-à-dire si elle avait le spin et la parité requis pour le boson de Higgs.En d'autres termes, le 4 juillet, la particule ressemblait à un canard, mais nous devions nous assurer qu'elle nage comme un canard et quacks comme un canard.Tous les résultats des expériences ATLAS et CMS du Large Hadron Collider (ainsi que du Tevatron Collider du Laboratoire Fermi) après le 4 juillet 2012 ont montré une cohérence remarquable avec les proportions de ramification attendues pour les cinq modes de désintégration décrits ci-dessus, et la cohérence avec le spin attendu (égal à zéro) et la parité (égale à +1), qui sont les nombres quantiques de base.Ces paramètres sont importants pour déterminer si la nouvelle particule est vraiment le boson de Higgs ou une autre particule inattendue. Donc, toutes les preuves disponibles indiquent le boson de Higgs du modèle standard.Certains physiciens ont trouvé cela décevant! Si la nouvelle particule est le boson de Higgs du modèle standard, le modèle standard est pratiquement terminé. Il ne reste plus qu'à prendre des mesures avec une précision croissante de ce qui est déjà ouvert.Mais si la nouvelle particule s'avère être quelque chose d'imprévisible par le modèle standard, cela ouvrira la porte à de nombreuses nouvelles théories et idées pour les tests. Les résultats inattendus nécessitent toujours de nouvelles explications et aident à faire avancer la physique théorique.D'où vient la masse dans l'univers?
Dans la matière ordinaire, la majeure partie de la masse est contenue dans des atomes et, pour être précis, contenue dans un noyau composé de protons et de neutrons.Les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks, qui acquièrent leur masse en interagissant avec le champ de Higgs.MAIS ... les masses de quarks contribuent à environ 10 MeV, ce qui représente environ 1% de la masse du proton et du neutron. D'où vient donc la masse restante?Il s'avère que la masse du proton résulte de l'énergie cinétique de ses quarks constitutifs. Comme vous le savez bien sûr, la masse et l'énergie sont reliées par l'égalité E = mc 2 .Ainsi, seule une petite partie de la masse de matière ordinaire de l'Univers appartient au mécanisme de Higgs. Cependant, comme nous le verrons dans la section suivante, l'Univers serait complètement inhabité sans la masse de Higgs, et il n'y aurait personne pour découvrir le mécanisme de Higgs!S'il n'y avait pas de champ Higgs?
S'il n'y avait pas de champ de Higgs, à quoi ressemblerait l'univers?Ce n'est pas si évident.Certes, rien ne lierait les électrons dans les atomes. Ils volaient à part à la vitesse de la lumière.Mais les quarks sont reliés par une forte interaction et ne peuvent exister sous forme libre. Certains états liés des quarks auraient pu être préservés, mais en ce qui concerne les protons et les neutrons, ce n'est pas clair.Tout cela serait probablement une question de type nucléaire. Et peut-être que tout cela s'est effondré à cause de la gravité.Un fait dont nous sommes certains: l'Univers serait froid, sombre et sans vie.Le boson de Higgs nous sauve donc de l'univers froid, sombre et sans vie, où il n'y a personne pour ouvrir le boson de Higgs.Le boson de Higgs est-il du boson du modèle standard?
Nous savons avec certitude que la particule que nous avons découverte est le boson de Higgs. Nous savons également qu'il est très similaire au boson de Higgs du modèle standard. Mais il y a deux points qui ne sont pas encore prouvés:1. Malgré le fait que le boson de Higgs du modèle standard, il y a de légères différences qui indiquent l'existence d'une nouvelle physique (maintenant inconnue).2. Il y a plus d'un boson de Higgs, avec d'autres masses. Cela suggère également que de nouvelles théories de la recherche apparaîtront.Seul le temps et de nouvelles données permettront de révéler la pureté du modèle standard et de son boson ou de nouvelles théories physiques passionnantes. Source: https://habr.com/ru/post/fr388943/
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