🕷️ 🛕 👨‍⚕️ Higgs boson (terjemahan) 🍾 🛀🏽 ⚙️

Kami di Quantuz ( ~~mencoba untuk bergabung dengan komunitas GT~~ ) menawarkan terjemahan kami dari bagian situs Higgs boson particleadventure.org. Dalam teks ini, kami mengecualikan gambar tidak informatif (lihat versi lengkap dalam aslinya). Materi akan menarik bagi semua orang yang tertarik pada pencapaian terbaru fisika terapan.

Peran bos Higgs

Boson Higgs adalah partikel terakhir yang ditemukan dalam Model Standar. Ini adalah komponen kritis dari teori ini. Penemuannya membantu mengkonfirmasi mekanisme bagaimana partikel fundamental memperoleh massa. Partikel-partikel fundamental dalam Model Standar ini adalah quark, lepton, dan partikel pembawa kekuatan.

Teori 1964

Pada tahun 1964, enam fisikawan teoritis mengemukakan hipotesis tentang keberadaan medan baru (seperti medan elektromagnetik), yang mengisi semua ruang dan memecahkan masalah kritis dalam pemahaman kita tentang alam semesta.

Apapun, fisikawan lain membangun teori partikel fundamental, yang disebut "Model Standar", yang memberikan akurasi fenomenal (akurasi eksperimental beberapa bagian dari Model Standar mencapai 1 dalam 10 miliar. Ini setara dengan memprediksi jarak antara New York dan San Francisco dengan akurasi sekitar 0,4 mm). Upaya-upaya ini terkait erat. Model Standar membutuhkan mekanisme untuk memperoleh partikel massa. Teori lapangan dikembangkan oleh Peter Higgs, Robert Braut, Francois Engler, Gerald Goralnik, Karl Hagen dan Thomas Kibble.

Boson

Peter Higgs menyadari bahwa dengan analogi dengan bidang kuantum lainnya, pasti ada partikel yang terkait dengan bidang baru ini. Seharusnya memiliki putaran sama dengan nol dan, dengan demikian, menjadi boson - partikel dengan putaran penuh (tidak seperti fermion, di mana putaran setengah bilangan bulat: 1/2, 3/2, dll.). Dan memang, dia segera dikenal sebagai Higgs Boson. Satu-satunya kelemahannya adalah tidak ada yang melihatnya.

Berapa massa boson?

Sayangnya, teori yang memprediksi boson tidak merinci massa. Tahun-tahun berlalu, sampai menjadi jelas bahwa boson Higgs harus sangat berat dan, kemungkinan besar, di luar jangkauan untuk instalasi yang dibangun sebelum Large Hadron Collider (LHC).

Ingat bahwa menurut E = mc ² , semakin besar massa partikel, semakin banyak energi yang dibutuhkan untuk membuatnya.

Sementara LHC mulai mengumpulkan data pada 2010, percobaan pada akselerator lain menunjukkan bahwa massa boson Higgs harus lebih besar dari 115 GeV / s2. Dalam percobaan di LHC, direncanakan untuk mencari bukti boson dalam kisaran massa 115-600 GeV / s2 atau bahkan lebih tinggi dari 1000 GeV / s2.

Setiap tahun, secara eksperimental, adalah mungkin untuk mengecualikan boson dengan massa besar. Pada tahun 1990, diketahui bahwa massa yang diinginkan harus lebih besar dari 25 GeV / s2, dan pada tahun 2003 ternyata lebih besar dari 115 GeV / s2

Tabrakan di Large Hadron Collider dapat menghasilkan banyak hal menarik

Dennis Overbay di New York Times berbicara tentang merekonstruksi kondisi seper satu triliun detik setelah Big Bang dan mengatakan:

" ... sisa-sisa [ledakan] di bagian kosmos ini belum terlihat sejak Semesta mendingin 14 miliar tahun lalu - musim semi kehidupan berlalu, lagi dan lagi dalam semua varian yang mungkin, seolah-olah Semesta berpartisipasi dalam versi filmnya sendiri "Groundhog Day "

Salah satu dari "sisa" ini mungkin adalah bos Higgs. Massanya harus sangat besar, dan harus membusuk dalam waktu kurang dari satu nanodetik.

Pengumuman

Setelah setengah abad harapan, drama menjadi tegang. Fisikawan sedang tidur di pintu masuk ke audiensi untuk mengambil tempat di sebuah seminar di laboratorium CERN di Jenewa.

Lebih dari sepuluh ribu mil dari sini, di sisi lain planet ini, pada konferensi internasional bergengsi tentang fisika partikel di Melbourne, ratusan ilmuwan dari seluruh dunia berkumpul untuk mendengarkan siaran seminar dari Jenewa.

Tapi pertama-tama, mari kita lihat di tempat itu.

4 Juli Kembang Api

Pada 4 Juli 2012, manajer percobaan ATLAS dan CMS di Large Hadron Collider mempresentasikan hasil pencarian Higgs boson terbaru mereka. Rumor mengatakan bahwa mereka akan melaporkan lebih dari sekedar laporan hasil, tetapi apa?

Tentu saja, ketika hasilnya dipresentasikan, kedua kolaborasi yang melakukan percobaan melaporkan bahwa mereka menemukan bukti keberadaan partikel "mirip dengan boson Higgs" dengan massa sekitar 125 GeV. Itu pasti partikel, dan jika itu bukan bos Higgs, maka tiruannya sangat berkualitas tinggi.

Buktinya tidak meragukan, para ilmuwan memiliki hasil lima sigma, yang berarti bahwa ada kurang dari satu probabilitas per juta, bahwa data hanyalah kesalahan statistik.

Higgs boson pecah menjadi partikel lain

Higgs boson meluruh menjadi partikel lain segera setelah diproduksi, sehingga kita hanya bisa mengamati produk peluruhannya. Peluruhan yang paling umum (di antara yang dapat kita lihat) ditunjukkan pada gambar:

Setiap varian peluruhan dari boson Higgs dikenal sebagai "saluran peluruhan" atau "mode peluruhan". Meskipun mode bb adalah umum, banyak proses lain menghasilkan partikel yang sama, jadi jika Anda mengamati peluruhan bb, sangat sulit untuk mengetahui apakah partikel muncul karena Higgs boson atau entah bagaimana. Kami mengatakan bahwa mode peluruhan bb memiliki "latar belakang yang luas."

Saluran peluruhan terbaik untuk mencari boson Higgs adalah saluran dua foton dan dua boson Z. *

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

Z + Z

Z-boson juga memiliki beberapa mode peluruhan, termasuk Z → e + + e- dan Z → µ + + µ-.

Mode peluruhan Z + Z cukup sederhana untuk percobaan ATLAS dan CMS, ketika kedua bos Z membusuk dalam satu dari dua mode (Z → e + e- atau Z → μ + μ-). Ada empat mode peluruhan Higgs boson yang diamati pada gambar:

Hasil akhirnya adalah bahwa kadang-kadang pengamat akan melihat (selain beberapa partikel yang tidak terikat) empat muon, atau empat elektron, atau dua muon dan dua elektron.

Bagaimana Higgs boson akan terlihat dalam detektor ATLAS

Dalam acara ini, sebuah "jet" (jet) muncul turun, dan bos Higgs naik, tetapi hampir seketika hancur berantakan. Setiap gambar tabrakan disebut "acara."

Contoh peristiwa dengan kemungkinan keruntuhan boson Higgs dalam bentuk animasi yang indah dari tabrakan dua proton dalam Large Hadron Collider dapat dilihat di situs sumber di tautan ini .

Dalam acara ini, boson Higgs dapat diproduksi, dan kemudian segera meluruh menjadi dua boson Z, yang pada gilirannya akan segera meluruh (meninggalkan dua muon dan dua elektron).

Mekanisme massa partikel

Penemuan boson Higgs adalah kunci luar biasa untuk mengungkap bagaimana partikel fundamental memperoleh massa, seperti yang dinyatakan oleh Higgs, Braut, Engler, Gerald, Karl, dan Kibble. Mekanisme apa ini? Ini adalah teori matematika yang sangat kompleks, tetapi gagasan utamanya dapat dipahami dalam bentuk analogi sederhana.

Bayangkan ruang yang dipenuhi dengan ladang Higgs sebagai pesta fisikawan yang tenang berbicara satu sama lain dengan koktail ...
Pada suatu titik Peter Higgs masuk, menciptakan kegembiraan, bergerak melalui ruangan dan menarik sekelompok penggemar dengan setiap langkah ...

Profesor Higgs dapat bergerak dengan bebas sebelum memasuki ruangan. Tetapi setelah memasuki ruangan yang penuh dengan fisikawan, kecepatannya menurun. Sekelompok penggemar memperlambat gerakannya di sekitar ruangan; dengan kata lain, dia mendapatkan massa. Ini mirip dengan partikel tanpa massa yang memperoleh massa saat berinteraksi dengan bidang Higgs.

Tapi yang dia inginkan hanyalah pergi ke bar!

(Gagasan analogi adalah milik Prof. David J. Miller dari University College London, yang memenangkan hadiah untuk penjelasan yang terjangkau dari bos Higgs - © CERN)

Bagaimana boson Higgs mendapatkan massa sendiri?

Di sisi lain, sementara berita beredar di sekitar ruangan, mereka juga membentuk kelompok orang, tetapi kali ini secara eksklusif dari fisikawan. Kelompok semacam itu perlahan bisa bergerak di sekitar ruangan. Seperti partikel lainnya, boson Higgs memperoleh massa hanya dengan berinteraksi dengan medan Higgs.

Higgs boson, pencarian massal

Bagaimana Anda menemukan massa boson Higgs jika meluruh menjadi partikel lain sebelum kita menemukannya?

Jika Anda memutuskan untuk merakit sepeda dan ingin mengetahui massanya, Anda harus menjumlahkan massa bagian-bagian sepeda: dua roda, kerangka, roda kemudi, pelana, dll.

Tetapi jika Anda ingin menghitung massa boson Higgs dari partikel di mana ia meluruh, Anda tidak bisa menjumlahkan massa. Kenapa tidak

Penambahan massa partikel pembusukan boson Higgs tidak bekerja, karena partikel-partikel ini memiliki energi kinetik yang luar biasa dibandingkan dengan energi sisa (ingat bahwa untuk partikel saat istirahat E = mc ²) Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa massa boson Higgs jauh lebih besar daripada massa produk akhir dari peluruhannya, sehingga energi yang tersisa pergi ke suatu tempat, yaitu, ke dalam energi kinetik dari partikel yang timbul setelah peluruhan. Teori relativitas memberitahu kita untuk menggunakan persamaan di bawah ini untuk menghitung "massa invarian" dari sekumpulan partikel setelah peluruhan, yang akan memberi kita massa "induk", bos Higgs:

E ² = p ² c ² + m ² c ⁴

Cari massa boson Higgs dari produk peluruhannya

Quantuz Catatan: di sini kami sedikit tidak yakin dengan terjemahannya, karena ada istilah khusus. Kami menawarkan untuk membandingkan terjemahan dengan sumbernya untuk berjaga-jaga.

Ketika kita berbicara tentang peluruhan tipe H → Z + Z * → e + + e- + µ + + μ-, empat kemungkinan kombinasi yang ditunjukkan di atas dapat muncul baik dari pembusukan Higgs boson dan dari proses latar belakang, jadi kita perlu lihat histogram massa total empat partikel dalam kombinasi yang ditunjukkan.

Histogram massa menyiratkan bahwa kami mengamati sejumlah besar peristiwa dan mencatat jumlah peristiwa tersebut ketika massa invarian yang dihasilkan diperoleh. Itu tampak seperti histogram karena nilai-nilai massa invarian dibagi menjadi kolom. Ketinggian setiap kolom menunjukkan jumlah peristiwa di mana massa invarian berada dalam kisaran yang sesuai.

Kita dapat membayangkan bahwa ini adalah hasil dari pembusukan bos Higgs, tetapi tidak demikian halnya.

Higgs boson data dari latar belakang

Daerah merah dan ungu dari histogram menunjukkan "latar belakang" di mana jumlah peristiwa empat-lepton diharapkan terjadi tanpa partisipasi bos Higgs.

Wilayah biru (lihat animasi) mewakili ramalan "sinyal", di mana jumlah peristiwa empat-lepton menunjukkan hasil pembusukan boson Higgs. Sinyal terletak di bagian atas latar belakang, karena untuk mendapatkan perkiraan jumlah total peristiwa, Anda cukup menjumlahkan semua hasil yang mungkin dari peristiwa yang mungkin terjadi.

Titik-titik hitam menunjukkan jumlah peristiwa yang diamati, sementara garis-garis hitam yang melewati titik-titik tersebut mewakili ketidakpastian statistik dalam angka-angka ini. Peningkatan data (lihat slide berikutnya) di 125 GeV adalah tanda partikel 125 GeV baru (Higgs boson).

Animasi evolusi data untuk boson Higgs ketika terakumulasi ada di situs asli .

Sinyal Higgs boson perlahan naik di atas latar belakang.

Higgs boson membusuk menjadi dua foton

Pembusukan menjadi dua foton (H → γ + γ) memiliki latar belakang yang lebih luas, tetapi sinyal jelas dibedakan.

Ini adalah histogram massa invarian untuk peluruhan boson Higgs menjadi dua foton. Seperti yang Anda lihat, latar belakangnya sangat luas dibandingkan dengan grafik sebelumnya. Ini karena ada lebih banyak proses yang menghasilkan dua foton daripada proses dengan empat lepton.

Garis merah putus-putus menunjukkan latar belakang, dan garis merah tebal menunjukkan jumlah latar belakang dan sinyal. Kami melihat bahwa data tersebut dalam perjanjian yang baik dengan partikel baru di wilayah 125 GeV.

Kelemahan data pertama

Data meyakinkan, tetapi tidak sempurna, dan memiliki kekurangan yang signifikan. Pada 4 Juli 2012, tidak ada statistik yang cukup untuk menentukan tingkat di mana suatu partikel (Higgs boson) dipecah menjadi set yang berbeda dari partikel yang kurang masif (yang disebut "proporsi percabangan") yang diprediksi oleh Model Standar.

"Proporsi percabangan" hanyalah probabilitas bahwa suatu partikel akan membusuk melalui saluran peluruhan tertentu. Proporsi ini diprediksi oleh Model Standar dan diukur dengan berulang kali mengamati peluruhan partikel yang sama.

Grafik berikut menunjukkan pengukuran proporsi percabangan terbaik yang bisa kita buat pada 2013. Karena ini adalah proporsi yang diprediksi oleh Model Standar, harapannya adalah 1,0. Poin adalah pengukuran saat ini. Jelas, segmen kesalahan (garis merah) di mayoritas masih terlalu besar untuk menarik kesimpulan serius. Segmen ini berkurang karena data baru diterima dan poin mungkin bergerak.

Bagaimana mengetahui bahwa seseorang sedang mengamati acara kandidat untuk bos Higgs? Ada beberapa parameter unik yang menyoroti acara semacam itu.

Apakah partikelnya Higgs boson?

Sementara peluruhan partikel baru ditemukan, laju di mana hal ini terjadi pada 4 Juli masih belum jelas. Bahkan tidak diketahui apakah partikel terbuka memiliki angka kuantum yang benar - yaitu, apakah partikel itu memiliki putaran dan paritas yang diperlukan untuk boson Higgs.

Dengan kata lain, pada 4 Juli, partikel itu terlihat seperti bebek, tetapi kami perlu memastikan bahwa itu berenang seperti bebek dan dukun seperti bebek.

Semua hasil percobaan ATLAS dan CMS dari Large Hadron Collider (serta Tevatron Collider dari Fermi Laboratory) setelah 4 Juli 2012 menunjukkan konsistensi luar biasa dengan proporsi percabangan yang diharapkan untuk lima mode peluruhan yang dibahas di atas, dan konsistensi dengan putaran yang diharapkan (sama dengan nol) dan paritas (sama dengan nol) dan paritas (sama dengan nol) +1), yang merupakan bilangan kuantum dasar.

Parameter ini penting untuk menentukan apakah partikel baru itu benar-benar boson Higgs atau partikel tak terduga lainnya. Jadi semua bukti yang tersedia menunjuk ke bos Higgs dari Model Standar.

Beberapa fisikawan menemukan ini mengecewakan! Jika partikel baru adalah boson Higgs dari Model Standar, maka Model Standar pada dasarnya selesai. Semua yang sekarang bisa dilakukan adalah melakukan pengukuran dengan meningkatkan akurasi dari apa yang sudah terbuka.

Tetapi jika partikel baru ternyata merupakan sesuatu yang tidak dapat diprediksi oleh Model Standar, maka ini akan membuka pintu bagi banyak teori dan ide baru untuk pengujian. Hasil yang tidak terduga selalu memerlukan penjelasan baru dan membantu mendorong fisika teoretis ke depan.

Dari mana datangnya massa di alam semesta?

Dalam materi biasa, sebagian besar massa terkandung dalam atom, dan, tepatnya, terkandung dalam nukleus yang terdiri dari proton dan neutron.

Proton dan neutron terbuat dari tiga quark, yang memperoleh massa dengan berinteraksi dengan medan Higgs.

TAPI ... massa quark berkontribusi sekitar 10 MeV, yaitu sekitar 1% dari massa proton dan neutron. Jadi dari mana datangnya massa yang tersisa?

Ternyata massa proton muncul karena energi kinetik dari kuark penyusunnya. Seperti Anda, tentu saja, tahu, massa dan energi dihubungkan oleh persamaan E = mc ² .

Jadi hanya sebagian kecil dari massa materi biasa di Semesta yang termasuk dalam mekanisme Higgs. Namun, seperti yang akan kita lihat di bagian selanjutnya, Semesta akan sepenuhnya tidak berpenghuni tanpa massa Higgs, dan tidak akan ada orang yang menemukan mekanisme Higgs!

Jika tidak ada bidang Higgs?

Jika tidak ada bidang Higgs, akan seperti apa jagat raya?

Ini tidak begitu jelas.

Tentu saja, tidak ada yang akan mengikat elektron dalam atom. Mereka akan terbang terpisah dengan kecepatan cahaya.

Tetapi quark dihubungkan oleh interaksi yang kuat dan tidak dapat eksis dalam bentuk bebas. Beberapa kondisi quark terikat mungkin telah dipertahankan, tetapi tentang proton dan neutron tidak jelas.

Semua ini mungkin merupakan masalah seperti nuklir. Dan mungkin semua ini runtuh akibat gravitasi.

Fakta di mana kita yakin: Alam Semesta akan dingin, gelap, dan tak bernyawa.
Jadi bos Higgs menyelamatkan kita dari alam semesta yang dingin, gelap, tak bernyawa, di mana tidak ada orang yang membuka bos Higgs.

Apakah bos Higgs dari bos Model Standar?

Kami tahu pasti bahwa partikel yang kami temukan adalah bos Higgs. Kita juga tahu bahwa itu sangat mirip dengan boson Higgs dari Model Standar. Tetapi ada dua poin yang masih belum terbukti:

1. Terlepas dari kenyataan bahwa Higgs boson dari Standard Model, ada sedikit perbedaan yang menunjukkan keberadaan fisika baru (sekarang tidak diketahui).
2. Ada lebih dari satu boson Higgs, dengan massa lainnya. Ini juga menunjukkan bahwa teori-teori baru untuk penelitian akan muncul.

Hanya waktu dan data baru yang akan membantu mengungkapkan kemurnian Model Standar dan bosonnya atau teori-teori fisik baru yang menarik.

Higgs boson (terjemahan)