Bóson de Higgs (tradução)
Nós da Quantuz ( tentando ingressar na comunidade GT ) estamos oferecendo nossa tradução da seção do site Higgs particoneadventure.org. Neste texto, excluímos fotos não informativas (veja a versão completa no original). O material será interessante para todos os interessados nas mais recentes conquistas da física aplicada.
Papel do bóson de Higgs
O bóson de Higgs foi a última partícula descoberta no Modelo Padrão. Este é um componente crítico da teoria. Sua descoberta ajudou a confirmar o mecanismo de como partículas fundamentais adquirem massa. Essas partículas fundamentais no Modelo Padrão são quarks, leptons e partículas portadoras de força.1964 Theory
Em 1964, seis físicos teóricos propuseram a hipótese da existência de um novo campo (como um campo eletromagnético), que preenche todo o espaço e resolve um problema crítico em nossa compreensão do universo.Independentemente disso, outros físicos construíram uma teoria das partículas fundamentais, chamada “Modelo Padrão”, que fornecia precisão fenomenal (a precisão experimental de algumas partes do Modelo Padrão atinge 1 em 10 bilhões. Isso equivale a prever a distância entre Nova York e São Francisco com uma precisão de aproximadamente 0,4 mm). Esses esforços estão intimamente ligados. O Modelo Padrão precisava de um mecanismo para adquirir partículas em massa. A teoria de campo foi desenvolvida por Peter Higgs, Robert Brought, François Engler, Gerald Goralnik, Karl Hagen e Thomas Kibble.Boson
Peter Higgs percebeu que, por analogia com outros campos quânticos, deve haver uma partícula associada a esse novo campo. Ele deve ter um spin igual a zero e, portanto, ser um bóson - uma partícula com um spin inteiro (diferentemente dos férmions, nos quais o spin é meio inteiro: 1/2, 3/2, etc.). E, de fato, ele logo se tornou conhecido como o Bóson de Higgs. Sua única desvantagem era que ninguém o tinha visto.Qual é a massa do bóson?
Infelizmente, a teoria que prediz o bóson não especifica sua massa. Os anos se passaram, até que ficou claro que o bóson de Higgs deveria ser extremamente pesado e, provavelmente, fora do alcance de instalações construídas antes do Large Hadron Collider (LHC).Lembre-se de que, de acordo com E = mc 2 , quanto maior a massa da partícula, mais energia é necessária para criá-la.Enquanto o LHC começou a coletar dados em 2010, experimentos em outros aceleradores mostraram que a massa do bóson de Higgs deveria ser maior que 115 GeV / s2. No decorrer de experimentos no LHC, foi planejado procurar evidências de um bóson na faixa de massa de 115 a 600 GeV / s2 ou até maior que 1000 GeV / s2.
A cada ano, experimentalmente, era possível excluir bósons com grandes massas. Em 1990, sabia-se que a massa desejada deveria ser maior que 25 GeV / s2 e, em 2003, verificou-se que era maior que 115 GeV / s2Colisões no Large Hadron Collider podem gerar muitas coisas interessantes
Dennis Overbay no New York Times fala sobre a reconstrução das condições de um bilionésimo de segundo após o Big Bang e diz:“ ... os restos [da explosão] nesta parte do cosmos não foram vistos desde que o Universo esfriou 14 bilhões de anos atrás - a primavera da vida é passageira, uma e outra vez em todas as suas possíveis variações, como se o Universo participasse de sua própria versão do filme "Dia da Marmota ".Um desses "restos" pode ser o bóson de Higgs. Sua massa deve ser muito grande e decair em menos de um nanossegundo.Anúncio
Após meio século de expectativas, o drama ficou tenso. Físicos dormiam na entrada da platéia para um seminário no laboratório do CERN em Genebra.A mais de dez mil milhas daqui, do outro lado do planeta, na prestigiada conferência internacional sobre física de partículas em Melbourne, centenas de cientistas de todo o mundo se reuniram para ouvir a transmissão de um seminário de Genebra.Mas primeiro, vamos dar uma olhada nas instalações.4 de julho fogos de artifício
Em 4 de julho de 2012, os gerentes de experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider apresentaram seus últimos resultados de pesquisa no bóson de Higgs. Havia rumores de que eles iam relatar mais do que apenas um relatório sobre os resultados, mas o que?Obviamente, quando os resultados foram apresentados, ambas as colaborações que conduziram os experimentos relataram que encontraram evidências da existência de uma partícula "semelhante ao bóson de Higgs" com uma massa de cerca de 125 GeV. Definitivamente, era uma partícula e, se não for o bóson de Higgs, sua imitação é de alta qualidade.A evidência não era dúbia; os cientistas obtiveram resultados de cinco sigma, o que significa que há menos de uma probabilidade por milhão, de que os dados são simplesmente um erro estatístico.
O bóson de Higgs se divide em outras partículas
O bóson de Higgs decai em outras partículas quase imediatamente após sua produção, para que possamos observar apenas seus produtos de decomposição. Os decaimentos mais comuns (dentre os que podemos ver) são mostrados na figura:
Cada variante de decaimento do bóson de Higgs é conhecida como “canal de decaimento” ou “modo de decaimento”. Embora o modo bb seja comum, muitos outros processos produzem partículas semelhantes; portanto, se você observar o decaimento do bb, é muito difícil saber se as partículas apareceram devido ao bóson de Higgs ou de alguma forma. Dizemos que o modo de decaimento bb tem um "amplo histórico".Os melhores canais de decaimento para procurar o bóson de Higgs são os canais de dois fótons e dois bósons-Z. **( 125 Z- , Z- 91 , 182 , 125 . , , Z- Z- (Z*), .)Z + Z
Os bósons-Z também possuem vários modos de decaimento, incluindo Z → e + + e- e Z → µ + + µ-.O modo de decaimento Z + Z foi bastante simples para os experimentos ATLAS e CMS, quando os dois bósons Z decaíram em um dos dois modos (Z → e + e- ou Z → μ + μ-). Existem quatro modos de decaimento do bóson de Higgs observados na figura:
O resultado final é que algumas vezes o observador verá (além de algumas partículas não ligadas) quatro múons, ou quatro elétrons, ou dois múons e dois elétrons.Como o bóson de Higgs ficaria em um detector ATLAS
Nesse caso, um "jato" (jato) surgiu e o Higgs se ergueu, mas quase instantaneamente se desfez. Cada imagem de colisão é chamada de "evento".
Um exemplo de um evento com o possível colapso do bóson de Higgs na forma de uma bela animação da colisão de dois prótons no Large Hadron Collider pode ser visto no site de origem neste link .Nesse caso, o bóson de Higgs pode ser produzido e decai imediatamente em dois bósons-Z, que por sua vez decaem imediatamente (deixando dois múons e dois elétrons).Mecanismo de massa de partículas
A descoberta do bóson de Higgs é uma chave incrível para descobrir como as partículas fundamentais ganham massa, como Higgs, Braut, Engler, Gerald, Karl e Kibble alegaram. O que é esse mecanismo? Essa é uma teoria matemática muito complexa, mas sua idéia principal pode ser entendida na forma de uma analogia simples.Imagine o espaço preenchido com o campo de Higgs como um grupo de físicos conversando calmamente com coquetéis ...Em algum momento, Peter Higgs entra, criando excitação, movendo-se pela sala e atraindo um grupo de fãs a cada passo ...O professor Higgs conseguiu se mover livremente antes de entrar na sala. Mas depois de entrar em uma sala cheia de físicos, sua velocidade diminuiu. Um grupo de fãs diminuiu seu movimento pela sala; em outras palavras, ele ganhou massa. Isso é semelhante a uma partícula sem massa que adquire massa ao interagir com um campo de Higgs.
Mas tudo o que ele queria era chegar ao bar!(A idéia de analogia pertence ao professor David J. Miller, da University College London, que ganhou o prêmio por uma explicação acessível do bóson de Higgs - © CERN)Como o bóson de Higgs obtém sua própria massa?
Por outro lado, enquanto as notícias circulavam pela sala, eles também formavam grupos de pessoas, mas desta vez exclusivamente de físicos. Esse grupo pode se mover lentamente pela sala. Como outras partículas, o bóson de Higgs ganha massa simplesmente interagindo com o campo de Higgs.
Pesquisa em massa de bóson de Higgs
Como você encontra a massa do bóson de Higgs se ela se decompõe em outras partículas antes de a descobrirmos?Se você decidir montar uma bicicleta e quiser saber sua massa, adicione as massas das peças da bicicleta: duas rodas, uma estrutura, um volante, uma sela, etc.Mas se você deseja calcular a massa do bóson de Higgs a partir das partículas nas quais se decompõe, simplesmente não pode somar as massas. Porque nãoA adição das massas das partículas de decaimento do bóson de Higgs não funciona, uma vez que essas partículas têm uma tremenda energia cinética em comparação com a energia restante (lembre-se de que para uma partícula em repouso E = mc 2) Isso se deve ao fato de a massa do bóson de Higgs ser muito maior que a massa dos produtos finais de seu decaimento, de modo que a energia restante vai para algum lugar, a saber, na energia cinética das partículas que surgem após o decaimento. A teoria da relatividade nos diz para usar a igualdade abaixo para calcular a "massa invariável" de um conjunto de partículas após a decomposição, o que nos dará a massa do "pai", o bóson de Higgs:E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4Pesquise a massa do bóson de Higgs com seus produtos de decomposição
Quantuz Nota: aqui estamos um pouco inseguros da tradução, pois existem termos especiais. Oferecemos para comparar a tradução com a fonte, apenas por precaução.Quando falamos de decaimentos do tipo H → Z + Z * → e + + e- + µ + + µ-, as quatro combinações possíveis mostradas acima podem surgir tanto da decadência do bóson de Higgs quanto dos processos em segundo plano, por isso precisamos observe o histograma da massa total de quatro partículas nas combinações indicadas.O histograma de massas implica que observamos um grande número de eventos e anotamos o número desses eventos quando a massa invariante resultante é obtida. Parece um histograma porque os valores da massa invariável são divididos em colunas. A altura de cada coluna indica o número de eventos em que a massa invariável está no intervalo correspondente.Podemos imaginar que estes são os resultados da decadência do bóson de Higgs, mas não é assim.Dados do bóson de Higgs em segundo plano
As regiões vermelha e violeta do histograma mostram um "fundo" no qual se espera que o número de eventos de quatro lepton ocorra sem a participação do bóson de Higgs.A região azul (ver animação) representa uma previsão de "sinal", na qual o número de eventos de quatro lepton sugere o resultado da decadência do bóson de Higgs. O sinal está localizado na parte superior do plano de fundo, porque, para obter o número total previsto de eventos, você simplesmente adiciona todos os resultados possíveis dos eventos que podem ocorrer.Os pontos pretos indicam o número de eventos observados, enquanto as linhas pretas que passam pelos pontos representam incerteza estatística nesses números. Um aumento nos dados (veja o próximo slide) em 125 GeV é um sinal de uma nova partícula de 125 GeV (bóson de Higgs).
Uma animação da evolução dos dados para o bóson de Higgs à medida que se acumula está no site original .O sinal do bóson de Higgs sobe lentamente acima do fundo.Bóson de Higgs decaído em dois fótons
O decaimento em dois fótons (H → γ + γ) tem um fundo ainda mais amplo, mas, no entanto, o sinal é claramente distinto.
Este é um histograma da massa invariável para a decomposição do bóson de Higgs em dois fótons. Como você pode ver, o fundo é muito amplo comparado ao gráfico anterior. Isso ocorre porque há muito mais processos produzindo dois fótons do que processos com quatro léptons.A linha vermelha pontilhada mostra o fundo e a linha vermelha grossa mostra a soma do fundo e do sinal. Vemos que os dados estão de acordo com a nova partícula na região de 125 GeV.Primeiras falhas de dados
Os dados eram convincentes, mas não perfeitos, e apresentavam falhas significativas. Até 4 de julho de 2012, não havia estatísticas suficientes para determinar a taxa na qual uma partícula (bóson de Higgs) se decompõe em diferentes conjuntos de partículas menos massivas (as chamadas "proporções de ramificação") previstas pelo Modelo Padrão.Uma "proporção de ramificação" é simplesmente a probabilidade de uma partícula decair através de um determinado canal de decaimento. Essas proporções são previstas pelo Modelo Padrão e medidas pela observação repetida de decaimentos das mesmas partículas.O gráfico a seguir mostra as melhores medidas de proporções de ramificação que podemos fazer a partir de 2013. Como essas são as proporções previstas pelo Modelo Padrão, a expectativa é de 1,0. Pontos são medições atuais. Obviamente, os segmentos de erro (linhas vermelhas) na maioria ainda são grandes demais para tirar conclusões sérias. Esses segmentos são reduzidos à medida que novos dados são recebidos e os pontos podem se mover.
Como saber que uma pessoa está observando um evento candidato ao bóson de Higgs? Existem parâmetros exclusivos que destacam esses eventos.A partícula é um bóson de Higgs?
Enquanto o decaimento de uma nova partícula foi descoberto, o ritmo em que isso ocorre até 4 de julho ainda não estava claro. Nem se sabia se a partícula aberta tinha os números quânticos corretos - isto é, se tinha a rotação e a paridade necessárias para o bóson de Higgs.Em outras palavras, em 4 de julho, a partícula parecia um pato, mas precisávamos garantir que nada como um pato e grasna como um pato.Todos os resultados dos experimentos ATLAS e CMS do Large Hadron Collider (e do Tevatron Collider do Fermi Laboratory) após 4 de julho de 2012 mostraram consistência notável com as proporções de ramificação esperadas para os cinco modos de decaimento discutidos acima e consistência com o giro esperado (igual a zero) e paridade (igual a +1), que são os números quânticos básicos.Esses parâmetros são importantes para determinar se a nova partícula é realmente o bóson de Higgs ou alguma outra partícula inesperada. Portanto, todas as evidências disponíveis apontam para o bóson de Higgs a partir do Modelo Padrão.Alguns físicos acharam isso uma decepção! Se a nova partícula for o bóson de Higgs do Modelo Padrão, então o Modelo Padrão estará essencialmente completo. Agora, tudo o que pode ser feito é fazer medições com maior precisão do que já está aberto.Mas se a nova partícula for algo imprevisível pelo Modelo Padrão, isso abrirá as portas para muitas novas teorias e idéias para testes. Resultados inesperados sempre exigem novas explicações e ajudam a impulsionar a física teórica.De onde veio a massa no universo?
Na matéria comum, a maior parte da massa está contida em átomos e, para ser mais preciso, está contida em um núcleo constituído por prótons e nêutrons.Prótons e nêutrons são feitos de três quarks, que adquirem sua massa interagindo com o campo de Higgs.MAS ... as massas de quarks contribuem com cerca de 10 MeV, que é cerca de 1% da massa do próton e do nêutron. Então, de onde vem a massa restante?Acontece que a massa do próton surge devido à energia cinética de seus quarks constituintes. Como você sabe, é claro, massa e energia estão conectadas pela igualdade E = mc 2 .Portanto, apenas uma pequena parte da massa de matéria comum no Universo pertence ao mecanismo de Higgs. No entanto, como veremos na próxima seção, o Universo seria completamente desabitado sem a massa de Higgs, e não haveria ninguém para descobrir o mecanismo de Higgs!Se não houvesse campo Higgs?
Se não houvesse campo de Higgs, como seria o universo?Isto não é tão óbvio.Certamente, nada ligaria elétrons nos átomos. Eles voariam separados na velocidade da luz.Mas os quarks são conectados por uma forte interação e não podem existir de forma livre. Alguns estados ligados de quarks podem ter sido preservados, mas sobre prótons e nêutrons não está claro.Tudo isso provavelmente seria matéria nuclear. E talvez tudo isso tenha desmoronado como resultado da gravidade.Um fato em que temos certeza: o universo seria frio, escuro e sem vida.Assim, o bóson de Higgs nos salva do universo frio, escuro e sem vida, onde não há pessoas para abrir o bóson de Higgs.O bóson de Higgs é do bóson do Modelo Padrão?
Sabemos com certeza que a partícula que descobrimos é o bóson de Higgs. Também sabemos que é muito semelhante ao bóson de Higgs do Modelo Padrão. Mas existem dois pontos que ainda não foram comprovados:1. Apesar do fato de o bóson de Higgs do Modelo Padrão, existem pequenas diferenças que indicam a existência de uma nova física (agora desconhecida).2. Há mais de um bóson de Higgs, com outras massas. Isso também sugere que novas teorias para pesquisa serão exibidas.Somente o tempo e os novos dados ajudarão a revelar a pureza do Modelo Padrão e seu bóson ou novas teorias físicas empolgantes. Source: https://habr.com/ru/post/pt388943/
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