Große Higgs-Jagd

Große Higgs-Jagd

Alexey Levin
"Popular Mechanics" №5, 2013

Am 4. Juli 2012 wurde offiziell bekannt gegeben, dass die Experimente zur Suche nach dem Higgs-Boson am Large Hadron Collider (LHC) sehr wahrscheinlich von Erfolg gekrönt sein werden.

Warum brauchen Physiker diesen Boson überhaupt? Die Symmetrien des Standardmodells (siehe "PM" Nr. 3'2012) verbieten, dass Elementarteilchen nicht null Masse haben. Das Problem kann umgangen werden, wenn man davon ausgeht, dass der ganze Raum mit einem speziellen Feld gefüllt ist, das diese Symmetrien durchbricht und allen Teilchen Masse verleiht, mit Ausnahme eines Photons, eines Gluons und möglicherweise eines Neutrinos.

Nach der Tradition, die der amerikanische Physiker Benjamin Lee im Jahr 1966 festgelegt hat, heißt es Higgs-Feld. Das CM enthält vier Higgs-Felder und dementsprechend vier skalare Bosonen, von denen drei keine Masse haben. Sie vermitteln eine Masse von Vektorbosonen W+W und Z, aber sie selbst verschwinden. Aber ein massives Quantum des vierten Feldes, das als Folge der Kollision hochenergetischer Teilchen erscheinen mag, erscheint für eine sehr kurze Zeit als unabhängiges Teilchen. Es ist das Higgs-Boson oder einfach das Higgs.

Boson-Koppel

Die Theorie macht es unmöglich, die Masse des Higgs-Bosons zu bestimmen – dies kann nur experimentell geschehen.Lange Zeit war es nicht möglich, diese Masse annähernd zu schätzen, nur die obere Grenze war bekannt – etwa 1000 GeV.

Das SM erlaubt uns, die Wahrscheinlichkeit verschiedener Methoden (Kanäle) der Produktion und des Zerfalls des Higgs in Experimenten an Beschleunigern zu berechnen. Die Ergebnisse dieser Berechnungen hängen jedoch stark von ihrer ursprünglich unbekannten Masse ab. Andererseits sind zumindest die hypothetischen Werte dieser Wahrscheinlichkeiten notwendig, ansonsten werden die Zerfallsspuren einfach in sehr vielen anderen Ereignissen nach den Kollisionen hochenergetischer Teilchen ertrinken.

Daher haben Theoretiker lange vor dem Beginn von Experimenten an Beschleunigern die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Higgs-Produktions- und Zerfallsprozesse betrogen. Die erste derartige Arbeit wurde bereits 1975 veröffentlicht, obwohl ihre Autoren die für die 10 GeV-Boson-Masse charakteristischen Prozesse betrachteten (die Fähigkeiten von Beschleunigern zu dieser Zeit waren begrenzt).

Geburtsurkunde

Laut der SM sind die Higgs-Bosonen am LHC auf unterschiedliche Weise geboren. Zum Beispiel führen paarweise Kollisionen von Gluonen zur Entstehung eines virtuellen t-Quarks, das zu einem Higgs zerfällt. Ein weiteres Ergebnis einer solchen Kollision könnte die Entstehung eines Quark-Antiquark-Paares plus dem Higgs-Boson sein.Ein Paar kollidierender "intraprotonaler" Quarks kann zwei reelle Quarks niedrigerer Energien und zwei virtuelle schwere Vektorbosonen (W oder Z) ergeben, die gemeinsam das Higgs-Boson erzeugen. Und schließlich sind Prozesse möglich, die das Higgs-Boson in einem Unternehmen mit einem W- oder Z-Boson aus dem Vakuum reißen. Aber jede der Higgs-Schöpfungsakte ist äußerst selten: In anderthalb Jahren können unzählige unzählige Kollisionen von Bak-Protonen nur 200.000 Higgs erzeugen.

Aber seit Beginn der 1990er Jahre, als die wahre Jagd nach dem schwer fassbaren Teilchen begann, begannen die Physiker allmählich, die roten Fahnen des Massenraums einzuschließen, wo das Higgs nicht sein kann. Von 1989 bis 2000 funktionierte am CERN der Large Electron-Positron Collider (LEP), für den ein unterirdischer kreisförmiger 27 Kilometer langer Tunnel gebaut wurde (heute befindet sich dort der Hauptring des LHC).

Die Kollisionsenergie der Teilchen im LEP, die anfänglich 90 GeV nicht überstieg, wurde mit der Zeit mehr als verdoppelt. Die Analyse der LEP-Experimente zeigte, dass die Higgs-Masse nicht weniger als 114,4 GeV betragen kann. Von 2007 bis 2011 wurde er im amerikanischen Proton-Antiproton-Beschleuniger gesucht. Tevatron, die den Higgs-Massenbereich (bis zu 115-135 GeV) weiter (wenn auch statistisch nicht allzu signifikant) verengten.

Die Ergebnisse der Ende 2011 veröffentlichten Experimente am LHC legen nahe, dass die Higgs-Masse genau in der Mitte dieses Intervalls liegt, im Intervall zwischen 124 und 126 GeV. Daher wurden die experimentellen Daten für 2012 auf der Grundlage der Annahme berechnet, dass es 125 GeV ist.

Proton-Montage

Im Gegensatz zu LEP und TevatronWo Teilchen und Antiteilchen kollidieren, arbeitet der LHC nur mit Protonen. In den Jahren 2010-2011 betrug ihre Energie 3,5 GeV und im Jahr 2012 stieg sie auf 4 TeV. Im Februar dieses Jahres wurde der LHC bis 2016 zur Modernisierung geschlossen, wonach die Energie der Teilchen in jedem Strahl auf 7 TeV gebracht wird (daher wird die Gesamtenergie 14 TeV betragen), ebenso wie die Kollisionsfrequenz (Collider-Luminanz).

Bei der Suche nach dem Higgs-Boson im Collider wurden gleichzeitig 500 Billionen Protonen gedreht und zu etwa 2800 Bündeln gruppiert. Die Suche wurde an den Hauptdetektorkomplexen des ATLAS Colliders (A Ringförmig Lhc Gerät) und CMS (Kompaktes Muon-Magnetventil). In den Detektoren reduzieren die elektromagnetischen Steuerfelder Protonen aus parallelen Trajektorien und lenken sie aufeinander zu.

Blätterteigkuchen
ATLAS- und CMS-Komplexe enthalten Gleisdetektoren, die die Flugbahn von Teilchen bestimmen, und ein elektromagnetisches Kalorimeter zur Messung der Photonenenergie,Elektronen und Positronen. Hadronenenergien werden mit einem Hadronkalorimeter, Myonen – einem Myonenspektrometer gemessen. Neutrinos entkommen aus allen Detektoren, transportieren aber einen Teil des Gesamtimpulses.

Obwohl Hunderte von Milliarden von Teilchen an der Kollision von zwei Bündeln beteiligt sind, überstieg 2011 die durchschnittliche Anzahl der Interproton-Kollisionen pro Kontakt ein Dutzend nicht, und im Jahr 2012 stieg sie auf zwanzig. Aber da die Trauben 20 Millionen Mal pro Sekunde überquerten, wurde die Gesamtzahl der Kollisionen pro Sekunde in Hunderten von Millionen gemessen.

Ein frontaler Aufprall zweier Protonen (die aus Quarks und Antiquarks bestehen, die durch ein Gluonenfeld zusammengehalten werden), beschleunigt auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, führt zu vielen Sekundärteilchen, unter denen sich auch Higgs befinden können.

Fingerabdrücke

Das Higgs-Boson ist nicht nur schwer herzustellen, es ist auch sehr schwer zu erkennen. Laut CM ist seine Lebenszeit 1,6 · 10-22 c, und der Abstand zwischen den Punkten seines Auftretens und Verschwindens überschreitet nicht mehrere zehn Femtometer. Und obwohl die BAC-Detektoren ein Wunderwerk der Messgeräte sind, können sie solche kurzen Distanzen nicht messen.Daher kann das Higgs-Boson ausschließlich durch seine Zerfallsprodukte gefunden werden.

Und hier gibt es Schwierigkeiten. Wenn die Higgs-Masse 125 GeV ist, dann verwandelt sie sich mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 70% in ein b-Quark-b-Antiquark-Paar oder ein Paar Gluonen, die im Laufe weiterer Transformationen zu Jets – Dutzenden von konischen Jets – führen. Sie sind leicht zu entdecken … aber sehr schwer von Jets von Nicht-Higgs-Ursprung zu unterscheiden. In weiteren 27% der Fälle erscheinen W-Bosonen oder die massivsten Leptonen, Tau-Teilchen, die ebenfalls unwesentliche Signaturen im Detektor hinterlassen, an der Stelle des verschwundenen Higgs.

Aber die Natur gab den Wissenschaftlern zwei weitere Chancen, das begehrte Boson zu finden. Da er elektrisch neutral ist, ist er nicht in der Lage, Photonen direkt zu erzeugen, sondern kann dies durch eine Zwischeninstanz tun. CM erlaubt es Higgs, massive geladene virtuelle Teilchen zu erzeugen, die sofort verschwinden und ein Paar Gamma-Quanten zurücklassen. Das Higgs kann sich auch in zwei neutrale Z-Bosonen verwandeln (auch virtuell, sonst wird das Energieerhaltungsgesetz verletzt, da die Doppelmasse des Z-Bosons viel größer ist als die Higgs-Masse).

Planetenskala

  • Um alle Spuren einer einzelnen Interproton-Kollision aufzuzeichnen, benötigen Sie mindestens ein Megabyte, und der gesamte Rohdatenstrom von den LHC-Detektoren beträgt 300 GB / s.
  • Die redundante Information wird mit einem zweistufigen Computerfiltersystem eliminiert, so dass der Datenfluss auf "bescheidene" 300 MB / s reduziert werden kann.
  • Die jährliche Datenmenge, die von den LHC-Detektoren im Jahr 2010 aufgezeichnet wurde, betrug etwa 13 Petabyte, bis 2012 waren es 25 Petabyte.
  • Diese Daten werden an das Informationsnetzwerk übertragen. Weltweit Lhc Computer-Gittervereint mehr als 170 Rechenzentren in 36 Ländern der Welt. Mit diesem Netzwerk können Wissenschaftler auf der ganzen Welt Dutzende Petabyte an Informationen über 300 Billionen Kollisionen am LHC analysieren.
  • Die wissenschaftlichen Ingenieurteams jedes der ATLAS- und CMS-Detektoren umfassen mehr als 3000 Spezialisten aus mehr als 40 Ländern der Welt.

Jeder von ihnen zerfällt wiederum in ein Elektron und ein Positron oder in positive und negative Myonen, so dass das Higgs schließlich zu einem Vierfachen von Leptonen wird. Diese Zerfälle geben die eindeutigste Signatur in den Detektoren, aber ihre Gesamtwahrscheinlichkeit ist sehr klein: Mit einer 125 GeV Higgs-Masse beträgt sie 0,23% für einen Zweiphotonen-Kanal und 0,013% für einen Vier-Leptonen-Kanal.Ein solches Schwergewicht, wie Higgs, lässt sich viel leichter in massive Teilchen verwandeln als in Photonen, Elektronen und Myonen.

Offizielle Präsentation

Nadeln im Heuhaufen zu finden ist kindisch spaßig im Vergleich zur Higgs-Jagd. So ergab die CMS-Kollaboration für anderthalb Jahre der Experimente nur fünf (!) Four-Lepton-Ereignisse, die dem Higgs-Zerfall in ein Paar Z-Bosonen folgen sollten. Dennoch registrierten beide Teams nicht nur die Geburt eines "Higgs-ähnlichen" Partikels (elektrisch neutral, mit einem ganzzahligen Spin ungleich Eins und positiver Parität) mit einer sehr geringen Fehlerwahrscheinlichkeit, sondern schätzten auch fast gleich seine Masse: 126,0 ± 0,6 GeV (ATLAS) und 125,3 ± 0,6 GeV (CMS).

Die Juli-Ergebnisse enthielten auch kleine Überraschungen. Das neue Teilchen manifestierte sich in einem Zwei-Photonen-Zerfallskanal anderthalb Mal häufiger als das CM vorgeschrieben. Higgs zerfällt in b-Quarks und W-Bosonen konnten nicht bemerkt werden (die Physiker haben nicht wirklich darauf gehofft), aber die Experimentatoren fanden keine Anzeichen von Higgs-Zerfall in Tau-Teilchen, obwohl die Chancen für ihren Nachweis etwas höher waren. Die Teilnehmer der ATLAS-Kollaboration kündigten auch eine Diskrepanz in den Massenschätzungen des neuen Teilchens an, die in den Zwei-Photonen- und Vier-Leptonen-Kanälen nachgewiesen wurden.

Im ersten Fall fiel es fast mit dem vorherigen Wert zusammen, im zweiten Fall mit weniger als etwa 3 GeV. Dies ist umso merkwürdiger, als die CMS-Kollaboration einen Monat zuvor (im November 2012) ihre eigene aktualisierte Schätzung der Partikelmasse für ihren Vier-Leptonen-Zerfall veröffentlicht hat, die fast mit der Juli-Schätzung übereinstimmt. Physiker neigen zu der Annahme, dass diese Diskrepanz auf statistischen Schwankungen beruht.

Physik: alt oder neu?

"Die erhöhte Häufigkeit von Zerfällen des erwarteten Higgs zu einem Paar von Gamma-Quanten hat noch keine eindeutige Erklärung gefunden. Die Entstehung und das Verschwinden virtueller Zwischenpartikel kann die Häufigkeit von Zwei-Photonen-Kanalereignissen im Vergleich zu den Erwartungen des Standardmodells erhöhen", kommentiert der theoretische Physiker der theoretischen Situation Das kalifornische Institut für Technologie Sean Carroll, Autor eines kürzlich erschienenen Buches über die Suche nach dem Higgs-Boson – Daten zum Zwei-Photonen-Zerfall könnten daher ein Zeichen für eine neue Physik sein Hypothese, und es ist möglich, dass sie im Rahmen der SM erklärt werden können. "

Carroll glaubt, dass die Diskrepanz von 3 GeV zwischen den Bosonenmassen auch auf die neue Physik zurückzuführen ist.Aber in diesem Fall ist es notwendig zu erkennen, dass die Zerfälle von zwei verschiedenen, aber sehr ähnlichen Bosonen gefunden wurden. Es ist schwierig, eine Theorie zu finden, die die Koexistenz solcher Bosonen erlaubt.

Wahrscheinlich ist alles viel einfacher: Die Anzahl der detektierten Zerfälle ist extrem klein, und selbst kleine Unterschiede in den Massenschätzungen, die auf der Grundlage jedes einzelnen Ereignisses berechnet werden, können das Endergebnis signifikant verändern. Daher wird die Diskrepanz wahrscheinlich verschwinden, wenn die experimentellen Daten akkumuliert und verfeinert werden.

Laut Carroll haben alle veröffentlichten Daten zum neuen Partikel die Korrektur des Standardmodells noch nicht auf die Tagesordnung gesetzt. Die Situation könnte sich 2015 ändern, wenn der LHC nach der Modernisierung in Betrieb genommen wird. Bis dahin bedroht das CM nichts. Die wissenschaftliche Gemeinschaft sieht das Gleiche: Anfang März 2013 auf einer wissenschaftlichen Konferenz in Italien Moriond-2013 wurden die Ergebnisse der Analyse von fast allen Anzeichen von Detektoren des LHC präsentiert, die in 2011-2012 angesammelt wurden. Die allgemeine Schlussfolgerung klang nicht wie eine Sensation: Das neu entdeckte Teilchen ähnelt mehr und mehr dem Higgs-Boson, wie es im Standardmodell beschrieben ist.


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: