"Tanrı" nın sırrını yakalamak için bilim adamları, Higgs bozonunun en yaygın çürümesini başarıyla gözlemlediler.
Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) 28'inde, "Tanrı parçacığı" Higgs bozonunun keşfedilmesinden altı yıl sonra, araştırmacıların sonunda onun bir çift alt kuark halinde bozunduğunu gözlemlediklerini duyurdu. Bu "yaygın bozunmanın" yakalanması, araştırmacılar tarafından Higgs bozonunun keşfedilmesinde bir kilometre taşı olarak görülüyor.
Higgs bozonunun oluşumu için koşullar çok ağırdır. Büyük Hadron Çarpıştırıcısını gözlemlemek için yaklaşık 1 milyar çarpışma gerektirir ve ömrü son derece kısadır. Higgs'in kütlesinin 126 GeV olduğunu varsayarsak, standart model bir ortalama Yaşam süresi yaklaşık 1,6 × 1022 saniyedir. Higgs bozonunu doğrudan görmek imkansız olduğundan, bilim adamları özelliklerini incelemek için bu ikincil parçacıkların bozunma ürünlerini kullanırlar. Higgs bozonunun 2012'de keşfedilmesinden bu yana, bilim adamları mevcut teorilere göre bozulmasının ancak yaklaşık% 30'unu belirleyebiliyorlar. ABD Enerji Bakanlığı, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda bir ATLAS fizikçisi olan Viviana Cavaliere, son birkaç yılda Higgs bozonu çok hızlı bozunduğu için onu ele geçirmenin her zaman bir öncelik olduğunu söyledi.
Standart Parçacık Fiziği Modelinin tahminine göre, Higgs bozonunun yaklaşık% 60'ı, altı kuarkın ikinci kuarkı olan (ilki üst kuarktır) bir çift alt kuarka bozunacaktır. Yeni gözlemler, standart modelin bu "yaygın bozulma" tahminini desteklemektedir. Araştırmacılar, gözlemler Standart Modelin tahminleriyle eşleşmezse, Standart Modelin temelini sarsacaklarını ve fizikte yeni yönleri göstereceklerini söylüyorlar (keşfedilecek başka parçacıklar var mı?).
Şekil 1 Higgs bozonunun iki alt kuarka (mavi daire) bozunması, buna eşlik eden bir W bozonu bir müona (kırmızı çizgi) ve bir nötrinoya (beyaz çizgi) bozunarak ATLAS aday olayı
Kaynak: ATLAS / CERN
40 yıldan fazla bir süre önce, bilim adamları "Standart Model" adı verilen bir parçacık fiziği teorisi geliştirdiler, ancak bu teori bulmacanın son parçası olan Higgs bozonu eksikti. Bu bulunması zor ve son derece önemli olan "Tanrı parçacığı", diğer parçacıkların nasıl kütle elde ettiklerini açıklamanın anahtarı olarak kabul edilir. Temmuz 2012'de, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki (LHC) CERN Araştırmacıları, LHC'nin en dikkat çekici başarısı olan Higgs bozonunun keşfini duyurdu.
Şekil 2 Higgs bozonu, Z bozonunun bir çift pozitif ve negatif elektrona (kırmızı) dönüştüğü bir CMS aday olayı eşliğinde iki alt kuarka (mavi) bozunur.
Kaynak: CMS / CERN
Araştırmacılara göre, Higgs bozonunun birden fazla bozunma kanalı var.Bu sefer ortak bozunma kanalını (alt kuarka bozunmayı) gözlemlemek kolay değil. Asıl zorluk proton ve protonların çarpışmasında çok sayıda alt kuarkın bulunmasıdır. Bu nedenle, Higgs bozonu bozunma sinyalini gürültü girişiminden izole etmek zordur. Aksine, Higgs bozonu keşfedildiğinde gözlenen daha az yaygın bozunma kanalı (bir çift fotona dönüştü) o yıl arka plandan daha kolay çıkarılır.
Sinyali çıkarmak için, Büyük Hadron Çarpıştırıcısının iki deneysel proje grubu ATLAS (toroidal enstrüman) ve CMS (kompakt müon bobini) analiz için Büyük Hadron Çarpıştırıcısının iki çalışan verisini birleştirdi. Sonuç olarak, Higgs bozonunun bozunarak bir çift dip kuarkına dönüştüğü tespit edildi. Buna ek olarak, iki proje ekibi, mevcut ölçüm doğruluğu aralığında standart model tahminiyle tutarlı zayıflama oranını da ölçtü.
Standart modeldeki temel parçacıklar
Şimdiye kadar, Standart Model, fizikteki fiziksel dünyanın en derin ve en objektif anlayışı ve maddenin temel bileşimini ve işleyişini tanımlayan en başarılı teoridir. Standart Model, fiziksel boşluğun hiçbir şey olmadığına, boşluğun alanlarla dolu olduğuna ve alanların uyarılmış durumlarının parçacıklar olduğuna inanır. Parçacıklar, kurucu maddelere ve aracılara bölünmüştür Bileşenler, mevcut maddi dünyayı oluşturan "temel" parçacıklardır ve aracılar, etkileşimleri aktaran parçacıklardır.
Kurucu atomların (maddelerin) spinleri yarı tuhaftır ve kuarklara ve leptonlara bölünmüş fermiyonlardır. Kuark'ın üç nesli vardır: (u, d), (c, s), (t, b); leptonların da sırasıyla üç nesli vardır, (e, ve), (, v), (, v) Nötrino salınımı denen farklı nesillerin nötrinoları birbirine dönüştürülebilir.Bu fenomen nötrinoların standart modeli aşan bir kütleye sahip olmasını gerektirir. Bir mezonun (propagatör) dönüşü bir tamsayıdır ve bir bozondur ve şu bölümlere ayrılır: zayıf etkileşimleri ileten ara bozonlar, W ± ve Z0, elektromanyetik etkileşimleri ileten fotonlar, güçlü etkileşimler ileten gluonlar; Higgs, maddenin niteliğe sahip olmasını sağlar. Yerçekimi etkileşimini ileten graviton henüz keşfedilmedi.
Ek olarak, bozonlar Bose-Einstein istatistiklerini takip eder ve Pauli uyumsuzluk ilkesini takip etmezler (elektron dejenerasyonu, gök cisimlerinin evriminde beyaz cücelerin oluşumuna yol açan Pauli uyumsuzluk ilkesi tarafından üretilir) , Bose-Einstein yoğunlaşması düşük sıcaklıklarda meydana gelebilir. Fermiyonlar, Fermi-Dirac istatistiklerine ve Pauli dışlama ilkesine uyar.
Standart modeldeki fermiyonlardan altı tanesi kuarktır (mor ile temsil edilir) ve altısı leptondur (yeşil ile gösterilir). Bu iki tip parçacığın sağ tarafında, dört ayar bozonu (kırmızı ile gösterilir) vardır, en sağda Higgs bozonudur (sarı ile gösterilir).
Şekil 3 Standart modeldeki temel parçacıklar
Kaynak: Popüler Bilim Çin
Tabloda gösterildiği gibi, toplam 61 çeşit temel parçacık vardır. Renk, dahili bir özgürlük derecesidir. Renk kısıtlaması ve kademeli serbestlik nedeniyle şu ana kadar serbest kuarkların gözlemlenmediğini, ancak yalnızca iki kuarktan oluşan mezonlar, üç kuarktan oluşan baryonlar, dört kuark veya beş kuarktan oluşan garip kuarklar gözlemlendiğini belirtmek gerekir. Durum parçacıkları. Modern parçacık fiziğinin çeşitli teorik modelleri, Standart Model çerçevesinde parçacıkların çeşitli özelliklerini daha ayrıntılı ve doğru bir şekilde tanımlar.
Parçacıkların içsel özellikleri şunları içerir: kütle, yük, dönüş, parite, vb.; Etkileşim özellikleri şunları içerir: oluşturulan kanalın enine kesiti, bozunma kanalının dal oranı, vb.
Standart modeldeki Higgs mekanizması
Parçacık fiziğinde Standart Model, güçlü, zayıf ve elektromanyetik kuvvetlerin üç temel kuvvetini ve tüm maddeyi oluşturan temel parçacıkları tanımlayabilen, yaygın olarak kabul gören bir çerçevedir. Yerçekimine ek olarak, standart model bu dünyadaki çoğu fiziksel olguyu makul bir şekilde açıklayabilir.
Erken Standart Modelin dayandığı gösterge alanı teorisi, temel kuvvetin ayar değişmezliğinden kaynaklandığını ve ayar bozonları tarafından iletildiğini açıklığa kavuşturdu. Gösterge alanı teorisi kesin olarak gösterge bozonunun kütleye sahip olmaması gerektiğini öngörür, bu nedenle elektromanyetik etkileşimi ileten gösterge bozonunun (foton) kütlesi yoktur. Fotonun kalitesinin gerçekten de deneysel olarak sıfır olduğu doğrulandı.
Benzetme yapmak gerekirse, zayıf etkileşimleri ileten ayar bozonlarının (W bozonları, Z bozonları) kütlesi olmamalıdır, ancak deneyler W ve Z bozonlarının kütlelerinin sıfır olmadığını kanıtlamaktadır. İlk model mükemmel değildir, bu nedenle W bozonu ve Z bozonuna taşıdıkları kaliteyi kazandırmak için özel bir mekanizma kurmak gerekir.
Sonuç olarak, 1960'larda, birkaç fizikçi, ayar alanı teorisini ihlal etmeden temel parçacıklara kütle vermek için kendiliğinden simetri kırılmasını kullanabilen bir mekanizma geliştirdi. Bu mekanizmaya Higgs mekanizması denir ve Higgs mekanizması deneysel olarak doğrulanmıştır. Bununla birlikte, fizikçiler hala Higgs mekanizması hakkında çok fazla ayrıntı bilmiyorlar.
Şekil 4 İngiliz fizikçi Peter Higgs
Kaynak: www.ed.ac.uk
Bu mekanizma, evrenin, belirli temel parçacıklarla etkileşime girebilen ve kütle kazanmalarını sağlamak için kendiliğinden simetri kırılmasını kullanabilen Higgs alanıyla dolu olduğunu varsayar.
Higgs bozonu, Higgs alanının eşlik ettiği bir kütle bozonudur ve Higgs alanının kuantum uyarımıdır. Higgs bozonunun varlığı doğrulanabilirse, tıpkı okyanusun varlığının deniz yüzeyindeki dalgaları gözlemleyerek çıkarılabilmesi gibi, Higgs alanının varlığı da çıkarılabilir.
Higgs'in yürüyüş sırasında kaprisli olduğu söyleniyor, uzayın su gibi olduğuna inanıyordu.Nesneler suda hareket ederken direnç yaşayacak ve hareketi zorlaştıracak; buna bağlı olarak parçacıklar da bazılarına maruz kalacaktır. Engeller, böylece makroskopik görünümde "kalite" olarak yansıtılan ivme elde etmek için para ödemeleri gerekir. Bu sözde "Higgs mekanizması" dır.
Teorik fizikçi Brian Green ilginç bir benzetme yaptı. "Higgs Alanını" bir "paparazziler" olarak hayal edebilir ve uzaydaki tüm malzemeleri "yıldız" olarak değerlendirebilir misiniz? "Paparazziler" onları görmek ve etraflarını sarmak için acele edecek ve yıldız kaçmak için ileriye doğru ilerlemelidir; ünlü kişi ne kadar yorucu olursa, paparazzilerle ne kadar etkileşim kurarsa, gördükleri direniş o kadar büyük olur, " İtibar ne kadar büyükse. Yıldızların "şöhreti" farklıdır ve buna göre farklı parçacıkların elde ettiği kalite de farklıdır. Örneğin, bir fotonun statik kütlesi sıfırdır (bir aktör?), Bu nedenle ışık uzaydaki en yüksek hıza sahiptir.
Kendiliğinden simetri kırılması nedir?
Yüksek simetriye sahip orijinal sistem, asimetri faktörleri olarak görünür ve simetri derecesi kendiliğinden azalır.Bu fenomene kendiliğinden simetri kırılması denir. Veya fiziksel dilde şu şekilde tanımlanabilir: kontrol parametresi l belirli bir kritik değeri geçtiğinde, daha yüksek simetriye sahip sistemin orijinal durumu kararsız hale gelir ve eşdeğer ve daha düşük simetriye sahip birkaç yeni kararlı durum ortaya çıkar ve sistem bunlardan birine hareket eder. geçiş.
Kendiliğinden simetri kırılmasının ne olduğunu açıklamak için bir görüntü benzetmesi kullanın: Bir kalem ucu ile yatay bir yüzey üzerinde dik duran bir kalem tamamen simetrik olarak kabul edilebilir ve bunun herhangi bir yönde hiçbir farkı yoktur; ancak bu kalem ise Yatay düzlemde simetrisi "kırılır" ve aynı zamanda temel durumuna veya en düşük enerji seviyesine ulaşır ve durumu şu anda en kararlı olanıdır.
Higgs parçacığının keşfi
Higgs bozonu (İngilizce: Higgs bozonu), Standart Modelde bir tür temel parçacıktır, sıfır dönüşlü bir tür bozondur, kozmik pozitif olarak adlandırılır, elektrik yükü ve renk yükü yoktur, son derece kararsızdır. , Oluşturulduktan hemen sonra bozulur.
Higgs bozonu, Higgs alanının kuantum uyarımıdır. Higgs mekanizmasına göre, temel parçacıklar Higgs alanıyla birleşerek kütle kazanır. Higgs bozonunun var olduğu doğrulanırsa, Higgs alanının da var olması gerekir ve Higgs mekanizmasının temelde doğru olduğu da doğrulanabilir.
Fizikçiler, Higgs bozonunun izlerini aramak için kırk yıldan fazla zaman harcadılar. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), şimdiye kadar dünyadaki en pahalı ve karmaşık deneysel tesislerden biridir.Ana görevlerinden biri, Higgs bozonu ve diğer tür parçacıkları bulmak ve gözlemlemektir.
4 Temmuz 2012'de Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü (CERN), LHCnin kompakt müon bobininin (CMS) 125,3 ± 0,6 GeV (beklenen arka planda 4,9 standart sapma), süper halka kütleli yeni bozonlar tespit ettiğini duyurdu. Yüzey aleti (ATLAS), 126.5 GeV (5 standart sapma) kütleli yeni bir bozonu ölçtü Bu iki parçacık, Higgs bozonuna çok benziyor.
14 Mart 2013 tarihinde, Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü, daha önce tespit edilen yeni parçacıkların geçici olarak sıfır dönüşlü ve hatta eşitlikle Higgs bozonu olduğunu resmen açıklayan bir basın açıklaması yayınladı.Bu Higgs bozonu. Bir çocuğun sahip olması gereken iki temel özellik.
Bu aynı zamanda keşfedilecek ilk temel skaler parçacıktır (spin 0). 125GeV parçacıklarının Higgs olup olmadığını test etmek için birkaç deneysel öğe şunlardır:
Bozon: Yalnızca bir bozon bozunarak iki fotona dönüşebilir. Deneylerden, 125GeV parçacığının bozunarak iki fotona dönüştüğü gözlemlenmiştir, bu nedenle bu parçacık bir bozondur.
Sıfır dönüş: Bu, bozunma modu incelenerek doğrulanabilir. İlk keşif anında 125GeV parçacığının iki fotona bozunduğu görülmüştür Simetri yasasına göre spin 1 hariç tutulabilir ve kalan iki aday spin 0 veya 2'dir. Bu, bozunma ürününün yörüngesinin bir hobi yönüne sahip olup olmadığına bağlıdır.Yoksa, dönüş 0, aksi takdirde dönüş 2'dir. Mart 2013'te 125GeV parçacıklarının dönüşü resmen 0 olarak onaylandı.
Eşit eşitlik (pozitif denklik): Bozunma ürünlerinin yörüngesini inceleme perspektifinden, tabanın çift mi yoksa tek mi olduğunu öğrenebilirsiniz. Bazı teoriler, garip bir pariteye sahip olan sahte bir higgs olabileceğini iddia ediyor. Mart 2013'te 125GeV partiküllerinin paritesi geçici olarak pozitif bir parite olarak onaylandı. Sıfır dönüşlü tek parite hipotezi hariç tutulduğunda, güven seviyesi% 99.9'u aşıyor.
Higgs bozonu, adını fizikçi Peter Higgs'den almıştır. 1964'te Higgs mekanizmasını öneren altı fizikçiden biridir. 8 Ekim 2013'te, "Atomaltı parçacık kütlesinin oluşum mekanizması teorisi, bu yönün insan tarafından anlaşılmasını teşvik etti. Son zamanlarda, toroidal alet ve Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü altında Büyük Hadron Çarpıştırıcısının kompakt 'si Alt bobin detektörü tarafından keşfedilen temel parçacıklar doğrulandı , François Engler ve Peter Higgs 2013 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
B kuarkların samanlığında bir iğne bul
Higgs mekanizması, zayıf vektör bozonlarının (W ve Z) teoride kütleye sahip olmasının imkansız görünmesi sorununu çözer. 2012 yılında Higgs bozonunun bozunarak bir fotona dönüştüğü keşfedildi.Z bozonu ile pozitif ve negatif W bozonu da bu mekanizmaya dayalı Standart Modelin zaferidir. Higgs alanı ayrıca, parçacık kütlesiyle orantılı olan sözde "Yukawa eşleşmesi" etkileşimi ile sıkı bir şekilde elde edilen, zarif bir şekilde yüklü fermiyonlar (kuarklar ve leptonlar) için kütle elde edebilir. 2018 yılında, Higgs bozonunun bozunarak bir lepton 'ye dönüştüğü ve bu tür bir etkileşimin ilk doğrudan kanıtını sağladığı görüldü.
Standart model, Xizi'nin bozunma modu için ayrıntılı tahminler vermiştir. LHC, 2013 yılında Higgs alanının bozonlarla etkileşime girebileceğini kanıtlayan iki foton kanalını gözlemledi. LHC, 2014 yılında Higgs alanının fermiyonlarla etkileşime girebileceğini doğrulayan diğer iki modu gözlemledi. Bu, Yunanlıların sadece kuvveti ileten bozona değil, aynı zamanda maddeyi oluşturan fermiyonlara da bozulduğu anlamına gelir.
Higgs parçacığının keşfinden altı yıl sonra ATLAS dedektörü, Standart Model tarafından tahmin edildiği gibi bozulan Higgs bozonunun% 30'unu gözlemledi. Bununla birlikte, Higgs bozonunun alt kuark çiftine (H bb) bozunmasının, tüm olası bozulmaların neredeyse% 60'ını açıklaması bekleniyor. Bu bozunma modunu gözlemlemek ve oranını ölçmek, standart fermiyon modeli tarafından tahmin edilen Yukawa etkileşimi tarafından üretilen kütleyi doğrulamak (veya reddetmek) için gerekli bir adımdır.
Higgs parçacığı keşfedildiğinde H 'nin çok nadir bozunma modu bulundu. Büyük H bb bozunması için bu gözlemi gerçekleştirmek neden 6 yıl sürdü? Bunun ana nedeni, proton-proton etkileşiminde Higgs bozonunun seri üretiminin, güçlü etkileşimden (kuantum kromodinamiği) olanlarla etkileşime giren b-kuark parçalarından yalnızca bir çift parçacık jeti (b-jeti) ile sonuçlanması gerçeğinde yatmaktadır. (Veya QCD) oluşan b-kuark çiftinin mutlak üstünlüğünü ayırt etmek neredeyse imkansızdır. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, miktar küçük olmasına rağmen QCD'de bulunmayan üretim süreçlerini göz önünde bulundurmalıyız, ancak özellikleri açıktır.En etkili olanlar, Higgs'in üretimini vektör bozonu W veya Z ile bağlayabilenlerdir. . Lepton bozunur W lv, Z ll, Z vv (burada l elektron veya müon anlamına gelir) böyle bir sinyal sağlayabilir, etkili tetiklemeye izin verir ve QCD arka planını büyük ölçüde azaltır.
Bununla birlikte, Higgs bozonundan kalan sinyalin büyüklüğü, üst kuark veya vektör bozonu tarafından üretilen artık arka planın neden olduğu benzer özelliklerden daha küçüktür.Örneğin, bir üst kuark çifti tt 'ye bozunabilir ve son durum bir elektron veya bir Muzi ve iki b kuarkı (W lv) (H bb) sinyaliyle tamamen aynıdır.
Sinyalin böyle bir arka plandan ayırt edilmesinin önündeki engel, sabit kalitede yatmaktadır Bu tür bir kalite dağılımına bir örnek, sinyal ile karşılık gelen arka plan arasındaki farkın verilerle gösterildiği Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5: (W lv) (H bb) keşif kanalındaki kütle dağılımı, sinyal kırmızıyla temsil edilir, farklı arka planlar diğer farklı renklerle temsil edilir ve veriler hata çubuklu noktalar olarak gösterilir.
