Vandaag, wetenschappers van CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, hebben aangekondigd dat, Voor de eerste keer, ze hebben waargenomen dat het Higgs-deeltje transformeert in elementaire deeltjes die bekend staan ​​als bottom-quarks terwijl het vervalt. Natuurkundigen hebben voorspeld dat dit de meest voorkomende manier is waarop de meeste Higgs-bosonen zouden vervallen, maar tot nu toe, het was buitengewoon moeilijk om de subtiele signalen van het verval te onderscheiden. De ontdekking is een belangrijke stap om te begrijpen hoe het Higgs-deeltje massa geeft aan alle fundamentele deeltjes in het universum.

De wetenschappers deden hun ontdekking met behulp van de ATLAS- en de CMS-detectoren, twee grote experimenten die zijn ontworpen om de botsingen van hoogenergetische deeltjes te analyseren die worden gegenereerd door de Large Hadron Collider (LHC) van CERN - de grootste, krachtigste deeltjesversneller ter wereld.

Higgs bosonen, die voor het eerst werden ontdekt in 2012, zijn een ongelooflijke zeldzaamheid, en worden geproduceerd in slechts één op de miljard LHC-botsingen. Eenmaal in het leven geroepen, de deeltjes verdwijnen bijna onmiddellijk, vervalt in een stroom secundaire deeltjes. Het standaardmodel van de natuurkunde, wat de meest algemeen aanvaarde theorie is voor het beschrijven van de interacties van de meeste deeltjes in het universum, voorspelt dat bijna 60 procent van de Higgs-bosonen zou vervallen tot bottom-quarks, elementaire deeltjes die ongeveer vier keer zo zwaar zijn als een proton.

Zowel de ATLAS- als de CMS-teams hebben verschillende jaren besteed aan het verfijnen van technieken en het opnemen van meer gegevens in hun jacht op dit meest voorkomende verval van het Higgs-boson. Beide experimenten bevestigden uiteindelijk dat, Voor de eerste keer, ze zagen bewijs van een Higgs-deeltje dat vervalt tot een bottom-quark, met een statistisch hoge mate van betrouwbaarheid.

MIT-natuurkundigen in het Laboratorium voor Nucleaire Wetenschap zijn betrokken geweest bij het analyseren en interpreteren van gegevens voor deze nieuwe ontdekking. waaronder Philip Harris, assistent-hoogleraar natuurkunde. MIT News sprak met Harris, die ook lid is van het CMS-experiment, over de geestverruimende zoektocht naar een verdwijnende transformatie, en hoe de nieuwe ontdekking van Higgs natuurkundigen kan helpen te begrijpen waarom het universum massa heeft.

Vraag:Plaats deze ontdekking een beetje in context voor ons. Hoe belangrijk is het dat uw team heeft waargenomen dat het Higgs-deeltje vervalt tot bottom-quarks?

A:Het Higgs-deeltje heeft twee verschillende mechanismen:het geeft massa aan de krachtdeeltjes die betrokken zijn bij elektrozwakke interacties, de kracht die verantwoordelijk is voor nucleair bètaverval; en het geeft massa aan de fundamentele deeltjes in het atoom, de quarks en de leptonen (zoals elektronen en muonen). Ondanks het feit dat het verantwoordelijk is voor beide mechanismen, de Higgs-ontdekking en de daaropvolgende Higgs-eigenschapsmetingen zijn grotendeels uitgevoerd met de elektrozwakke krachtdeeltjes. We hebben pas recentelijk rechtstreeks Higgs-interacties met materie waargenomen. Deze meting, het Higgs-deeltje vervalt tot een bottom-quark, is de eerste keer dat we higgs-naar-quark interacties rechtstreeks hebben waargenomen. Dit bevestigt dat quarks inderdaad massa krijgen van het Higgs-mechanisme.

V:Hoe lastig was deze detectie om te maken, en hoe werd het uiteindelijk waargenomen?

A:Ongeveer 60 procent van alle Higgs-verval vindt plaats in bottom-quarks. Dit is het grootste enkele vervalkanaal van het Higgs-deeltje. Echter, het is ook het kanaal met de grootste achtergrond [ruis van omringende deeltjes]. Afhankelijk van hoe je het telt, het is ongeveer een miljoen keer groter dan de kanalen die we gebruikten om het Higgs-deeltje te ontdekken.

Mensen vergelijken Higgs-metingen graag met het zoeken naar een speld in een hooiberg. Hier, Ik denk dat een meer geschikte analogie een magisch-oogstereogram is. U zoekt een brede vervorming in de gegevens die zeer moeilijk te zien is. De truc om deze vervorming te zien is als een magisch oog:je moet uitzoeken hoe je goed kunt scherpstellen.

Om onze "focus te kalibreren, " we keken naar het elektrozwakke krachtdeeltje, het Z-boson, en zijn verval tot bottom-quarks. Toen we eenmaal in staat waren om het Z-boson in de onderste quarks te zien gaan, we hebben ons doel gesteld op het Higgs-deeltje, en daar was het. Ik moet benadrukken dat om deze vervorming duidelijk te zien, we moesten vertrouwen op technologie die nog in de kinderschoenen stond ten tijde van de ontdekking van het Higgs-deeltje, inclusief enkele van de meest recente ontwikkelingen op het gebied van machine learning. In feite, slechts een paar jaar geleden werd in jullie standaardles over deeltjesfysica geleerd dat het onmogelijk was om het Higgs-verval in sommige van deze kanalen waar te nemen.

Vraag:De oorspronkelijke ontdekking van het Higgs-deeltje is aangeprezen als een mijlpaalontdekking die uiteindelijk het mysterie zal onthullen waarom atomen massa hebben. Hoe zal deze nieuwe ontdekking van het Higgs-verval helpen om dit mysterie op te lossen?

A:Na de ontdekking van het Higgs-deeltje, we hebben veel geleerd over hoe het Higgs-mechanisme massa geeft aan verschillende deeltjes. Echter, velen zouden beweren dat na de ontdekking van het Higgs-deeltje, Hoge-energiefysica is zelfs nog interessanter geworden omdat het erop begint te lijken dat onze conventionele kijk op deeltjesfysica niet helemaal klopt.

Een van de beste manieren om onze visie te testen, is door de eigenschappen van het Higgs-deeltje te meten. Het verval van Higgs-naar-onder-quark is essentieel voor dit begrip omdat het ons in staat stelt om de eigenschappen van interacties tussen Higgs en quark-materie direct te onderzoeken en vanwege de hoge vervalsnelheid, wat betekent dat we het Higgs-deeltje kunnen meten in allerlei scenario's die niet mogelijk zijn met andere vervalmodi.

Deze waarneming geeft ons een nieuw en krachtig hulpmiddel om het Higgs-deeltje te onderzoeken. In feite, als onderdeel van deze meting, we waren in staat om Higgs-bosonen te meten met energieën van meer dan twee keer de energie van de hoogste Higgs-bosonen die eerder zijn waargenomen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.