In 1975 ondernamen drie CERN-theoretici, John Ellis, Mary K. Gaillard en Dimitri Nanopoulos, de eerste uitgebreide studie van de collider-fenomenologie van het Higgs-deeltje. Bijna 40 jaar later werd het ontdekt bij de LHC. Zouden we nu, tien jaar later, zo'n vooruitziende blik op de lange termijn kunnen hebben bij het anticiperen op de gevarieerde paden die toekomstig Higgs-onderzoek zou kunnen volgen?

Op 4 juli 2022, genietend van de vele mooie presentaties op het Higgs@10 symposium, bleef een zin in mijn oren naklinken:"Compatibel met Standard Model (SM) voorspellingen." Alarmbellen gingen rinkelen. Werkelijk? Zijn we zeker? Of de Higgs al dan niet SM-achtig is, is een vraag die de experimentele toekomst van Higgs-onderzoek zal bepalen.

We kunnen een antwoord kwantificeren met behulp van de taal van de effectieve veldentheorie, wat een wiskundige manifestatie is van het idee dat de meest effectieve manier om een ​​object te beschrijven afhangt van de lengteschaal van waaruit je het bekijkt. Voor astronauten wordt de aarde heel effectief beschreven als een gladde bol. Voor zomerstudenten die naar Le Reculet wandelen, is dat niet het geval. Dus ook van de kwantumwereld. Verre van een neutraal atoom, verschijnt het in feite als een puntachtig deeltje met enkele overgebleven multipolaire interacties met fotonen. Op kortere afstanden, om tussen de elektronen te komen, gaat deze beschrijving volledig mank.

Idem de Higgs. Wat er ook gaande is daarbinnen, met energieën die dicht genoeg bij mh liggen, het wordt in feite beschreven als een puntdeeltje met een handvol extra "operators", die in wezen nieuwe deeltjesinteracties zijn die niet in de SM zitten (verschijnen niet op die mok of T-shirt) maar bevatten wel SM-deeltjes. Met het oog kan de astronaut enkele kenmerken op aarde onderscheiden en vermoeden dat er bergen zijn, maar ze konden de hoogtewinst van de studenten niet echt inschatten. Evenzo kunnen de niet-SM Higgs-operators de overgebleven lange-afstandseffecten van de microscopische ingewanden van de Higgs vastleggen, maar hun volledige glorie niet in detail onthullen. Als al deze extra operators verdwijnen, is de Higgs SM-achtig. Laten we twee zorgvuldig uitgekozen voorbeelden bekijken en onderzoeken hoe SM-achtig de Higgs is...

Hoe "vaak" is het? Is het puntvormig tot op de kleinste afstandsschalen of is het, net als de pion, opgebouwd uit andere nog niet geïdentificeerde nieuwe deeltjes? In het laatste geval, net als voor de pionen en hun samenstellende quarks en gluonen, zou het direct observeren van het nieuwe materiaal naar hogere energieën moeten gaan. Als alternatief kan het puntvormig zijn, maar als je het van dichtbij onderzoekt, kunnen de veelbetekenende aanwijzingen worden onthuld van een wolk van nieuwe deeltjes waarmee het in wisselwerking staat. Voor uw interesse is de operator die deze eigenschappen kan vastleggen geschreven (∂μ|H|2)2. Als het verdwijnt, is de Higgs helemaal puntig. Zo niet, dan is het vager dan verwacht. Hoe vaag is het? Huidige LHC Higgs-koppelingsmetingen suggereren dat het in feite puntvormig is tot een lengteschaal die slechts een factor drie onder de elektrozwakke schaal ligt. Het kan inderdaad nog erg vaag zijn! Zo wazig als een pion. Als dat zo is, nauwelijks een SM-achtige Higgs! We moeten het beter doen en door veel nauwkeurigere koppelingsmetingen op het 0,2%-niveau, zou een toekomstige Higgs-fabriek zoals de FCC-ee kunnen bepalen of de Higgs puntvormig is tot aan het niveau van 6%.

Vindt de Higgs zichzelf aantrekkelijk? Ja, volgens de SM. Nieuwe deeltjes betekenen nieuwe krachten en dus volgt daaruit dat als het Higgs-deeltje interageert met nieuwe zware deeltjes, ze een nieuwe kracht tussen het Higgs en zichzelf zullen genereren. De operator die dit effectief vastlegt, is |H|6 en het geeft letterlijk vorm aan de manier waarop het Higgs-veld massa gaf aan deeltjes tijdens het prille begin van ons universum! Dus, hoe SM-achtig is de zelfaantrekkingskracht van Higgs? Met de huidige experimentele beperkingen weten we dat de Higgs-zelfaantrekking 530% sterker zou kunnen zijn dan de SM-waarde (niet alleen zelfaantrekking, meer als regelrechte ijdelheid) of zelfs − 140% minder (zelfafstotend, meer als). Nauwelijks SM-achtig in beide gevallen! Om enig idee te hebben of de zelfaantrekking SM-achtig is, moeten we het een stuk beter doen. Een toekomstige faciliteit, zoals de FCC-hh, CLIC of een muon-collider, zou de zelfaantrekking op het veel preciezere 5%-niveau kunnen onderzoeken.

Geduld is een schone zaak; zelfgenoegzaamheid niet. Het is veel te vroeg om tijd aan de bar te noemen voor het Higgs-deeltje. Wie weet krijgen we zelfs iets totaal onverwachts voorgeschoteld, zoals een nieuw venster op de donkere sector van het universum. Het werkelijk onderzoeken van alle facetten van de aard van het Higgs-deeltje, begrijpen of het al dan niet SM-achtig is, zal tijd vergen (gemeten in decennia) en veel hard werk. Maar het kan en moet gebeuren. Dit is de experimentele toekomst van Higgs-onderzoek waar we naar uitkijken.

Dat gezegd hebbende, het is geen geheim dat veel theoretici verwachtten dat de Higgs veel minder SM-achtig zou zijn dan het al lijkt. Hoofden gekrast, een theoretische staatsgreep is nu stilletjes aan de gang. Er waren goede redenen om iets anders te verwachten:vooral het hiërarchieprobleem. Dit probleem is niet alleen esthetisch. De SM breekt af bij hoge energieën en maakt uiteindelijk pathologische voorspellingen, dus het kan alleen een effectieve veldtheorie over lange afstand zijn van iets anders dat fundamenteler is. Als, zoals bij pionen het geval was, de Higgs-massa wordt bepaald door de meer fundamentele parameters, dan is er voor de Higgs geen mechanisme om deze lichter te houden dan de massaschaal van de nieuwe deeltjes in die theorie. Maar botsers vertellen ons dat er een kloof is tussen de massa van de Higgs en die van die nieuwe deeltjes. In het verleden motiveerde dit de ontdekking en ontwikkeling van nieuwe mechanismen om een ​​lichte Higgs te verklaren, zoals de vereerde low-scale supersymmetrie, tot nu toe een no-show op het LHC-fysicafeest, met zijn bijbehorende niet-SM-achtige Higgs.

Grof gewekt door de stortvloed van uitsluitingspercelen, koffie met tegenzin rook, hebben theoretici de afgelopen jaren naar voren gebracht wat wel eens revolutionaire theoretische ontwikkelingen zou kunnen zijn. Het hiërarchieprobleem is niet verdwenen en de gegevens ook niet, dus de andere fundamentele aannames die heimelijk in de oude theorieën zijn geïnjecteerd, vaak gekoppeld aan symmetrie of esthetische principes zoals eenvoud of minimaliteit, zijn ondervraagd en ontoereikend bevonden. Als reactie hierop zijn onverschrokken nieuwe klassen van theorieën ontwikkeld die het hiërarchieprobleem kunnen aanpakken en tegelijkertijd consistent zijn met al die lastige uitsluitingspercelen. Ze variëren van relatief bescheiden conceptuele aanpassingen van bestaande structuren, tot het verlaten van esthetische principes, en dan helemaal naar de andere kant tot pogingen om de Higgs-massa te koppelen aan de oorsprong van het universum, kosmologie, de aard van de oerknal en , in het uiterste geval, speculaties over mogelijke verbanden tussen de Higgs-massa en het bestaan ​​van het leven zelf. Noem maar op, we gaan moedig.

Het is geen voldongen feit. Geen van deze ideeën is zo bedwelmend als supersymmetrie of zo bedwelmend als extra dimensies, en elk laat degenen die ze bestuderen met meer een "kijk naar deze ruimte"-gevoel achter dan de "eureka" waar Archimedes van genoot. Verschillend, ze zijn niet radicaal genoeg, te radicaal of gewoon niet te proeven. Nog geen Goudlokje momentje. Deze problemen zijn mijns inziens echter hoopgevend. Op vergelijkbare momenten in het verleden waren we in wezen op de goede weg, we moesten iets langer wachten dan verwacht op de bevestigende experimentele gegevens (top-quark). Andere keren waren de juiste ideeën voor de meesten te radicaal om in één keer te verwerken (kwantummechanica). Maar voor anderen kwijnde de juiste benadering veel te lang weg in relatieve onbekendheid, simpelweg omdat ze niet à la mode waren (kwantumveldentheorie). Zoek de bronvermeldingen op van de originele Brout-Englert-, Higgs-, Guralnik-Hagen-Kibble-papieren of Weinbergs "A Model of Leptons", allemaal fundamenteel voor de fysica van het Higgs-deeltje, en je zult zien dat dit belangrijke voorbeelden zijn dat we er goed aan zouden doen om te onthouden. De natuur heeft niet beloofd dat het begrijpen van de oorsprong van de Higgs gemakkelijk had moeten zijn, en dat ook niet in de toekomst zou moeten zijn, maar de geschiedenis leert dat degenen die meedogenloos en onbevreesd op onderzoek uitgaan, vaak degenen zijn die worden beloond met de grootste prijs van allemaal:de waarheid.

Waar gaat dit alles de komende jaren heen? Zullen we vasthoudend genoeg zijn om het gaspedaal, de detectoren en het dorp te bouwen dat nodig is om de zelfaantrekkingskracht van Higgs te meten of de vaagheid van de Higgs te ontdekken? Zullen sommige moedige theoretici de deur openen naar de fundamentele theorie voorbij de SM? Zullen toekomstige fenomenologen de eerste fundamenten leggen op weg naar ontdekking?

Zoals Dennis Gabor, de uitvinder van holografie, het uitdrukte:"De toekomst kan niet worden voorspeld, maar de toekomst kan wel worden uitgevonden." We werken eraan. + Verder verkennen

ATLAS en CMS geven resultaten vrij van meest uitgebreide studies tot nu toe van de eigenschappen van Higgs-boson