Wikiternative
The Alternative Source

Post info:

Higgs boson

Het Higgs boson of Higgs-deeltje is een elementair deeltje in het Standaard Model van de deeltjesfysica. Observatie van het deeltje maakt wetenschappers om het Higgs-veld te verkennen -a fundamentele gebied van cruciaal belang zijn voor deeltjesfysica theorie, eerst verdacht te bestaan in de jaren 1960, dat in tegenstelling tot andere bekende gebieden, zoals het elektromagnetische veld, met een niet-nul constante waarde bijna overal. Sinds enkele decennia is de vraag naar het bestaan van het Higgs Field’s was het laatste niet-gecontroleerde deel van het Standaard Model van de deeltjesfysica en “het centrale probleem in de deeltjesfysica”. De aanwezigheid van dit veld, nu geloofd te worden bevestigd, verklaart waarom sommige fundamentele deeltjes massa bij, gebaseerd op de symmetrie controleren van hun interactie, zouden zij zonder massa zijn. Het lost ook een aantal andere langdurige puzzels, zoals de reden voor de zwakke kracht is extreem kort bereik.

Ondanks dat overal aanwezig, het bestaan van het veld Higgs is zeer moeilijk te bevestigen. Dit kan worden gedetecteerd via de excitaties (dwz Higgs deeltjes), maar deze zijn erg moeilijk te produceren en te detecteren. Het belang van deze fundamentele vraag leidde tot een 40 jaar zoeken, en de bouw van een van ’s werelds meest kostbare en complexe experimentele faciliteiten tot op heden, CERN ’s Large Hadron Collider, in staat om Higgs-bosonen en andere deeltjes voor observatie creëren en studie. Op 4 juli 2012 heeft de ontdekking van een nieuw deeltje met een massa tussen 125 en 127 GeV / c 2 werd aangekondigd; natuurkundigen vermoeden dat het was het Higgs boson. In maart 2013 het deeltje had bewezen te gedragen, communiceren en verval in veel van de manieren voorspeld door het Standaard Model, en werd ook voorlopig bevestigd hebben zelfs pariteit en nul draai, twee fundamentele kenmerken van een Higgs boson. Dit lijkt de eerste elementaire zijn scalair deeltje ontdekt in de natuur. Meer gegevens nodig om te weten of de ontdekte deeltje exact overeenkomt met de voorspellingen van het Standaard Model, of, zoals voorspeld door sommige theorieën, meerdere Higgs-bosonen bestaan.

Het Higgs boson is vernoemd naar Peter Higgs, een van de zes natuurkundigen die, in 1964, stelde het mechanisme dat het bestaan van een dergelijk deeltje voorgesteld. Op 10 december 2013 twee van deze, Peter Higgs en François Englert, werden bekroond met de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun werk en de voorspelling (Englert’s co-onderzoeker Robert Brout was overleden in 2011 en de Nobelprijs is gewoonlijk niet postuum gegeven ). Hoewel de naam van Higgs is gekomen geassocieerd te worden met deze theorie, een aantal onderzoekers tussen ongeveer 1960 en 1972 elk onafhankelijk ontwikkeld verschillende delen van het. In de mainstream media het Higgs boson is vaak wel de “God particle”, van een boek over het onderwerp 1993; de bijnaam wordt sterk hekel door vele natuurkundigen, waaronder Higgs, die hem beschouwen als ongepast sensatiezucht .

In het Standaard Model, het Higgs-deeltje is een boson zonder draai, elektrische lading, of kleur lading. Het is ook zeer instabiel, rottende in andere deeltjes bijna onmiddellijk. Het is een quantum excitatie van één van de vier componenten van het veld Higgs. De laatste is een scalair veld, met twee neutrale en twee elektrisch geladen componenten, en vormt een complex doublet van de zwakke isospin SU (2) symmetrie. Het Higgs-veld is tachyonic (dit geldt niet sneller-dan-licht snelheden verwijzen naar, het betekent dat-symmetriebreking door middel van condensatie van een deeltje moet gebeuren onder bepaalde voorwaarden), en heeft een ” Mexicaanse hoed “gevormd potentieel met nul kracht overal ( inclusief verder lege ruimte), die in zijn vacuüm toestand breekt de zwakke isospin symmetrie van de elektrozwakke interactie. Wanneer dit gebeurt, drie componenten van het veld Higgs worden “opgevangen” door de SU (2) en U (1) ijkbosonen (de ” Higgsmechanisme “) aan de longitudinale worden van de inmiddels massieve W en Z bosonen van de zwakke kracht. De overige elektrisch neutraal component afzonderlijk koppels om andere deeltjes bekend als fermionen (via Yukawa koppelingen ), waardoor deze te verwerven massa ook. Sommige versies van de theorie te voorspellen meer dan één soort Higgs velden en bosonen. Alternatieve “Higgsless” modellen zou zijn beschouwd als het Higgs boson niet werd ontdekt.

Inhoud

  • 1 Een niet-technische samenvatting
    • 1.1 “Higgs” terminologie
    • 1.2 Overzicht
  • 2 Betekenis
    • 2.1 wetenschappelijke impact
    • 2.2 “Echte wereld” gevolgen
  • 3 Geschiedenis
    • 3.1 Samenvatting en impact van de PRL papers
  • 4 Theoretische woningen
    • 4.1 Theoretische noodzaak voor de Higgs
    • 4.2 Eigenschappen van het Higgs-veld
    • 4.3 Eigenschappen van het Higgs boson
    • 4.4 Productie
    • 4,5 Decay
    • 4.6 Alternatieve modellen
    • 4.7 Verdere theoretische vraagstukken en hiërarchie probleem
  • 5 Experimenteel zoeken
    • 5.1 Zoeken vóór 4 juli 2012
    • 5.2 Ontdekking van de kandidaat-boson bij CERN
    • 5.3 De nieuwe deeltje getest als een mogelijke Higgs boson
    • 5.4 Voorlopige bevestiging van het bestaan en de huidige status
  • 6 Publieke discussie
    • 6.1 Naming
      • 6.1.1 Namen gebruikt door natuurkundigen
      • 6.1.2 Nickname
      • 6.1.3 Andere voorstellen
    • 6.2 Media uitleg en analogieën
    • 6.3 Erkenning en prijzen
  • 7 Technische aspecten en wiskundige formulering
  • 8 Zie ook
  • 9 Notes
  • 10 Verwijzingen
  • 11 Verder lezen
  • 12 Externe verbindingen
    • 12.1 Populaire wetenschap, media, en algemene dekking
    • 12.2 Belangrijke papieren en andere
    • 12.3 Introducties naar het veld

Een niet-technische samenvatting

“Higgs” terminologie

Een eenvoudige verklaring – wat zijn het mechanisme, veld en boson Higgs?
Symmetrieën en krachten In het Standaard Model van de deeltjesfysica, de fundamentele krachten van de natuur aan de wetenschap bekend voortvloeien uit de wetten van de natuur genoemd symmetrieën , en worden overgebracht door deeltjes bekend als ijkbosonen. De zwakke kracht symmetrie ’s moeten leiden tot haar ijkbosonen op nul massa hebben, maar experimenten tonen aan dat ijkbosonen de zwakke kracht zijn eigenlijk heel massief en korte variërend (nu W en Z-bosonen ). Hun zeer korte afstand – Door hun massa – laat structuren zoals atomen en sterren mogelijk maar het bleek zeer moeilijk een manier om hun onverwachte massa te leggen.
Higgs-mechanisme Door de vroege jaren 1960, had natuurkundigen realiseerde zich dat een bepaalde symmetrie wet misschien niet altijd gevolgd worden (of ‘gehoorzaamden’) onder bepaalde voorwaarden. Het Higgs-mechanisme is een wiskundig model door drie groepen onderzoekers bedacht in 1964 dat verklaart waarom en hoe ijkbosonen kan nog enorm ondanks hun bestuur symmetrie. Het bleek dat de voorwaarden voor de symmetrie zou worden ‘gebroken’ als een ongebruikelijke vorm van het veld gebeurde er bestaan binnen de ruimte, en dan de deeltjes in staat zijn om de massa zou kunnen hebben.
Higgs veld Volgens het Standaard Model, een gebied van de noodzakelijke soort (de “Higgs-veld”) bestaat in heel de ruimte, en breekt bepaalde symmetrie wetten van de elektrozwakke interactie. Het bestaan van dit veld activeert het Higgs-mechanisme, waardoor de meter bosonen verantwoordelijk voor de zwakke kracht te massaal, en verklaren hun zeer korte afstand. Enkele jaren na de oorspronkelijke theorie gearticuleerd wetenschappers gerealiseerd dat hetzelfde veld zou ook verklaren op een andere manier, waarom andere fundamentele bouwstenen van de materie (inclusief elektronen en quarks ) massa hebben. Gedurende vele jaren wetenschappers had geen manier om te vertellen of een veld van dit soort eigenlijk in werkelijkheid bestond. Als het bestond, zou het zijn in tegenstelling tot alle andere fundamentele veld in de wetenschap bekend. Maar het was ook mogelijk dat deze belangrijke ideeën, of zelfs de hele Standaard Model zelf, waren een of andere manier onjuist. Alleen ontdekken wat deze symmetrie was het breken zou het probleem oplossen.
Higgs boson Het bestaan van het Higgs-veld kan worden bevestigd door te zoeken naar een bijpassende deeltje die ermee verbonden zijn, die ook zou moeten bestaan – de “Higgs boson” [6] [7] Het opsporen Higgs-bosonen zou automatisch bewijzen dat het Higgs-veld bestaat, waaruit zou blijken dat het Standaard Model is in wezen juist. Maar decennialang wetenschappers hadden geen manier om te ontdekken of Higgs bosons daadwerkelijk natuur bestaan hetzij omdat ze moeilijk te produceren zou zijn en zou splitsen in ongeveer tien sextillionth ( 10 -22 ) van een seconde. Hoewel de theorie gaf “opmerkelijk” juiste antwoorden, deeltjesversnellers, detectoren en computers in staat is op zoek naar Higgs-bosonen duurde meer dan 30 jaar (c 1980-2010.) te ontwikkelen. Met ingang van 2013, wetenschappers zijn vrijwel zeker van dat ze hebben bevestigd het Higgs boson bestaat, en dat daarom het concept van een soort van Higgs veld hele ruimte is bewezen. Nader onderzoek in de komende jaren moet uiteindelijk vertellen ons meer over deze, en zal waarschijnlijk hebben aanzienlijke impact in de toekomst (zie hieronder).

Overzicht

In de deeltjesfysica, elementaire deeltjes en krachten aanleiding geven tot de wereld om ons heen. Tegenwoordig natuurkundigen verklaren het gedrag van deze deeltjes en hoe ze omgaan met het Standaard Model -een algemeen aanvaard en “opmerkelijk” accurate kader op basis van ijkinvariantie en symmetrieën, verondersteld om bijna alles in de wereld die we zien, anders dan uit te leggen zwaartekracht.

Maar rond 1960 alle pogingen om een graadmeter invariantentheorie voor twee van de vier te creëren fundamentele krachten had consequent gefaald op een cruciaal punt: hoewel ijkinvariantie leek uiterst belangrijk, het leek te maken elke theorie van elektromagnetisme en de zwakke kracht gaan haywire, door eist dat beide veel deeltjes met massa waren massaloze, of dat niet-bestaande krachten en massaloze deeltjes moest bestaan. Wetenschappers hadden geen idee hoe voorbij dit punt te komen.

In 1962 fysicus Philip Anderson schreef een paper dat gebouwd is op het werk van Yoichiro Nambu inzake “gebroken symmetrieën” in supergeleiding en deeltjesfysica. Hij stelde voor dat “gebroken symmetrieën” Ook het ontbrekende stuk nodig is om de problemen van ijkinvariantie op te lossen. In 1964 werd een theorie bijna gelijktijdig gecreëerd door 3 verschillende groepen onderzoekers, waaruit bleek dat Anderson’s suggestie was mogelijk – de meter theorie en “mass problemen “kan inderdaad worden opgelost als een ongebruikelijke vorm van het veld bestond het hele universum; als dit soort gebied bestond, zou het blijkbaar veroorzaken bestaande deeltjes massa verwerven in plaats van nieuwe massaloze deeltjes worden gevormd. Hoewel deze ideeën veel aanvankelijke steun of aandacht niet te krijgen, door 1972 was ontwikkeld tot een alomvattende theorie en bleek kunnen geven “verstandige” resultaten die zeer nauwkeurig waren, waaronder zeer nauwkeurige voorspellingen van verschillende andere deeltjes ontdekt tijdens de volgende jaren. Tijdens de jaren 1970 deze theorieën werd al snel de ” standaard model “begunstigd door natuurkundigen en gebruikt voor deeltjesfysica en deeltjes interacties te beschrijven in de natuur. Er was nog geen direct bewijs dat dit gebied werkelijk bestond, maar ook zonder bewijs van het veld, de nauwkeurigheid van haar voorspellingen leidde wetenschappers geloven dat de theorie waar zou kunnen zijn. Door de jaren 1980 de vraag of zo’n veld bestond en of dit de juiste uitleg, werd beschouwd als een van de belangrijkste onbeantwoorde vragen in de deeltjesfysica, en door de jaren 1990 twee van de grootste experimentele installaties ooit gemaakt werden ontworpen en gebouwd om het antwoord te vinden.

Als deze nieuwe vorm van het veld had bestaan in de natuur, zou het een monumentale ontdekking voor de wetenschap en de menselijke kennis, en zou deuropeningen om nieuwe kennis te openen in vele disciplines. Zo niet, dan andere, meer ingewikkelde theorieën zou moeten worden onderzocht. De eenvoudigste oplossing of het veld bestond werd door te zoeken naar een nieuw soort deeltje zou moeten afgeven, zogenaamde “Higgs bosons” of “Higgs particle”. Deze zouden zeer moeilijk te vinden, dus het was pas vele jaren later dat de experimentele techniek werd verfijnd genoeg om de vraag te beantwoorden.

Hoewel verschillende symmetrieën in de natuur spontaan doorbroken een vorm van het Higgs mechanisme, in het kader van het standaardmodel de term ” Higgsmechanisme “betekent vrijwel altijd symmetrisch breken van het electrozwakke veld . Het wordt beschouwd als bevestigd, maar het openbaren van de precieze oorzaak is geweest moeilijk.

Diverse analogieën zijn ook uitgevonden om het veld en Higgs boson, inclusief analogieën met bekende symmetriebreking effecten, zoals de beschrijving van de regenboog en prisma, elektrische velden , rimpels, en de weerstand van macro objecten verplaatsen via de media, net als mensen zich door drukte of sommige objecten bewegen door stroop of melasse. Echter, analogieën op basis van eenvoudige weerstand tegen beweging onjuist als het Higgs-veld werkt niet door weerstand beweging.

Betekenis

Wetenschappelijke impact

Bewijs van het Higgs-veld en de eigenschappen is uiterst belangrijk geweest wetenschappelijk, om vele redenen. Het Higgs boson’s belang is grotendeels dat het in staat is om te worden onderzocht met behulp van bestaande kennis en experimentele technologie, als een manier om te bevestigen en de studie van de gehele Higgs-veld theorie. Omgekeerd, het bewijs dat het Higgs-veld en boson niet bestaan zou ook aanzienlijk zijn geweest. In discussie vorm, de relevantie omvat:

Valideren van de Standaard Model, of het kiezen tussen extensies en alternatieven Is het Higgs-veld bestaat, die fundamenteel valideert het Standaard Model door middel van het mechanisme van Mass generatie ? Zo ja, dan met meer geavanceerde extensies voorgesteld of uitgesloten gebaseerd op metingen van de eigenschappen? Wat kunnen we leren over deze fundamentele gebied, nu we de experimentele middelen om zijn gedrag en interacties te bestuderen? Een defect gebied Higgs niet bestaat, welke alternatieven en aanpassingen aan het standaardmodel waarschijnlijk voorkeur? Zullen de gegevens suggereren een extensie, of een compleet andere aanpak (zoals supersymmetrie of snaartheorie )? In verband hiermee, een geloof bestaat meestal onder natuurkundigen dat er waarschijnlijk “nieuwe” fysica voorbij het Standaard Model -het Standaard Model zal op een gegeven moment worden uitgebreid of vervangen. Het Higgs-veld en aanverwante zaken te presenteren een veelbelovend “doorway” om beter de plaatsen waar het Standaard Model onvoldoende zou kunnen worden of niet, en kan aanzienlijk bewijs leidende onderzoekers in toekomstige verbeteringen of opvolgers bieden begrijpen.
Het vinden van hoe symmetriebreking gebeurt binnen de elektrozwakke interactie Hieronder een extreem hoge temperatuur, elektrozwakke symmetriebreking zorgt ervoor dat de elektrozwakke interactie te manifesteren in een deel als korte varieerde zwakke kracht, die door de massale wordt gedragen ijkbosonen . Zonder dit, zou het universum zien we om ons heen niet bestaan, omdat de atomen en andere structuren niet kunnen vormen, en de reacties in sterren zoals onze zon niet zou plaatsvinden. Het is echter niet duidelijk hoe dit precies gebeurt in de natuur. Is het Standaard Model juiste in zijn benadering, en kan het meer exact worden gemaakt met de daadwerkelijke experimentele metingen? Als dit niet het Higgs-veld, wat dan is het breken symmetrie in de plaats?
Het vinden van hoe bepaalde deeltjes massa verwerven Symetrie breken (door een Higgs veld of anderszins) wordt verondersteld verantwoordelijk blijkt voor de massa van de fundamentele deeltjes zoals elementaire fermions (inclusief elektronen en quarks ) en de massieve W en Z ijkbosonen . Het vinden van hoe dit gebeurt is cruciaal voor deeltjesfysica. Het is vermeldenswaard dat het Higgs-veld niet ‘scheppen’ massa uit het niets (waarvan het zou overtreden wet van behoud van energie ). Evenmin is het gebied Higgs verantwoordelijk voor de massa van alle deeltjes. Bijvoorbeeld ongeveer 99% van de massa van baryons (samengestelde deeltjes zoals het proton en neutron ) te wijten plaats daarvan de kinetische energie van de quarks en de energieën van (massaloze) gluonen van de sterke wisselwerking in de baryons. In Higgs-gebaseerde theorieën, eigendom van ‘massa’ is een manifestatie van potentiële energie overgedragen aan deeltjes wanneer ze communiceren (“koppel”), met het Higgs-veld, die was opgenomen dat de massa in de vorm van energie.
Evidence of scalaire velden bestaan in de natuur, en de “nieuwe” physics Het bewijs van een scalair veld zoals de Higgs-veld zou moeilijk te overschatten. “[The] verificatie van echte scalaire velden bijna net zo belangrijk als zijn rol in het genereren van massa zou worden” Rolf-Dieter Heuer, directeur-generaal van CERN, verklaarde in 2011 een lezing over het Higgs-veld:

“Alle materie deeltjes zijn spin-1/2 fermionen. Alle kracht dragers zijn spin-1 bosonen. Higgs-deeltjes zijn spin-0 bosonen (scalairen). Het Higgs is noch materie noch kracht. Het Higgs is gewoon anders. Dit zou worden de eerste fundamentele scalaire ooit ontdekt. Het Higgs-veld is gedacht om het hele universum te vullen. Kan het wat handvat van donkere energie (scalarveld)? Veel moderne theorieën voorspellen andere scalaire deeltjes zoals het Higgs. Waarom, immers, moet de Higgs zijn de enige in zijn soort? [De] LHC kan zoeken en bestuderen nieuwe scalairen met precisie. “
Inzicht in de kosmische inflatie Er is veel wetenschappelijk onderzoek naar mogelijke verbanden tussen het Higgs-veld en de inflaton – een hypothetische veld voorgesteld als de verklaring voor de uitbreiding van de ruimte tijdens de eerste fractie van een seconde van het heelal (bekend als de ” inflatoire tijdperk “). Sommige theorieën suggereren dat een fundamentele scalarveld verantwoordelijk voor dit fenomeen zou kunnen zijn; het gebied Higgs zo’n veld en derhalve heeft geleid tot papers analyseren of zij ook inflaton hiervoor verantwoordelijk kunnen zijn exponentiële groei van het heelal tijdens de Big Bang. Dergelijke theorieën zijn zeer voorzichtige en belangrijke problemen in verband met het gezicht unitariteit , maar kan levensvatbaar zijn als in combinatie met extra functies, zoals grote niet-minimale koppeling, een Brans-Dicke scalaire of andere “nieuwe” fysica, en hebben behandelingen suggereert dat Higgs ontvangen inflatie modellen zijn nog steeds van belang theoretisch.
Inzicht in de aard van het universum , en zijn mogelijke lot
Higgs-Mass-MetaStability.svg
Schematische weergave van het Higgs boson en top quark massas, die zou kunnen aangeven of ons universum is stabiel, of een langlevende ‘bubble’. Met ingang van 2012, de 2σ ellips gebaseerd op Tevatron en LHC data nog steeds mogelijk maakt voor beide mogelijkheden.

Al tientallen jaren, hebben wetenschappelijke modellen van ons universum de mogelijkheid dat het bestaat als een opgenomen langlevende, maar niet volledig stabiel, sector van de ruimte, die mogelijk op een gegeven moment kon vernietigd worden op ‘ kantelen ‘in een stabielere vacuüm staat. Als de massa van het Higgs boson en top quark meer precies bekend zijn, en het Standaard Model geeft een correcte beschrijving van deeltjesfysica tot extreme energieën van de Planck schaal , dan is het mogelijk om te berekenen of de huidige vacuüm staat het heelal stabiel is of slechts een lange levensduur. (Dit werd soms onjuist als het Higgs boson “einde” het universum). A 125-127 GeV Higgs massa lijkt zeer dicht bij de grens voor de stabiliteit te zijn (in 2012 123,8 schatting – 135,0 GeH), maar een definitief antwoord vereist veel meer nauwkeurige metingen van de top quark’s pole massa. Nieuw fysica kan dit beeld te veranderen.

Indien metingen van het Higgs boson suggereren dat ons universum ligt binnen een valse vacuüm van deze soort, dan zou het betekenen – meer dan waarschijnlijk in vele miljarden jaren – die het universum krachten, deeltjes en structuren kon ophouden te bestaan als wij ze kennen (en vervangen worden door verschillende), als een ware vacuüm overkomen nucleëren. Het suggereert ook dat de Higgs zelf-koppeling λ en de β λ functie zeer dicht zou kunnen zijn tot nul bij de Planck schaal, met “intrigerend” implicaties, met inbegrip van theorieën van de zwaartekracht en het Higgs-gebaseerde inflatie. Een toekomst electron-positron Collider in staat om de exacte afmetingen van de te verstrekken zou zijn top quark nodig voor dergelijke berekeningen.

Inzicht in de energie van het vacuüm’ Meer speculatief, heeft het gebied Higgs ook voorgesteld als de energie van het vacuüm , dat aan de uiterste energieën van de eerste momenten van de Big Bang veroorzaakt het heelal een soort oninteressant symmetrie van ongedifferentieerde extreem hoge energie. In deze vorm van speculatie, de eengemaakte veld van een Grote Unified Theory is geïdentificeerd als (of gemodelleerd op) het Higgs-veld, en het is door opeenvolgende symmetriebrekingen van het Higgs-veld of een soortgelijk veld op faseovergangen dat het huidige universum bekende krachten en velden ontstaan.
Link naar de ‘kosmologische constante’ probleem De verhouding (indien aanwezig) tussen de Higgs veld en de momenteel vastgestelde vacuüm energiedichtheid van het heelal ook onder wetenschappelijk onderzoek. Zoals opgemerkt, de huidige vacuüm energiedichtheid is zeer dicht bij nul, maar de energiedichtheid verwacht van het Higgs-veld, supersymmetrie en andere huidige theorieën zijn meestal vele ordes van grootte groter. Het is onduidelijk hoe deze moeten worden verzoend. Dit kosmologische constante probleem blijft een verdere grote onbeantwoorde probleem in de fysica.

Nadere informatie: Zero-point energy en Vacuum state

“Echte wereld” invloed

Tot op heden zijn er geen bekende directe technologische voordelen wanneer er de Higgs deeltje. Echter, een gemeenschappelijk patroon van fundamentele ontdekkingen is voor de praktijk volgt later, na de ontdekking verder onderzocht, waarna ze de basis voor sociale verandering en nieuwe technologieën.

Andere waarnemers hebben aangetoond dat de uitdagingen in de deeltjesfysica hebben bevorderd grote technologische en op hun beurt sociologische ontwikkelingen. Bijvoorbeeld, het World Wide Web begon als een project om CERN communicatie systeem te verbeteren. Een ander voorbeeld is de bijdrage aan het gebied van gedistribueerde en cloud computing te wijten aan CERN’s eis om enorme hoeveelheden data geproduceerd door de Large Hadron Collider.

Geschiedenis

Zie ook: 1964 PRL symmetriebreking papers, Higgs-mechanisme en de geschiedenis van de kwantumveldentheorie
AIP-Sakurai-best.jpg Higgs, Peter (1929) cropped.jpg
De zes auteurs van de 1964 PRL papieren, die de 2010 ontving JJ Sakurai Prize voor hun werk. Van links naar rechts: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout Rechts: Higgs.

Nobelprijswinnaar Peter Higgs in Stockholm, december 2013

Deeltjesfysici studeren materie gemaakt van fundamentele deeltjes wiens interacties worden bemiddeld door uitwisseling deeltjes – ijkbosonen – als kracht dragers. Aan het begin van de jaren 1960 een aantal van deze deeltjes waren ontdekt of voorgesteld, samen met theorieën suggereren hoe zij tot elkaar, waarvan sommige reeds herformulering veldentheorieën waarin de objecten van onderzoek zijn geen deeltjes en krachten, maar kwantumvelden en hun symmetrie echter probeert verenigen bekende fundamentele krachten zoals de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht was bekend dat onvolledig zijn. Een bekende omissie was dat gauge invariant benaderingen, met inbegrip van niet-abelse modellen zoals Yang-Mills theorie (1954), die een grote belofte voor unified theorieën gehouden, leek ook bekend massieve deeltjes te voorspellen als massaloze. Goldstone’s stelling, met betrekking tot continue symmetrieën binnen sommige theorieën, verscheen ook uit te sluiten velen de hand liggende oplossingen, omdat het leek aan te tonen dat zero-deeltjes massa zou moeten bestaan ook die werden “gewoon niet gezien”. Volgens Guralnik, natuurkundigen hadden “geen begrip” hoe deze problemen kunnen worden overwonnen.

Deeltje natuurkundige en wiskundige Peter Woit samengevat de stand van het onderzoek op het moment:

“Yang en Mills werk op niet-abelse ijktheorie had een groot probleem: in perturbatietheorie. heeft het massaloze deeltjes die niet overeenkomen met wat we zien Een manier van het wegwerken van dit probleem is nu redelijk goed begrepen, het fenomeen van opsluiting gerealiseerd in QCD, waar de sterke wisselwerking te ontdoen van de massaloze “gluon” staten op lange afstanden door de zeer vroege jaren zestig, was de mensen begonnen met een andere bron van massaloze deeltjes te begrijpen:. spontane symmetriebreking van een continue symmetrie Wat Philip Anderson gerealiseerd en uitgewerkt in de zomer van 1962 was dat, wanneer u zowel ijksymmetrie en spontane symmetriebreking, de Nambu-Goldstone massaloze modus kan combineren met de massaloze ijkveld modi om een fysieke massale vector veld te produceren. Dit is wat er gebeurt in supergeleiding, een onderwerp waarover Anderson was (en is) een van de meest vooraanstaande experts.

Het Higgs-mechanisme is een proces waarbij vector bosonen kunnen krijgen rust massa, zonder expliciet te breken ijkinvariantie , als een bijproduct van spontane symmetriebreking. De wiskundige theorie achter spontane symmetriebreking werd aanvankelijk bedacht en gepubliceerd binnen deeltjesfysica door Yoichiro Nambu in 1960, het concept dat een dergelijk mechanisme een mogelijke oplossing voor de “massa probleem” zou kunnen bieden werd oorspronkelijk voorgesteld in 1962 door Philip Anderson (die eerder had geschreven papers over gebroken symmetrie en de resultaten ervan in supergeleiding en concludeerde in zijn 1963 papier op Yang-Mills theorie dat “gezien de supergeleidende analoge … these twee soorten bosonen lijken in staat van elkaar opheffen … het verlaten van eindige massa bosonen”), en Abraham Klein en Benjamin Lee toonde maart 1964 dat Goldstone stelling zou kunnen worden vermeden op deze manier in ten minste sommige niet-relativistische gevallen en speculeerden dat het misschien mogelijk in echt relativistische gevallen.

Deze benaderingen werden snel ontwikkeld tot een volledige relativistische model, onafhankelijk en bijna gelijktijdig, door drie groepen van natuurkundigen: door François Englert en Robert Brout in augustus 1964; door Peter Higgs in oktober 1964 en door Gerald Guralnik, Carl Hagen, en Tom Kibble (GHK) in november 1964 Higgs schreef ook een korte maar belangrijke reactie gepubliceerd in september 1964 tot een bezwaar van Gilbert, waaruit bleek dat als de berekening binnen de straling meten, Goldstone stelling en Gilbert bezwaar zou ontoepasbaar. (Higgs beschreven later Gilbert’s bezwaar als gevraagd zijn eigen krant) Eigenschappen van het model werden door Guralnik verder beschouwd in 1965, door Higgs in 1966, van Kibble in 1967, en verder door GHK in 1967 Het oorspronkelijke drie papers 1964 toonde aan dat wanneer een ijktheorie wordt gecombineerd met een extra veld dat spontaan breekt de symmetrie kan de ijkbosonen consequent verwerven van een eindige massa. In 1967, Steven Weinberg en Abdus Salam onafhankelijk toonde hoe een Higgs-mechanisme kan worden gebruikt om de elektrozwakke symmetrie van breken Sheldon Glashow ’s uniforme model voor de zwakke en elektromagnetische interacties (zich een uitbreiding van het werk van Schwinger), de vorming van wat later het Standaard Model van de deeltjesfysica. Weinberg was de eerste om te zien dat dit ook zou bieden massa termen voor de fermionen.

Echter, de rudimentaire papers over spontaan breken van gauge symmetrieën waren in eerste instantie grotendeels genegeerd, omdat het op grote schaal werd geloofd dat de (niet-Abelian gauge) theorieën in kwestie waren een doodlopend, en met name dat ze niet konden worden renormalised. In 1971-1972, Martinus Veltman en Gerard ’t Hooft bleek renormalisatie van Yang-Mills was mogelijk in twee kranten die massaloze, en dan massieve, velden. Hun bijdrage, en anderen werken aan de renormalisatie groep – met inbegrip van “substantiële “theoretische werk van de Russische natuurkundigen Ludvig Faddeev, Andrei Slavnov, Efim Fradkin en Igor Tyutin werd uiteindelijk “enorm diepgaand en invloedrijk”, maar zelfs met alle belangrijke elementen van de uiteindelijke theorie gepubliceerd was er nog bijna niet breder belang. Bijvoorbeeld, Coleman gevonden in een studie die “in wezen niemand betaalde geen aandacht” op papier Weinberg voorafgaand aan 1971 en besproken door David Politzer in zijn 2004 Nobel toespraak nu de meest geciteerde in de deeltjesfysica en zelfs in 1970 volgens Politzer, Glashow de leer van de zwakke interactie bevatte geen vermelding van Weinberg’s, Salam’s of eigen werk Glashow’s In de praktijk Politzer staten, bijna iedereen geleerd van de theorie als gevolg van natuurkundige Benjamin Lee, die het werk van Veltman en ’t Hooft gecombineerd met inzichten van anderen, en gepopulariseerd de voltooide theorie. Op deze manier uit 1971, rente en acceptatie “ontplofte” en de ideeën werden snel opgenomen in de mainstream.

De resulterende elektrozwakke theorie en Standaard Model zijn correct voorspeld (onder andere ontdekkingen) zwak neutrale stromen, drie bosonen, de top en charme quarks, en met grote precisie, de massa en andere eigenschappen van een aantal van deze. Veel van die betrokken won uiteindelijk Nobelprijzen of andere gerenommeerde awards. A 1974 papier en uitgebreide evaluatie in Reviews of Modern Physics merkte op dat “terwijl niemand twijfelde aan de [wiskundige] juistheid van deze argumenten, niemand helemaal geloofde dat de natuur was duivels slim genoeg om te profiteren van hen”, toevoegen dat de theorie dusver had geproduceerd betekenisvolle antwoorden die welke met het experiment, maar het was niet bekend of de theorie inderdaad correct. By 1986 en opnieuw in de jaren 1990 werd mogelijk om dat inzicht te schrijven en waaruit blijkt dat de Higgs-sector van het Standaard Model was “het centrale probleem van vandaag in de deeltjesfysica”.

Samenvatting en impact van de PRL papers

De drie papers geschreven in 1964 werden elk erkend als mijlpaal papieren in Physical Review Letters 50ste verjaardag vieren. Hun zes auteurs werden ook bekroond met de 2010 JJ Sakurai Prize voor Theoretische Fysica van het deeltje voor dit werk. ( Een controverse ontstond ook het zelfde jaar, omdat in het geval van een Nobelprijs slechts tot drie wetenschappers kunnen worden herkend, met zes worden gecrediteerd voor de kranten) Twee van de drie PRL papers (door Higgs en door GHK) bevatte vergelijkingen voor het hypothetische gebied dat bekend zou worden uiteindelijk als het Higgs-veld en de hypothetische kwantum, het Higgs boson Higgs ‘daaropvolgende 1966 paper toonde het verval mechanisme van de boson; alleen een enorme boson kan verval en het verval kan het mechanisme te bewijzen.

In de krant van Higgs boson is de enorme, en in een slotzin Higgs schrijft dat “een essentieel kenmerk” van de theorie “is de voorspelling van onvolledige multipletten van scalaire en vector bosonen “. ( Frank Sluiten merkt op dat 1960 meter theoretici waren gericht op het probleem van de massaloze vector bosonen, en de stilzwijgende bestaan van een massale scalaire boson werd niet gezien als belangrijk, maar Higgs direct aan de orde is) In de paper van GHK het boson is massaloze en losgekoppeld van de massale staten. In beoordelingen uit 2009 en 2011, Guralnik stelt dat in het GHK model de boson is massaloze alleen in een laagste-orde benadering, maar het is niet onderworpen aan enige beperking en verwerft massa bij hogere orders, en voegt eraan toe dat de GHK papier de enige was om te laten zien dat er geen massaloze Goldstone bosonen in het model en een volledige analyse van de algemene Higgs-mechanisme geven. Alle drie tot soortgelijke conclusies, ondanks hun zeer verschillende benaderingen: Higgs papieren hoofdzakelijk gebruikt klassieke technieken, Englert en Brout’s betrokken berekenen vacuüm polarisatie in storingstheorie rond een veronderstelde-symmetriebreking vacuüm staat, en GHK gebruikte operator formalisme en het behoud wetten te verkennen in de diepte van de manieren waarop Goldstone theorema kan omzeild worden.

Theoretische eigenschappen

Hoofd artikel: Higgs-mechanisme

Theoretische noodzaak voor de Higgs

” symmetriebreking geïllustreerd ” Bij hoge energie-niveaus (links) de bal vestigt zich in het centrum, en het resultaat is symmetrisch. Bij lagere energie-niveaus (rechts), de totale “regels” blijft symmetrisch, maar de “Mexicaanse hoed” potentieel van kracht wordt: “lokale” symmetrie onvermijdelijk wordt verbroken omdat uiteindelijk de bal moet op willekeurige rollen een of andere manier.

Ijkinvariantie is een belangrijke eigenschap van de moderne deeltjesfysica theorieën zoals het Standaard Model , mede als gevolg van het succes in andere gebieden van fundamentele fysica, zoals elektromagnetisme en de sterke interactie ( kwantumchromodynamica ). Echter, er waren grote problemen bij het ontwikkelen van ijktheorieën voor de zwakke kernkracht of een mogelijke uniforme elektrozwakke interactie . Fermionen met een massa term zou ijksymmetrie schenden en daarom niet kan worden peilen onveranderlijk. Dit kan worden gezien door onderzoeken van de Dirac Lagrangiaan een fermion wat betreft links en rechtshandige elementen, vinden we geen enkele rotatie-half deeltjes ooit flip helicity zoals vereist voor massaproductie en moeten deze zonder massa zijn. W en Z-bosonen in acht worden genomen om de massa te hebben, maar een boson massa term bevat termen, die duidelijk afhankelijk zijn van de keuze van de meter en daarom deze massa ook niet kan worden peilen invariant. Daarom lijkt het erop dat geen van de standaard model fermionen en bosonen kunnen “beginnen” met de massa als een ingebouwde eigenschap, behalve door het opgeven van ijkinvariantie. Als ijkinvariantie zou worden vastgehouden, dan zijn deze deeltjes moest verwerven hun massa door een ander mechanisme of interactie. Bovendien, wat is het geven van deze deeltjes hun massa, moest niet “break” ijkinvariantie als basis voor andere delen van de theorieën waar het werkte goed, en moest niet nodig of onverwachte massaloze deeltjes en lange-afstands krachten te voorspellen (schijnbaar een onvermijdelijk gevolg van Goldstone stelling ), die eigenlijk niet lijkt te bestaan in de natuur.

Een oplossing voor al deze overlappende problemen kwamen uit de ontdekking van een eerder belichte grensgeval verborgen in de wiskunde van Goldstone stelling, dat onder bepaalde omstandigheden zou theoretisch mogelijk zijn dat een symmetrie wordt verbroken zonder verstoring ijkinvariantie en zonder enige nieuwe massaloze deeltjes of krachten, en het hebben van “verstandig” ( renormalisable ) resulteert wiskundig: dit bekend als het werd Higgs-mechanisme.

Het Standaard Model veronderstelt een gebied dat verantwoordelijk is voor dit effect, de zogenaamde Higgs-veld (symbool:  Phi), die de ongewone eigenschap van een niet-nul amplitude in haar heeft grondtoestand; dat wil zeggen een niet-nul vacuum verwachtingswaarde . Het kan dit effect hebben vanwege de ongewone “Mexicaanse hoed” gevormd potentiële wiens laagste “punt” is niet op zijn “center”. Beneden een bepaald extreem hoog energieniveau het bestaan van deze niet-nul vacuümverwachtingswaarden spontaan afbreekt electrozwakke ijksymmetrie wat weer leidt tot de Higgsmechanisme en leidt tot de verkrijging van de massa van deze deeltjes interactie met het veld. Dit effect treedt op omdat scalairenveld onderdelen van het gebied Higgs worden “opgevangen” door de massieve bosonen als vrijheidsgraden, en koppelen met de fermions via Yukawa koppeling , waardoor de verwachte voorwaarden produceren. In feite wanneer symmetrie breekt onder deze omstandigheden de Goldstone bosonen die ontstaan interactie met het veld Higgs (en andere die in staat zijn interactie met het veld Higgs) in plaats van steeds nieuwe massaloze deeltjes, de hardnekkige problemen van zowel onderliggende theorieën “neutraliseren” elk andere, en de resterende uitkomst is dat elementaire deeltjes het verwerven van een consistente massa op basis van hoe sterk ze omgaan met het Higgs-veld. Het is de eenvoudigste bekende proces kunnen geven massa om de ijkbosonen terwijl compatibel met de resterende ijktheorieën. Het quantum zou zijn scalaire boson, bekend als het Higgs boson.

Samenvatting van de interacties tussen bepaalde deeltjes beschreven door de Standaard Model .

Eigenschappen van het Higgs-veld

In het Standaard Model, het Higgs-veld is een scalair tachyonic veld – ‘scalair’ wat betekent dat het niet te transformeren onder Lorentz transformaties en ‘tachyonic’ betekent het veld (maar niet het deeltje) heeft imaginaire massa en in bepaalde configuraties moeten ondergaan symmetriebreking. Het bestaat uit vier onderdelen, twee neutrale enen en twee geladen component velden. Zowel van de geladen componenten en één van de neutrale velden Goldstone bosonen, die als de longitudinale derde polarisatiecomponenten van de massieve W + , W en Z bosonen. De hoogte van de resterende neutrale component komt overeen met (en is theoretisch als gerealiseerd) de massieve Higgs boson, deze component kan interageren met fermionen via Yukawa koppeling ze massa te geven, als goed.

Wiskundig, het Higgs-veld heeft imaginaire massa en is daarom een tachyonic veld. Terwijl tachyonen ( deeltjes die bewegen sneller dan het licht ) zijn een zuiver hypothetisch concept, velden met imaginaire massa zijn gekomen om een belangrijke rol in de moderne natuurkunde spelen. In geen geval doen elke excitaties steeds sneller dan het licht in dergelijke theorieën propageren – de aanwezigheid of afwezigheid van een tachyonic massa heeft geen enkel effect op de maximale snelheid van signalen (er is geen schending van de causaliteit ). In plaats van sneller-dan-licht deeltjes, de imaginaire massa ontstaat een instabiliteit: elke configuratie waarbij één of meer veld excitaties tachyonic moet spontaan verval, en de resulterende configuratie bevat geen fysieke tachyonen. Dit proces staat bekend als tachyon condensatie, en wordt nu beschouwd als de verklaring voor hoe het Higgs-mechanisme zich voordoet in de natuur, en daarom is de reden achter elektrozwakke symmetriebreking zijn.

Hoewel het begrip imaginaire massa lijkt verontrustend, is alleen het veld, en niet de massa zelf, dat is gekwantiseerd. Daarom is het veld operators op spacelike gescheiden punten nog pendelen (of anticommute), en informatie en deeltjes nog niet sneller dan het licht te verspreiden. Tachyon condensatie drijft een fysiek systeem dat een lokale limiet heeft bereikt en misschien naïef worden verwacht om te produceren fysieke tachyonen, naar een alternatieve stabiele toestand waarin geen fysieke tachyonen bestaan. Zodra een tachyonic gebied als het gebied Higgs het minimum van de capaciteit bereikt, de quanta niet tachyonen meer maar zijn gebruikelijke deeltjes zoals het Higgs.

Eigenschappen van het Higgs boson

Omdat het Higgs-veld is scalar, het Higgs boson heeft geen draai. Het Higgs boson is ook zijn eigen antideeltje en CP-zelfs, en heeft nul elektrische en kleur lading.

De Minimal Standaard Model niet de massa van het Higgs boson te voorspellen. Als die massa is tussen de 115 en 180 GeV / c 2, dan is het Standaard Model is geldig op energie schaalt helemaal tot aan de Planck schaal (10 19 GeV). Vele theoretici verwachten dat nieuwe fysica voorbij het Standaard Model te ontstaan bij de TeV schaal, op basis van onbevredigende eigenschappen van het Standaard Model. De hoogst mogelijke massale schaal toegestaan om het Higgs boson (of een andere elektrozwakke symmetriebreking mechanisme) is 1,4 TeV; voorbij dit punt, het Standaard Model inconsistent zonder een dergelijk mechanisme, omdat unitariteit wordt geschonden in bepaalde verstrooiing processen.

Het is ook mogelijk, hoewel experimenteel moeilijk om de massa van het Higgs deeltje indirect te schatten. In het Standaard Model, het Higgs boson heeft een aantal indirecte effecten; meest in het bijzonder, Higgs loops resulteren in kleine correcties op massa’s van W en Z-bosonen. Precisiemetingen van elektro-parameters, zoals de constante Fermi en massa’s W / Z bosonen, kan worden gebruikt om beperkingen te berekenen van de massa van het Higgs. Met ingang van juli 2011 heeft de precisie elektrozwakke metingen vertellen ons dat de massa van het Higgs boson is waarschijnlijk minder dan ongeveer zijn 161 GeV / c 2 op 95% betrouwbaarheidsniveau (deze bovengrens zou toenemen tot 185 GeV / c 2 als de onderste gebonden van 114,4 GeV / c 2 van de LEP-2 direct search is toegestaan). Deze indirecte beperkingen steunen op de veronderstelling dat het standaard model correct is. Het kan nog steeds mogelijk zijn om een Higgs boson te ontdekken boven deze massa’s als het gepaard gaat met andere deeltjes dan die voorspeld door het Standaard Model.

Productie

Feynman diagrammen voor Higgs productie
Gluon fusion
Gluon fusion
Higgs Strahlung
Higgs Strahlung
Vector boson fusie
Vector boson fusie
Top fusion
Top fusion

Als Higgs deeltje theorieën juist zijn, dan is een Higgs deeltje kan worden geproduceerd net als andere deeltjes die worden bestudeerd, in een deeltjesversneller. Het gaat versnellen een groot aantal deeltjes extreem hoge energieën en zeer dicht bij de lichtsnelheid, waarna men ze met elkaar slaan. Protonen en lood ionen (de kale kernen lood atomen ) worden toegepast bij de LHC. In het extreme energieën van deze botsingen zullen de gewenste esoterische deeltjes af worden geproduceerd en kan deze worden gedetecteerd en onderzocht; elke afwezigheid of verschil met theoretische verwachtingen kan ook gebruikt worden om de theorie te verbeteren. De betreffende deeltjes theorie (in dit geval het standaardmodel) de benodigde soorten botsingen en detectoren te bepalen. De Standaard Model voorspelt dat Higgs bosons kunnen worden gevormd in een aantal manieren, Hoewel de kans op het produceren van een Higgs in botsingen altijd naar verwachting zeer gering te zijn, bijvoorbeeld slechts 1 Higgs boson per 10 miljard botsingen in de Large Hadron Collider. De meest voorkomende verwachte processen voor Higgs boson productie zijn:

  • Gluon fusion. Als de deeltjes in botsing hadrons zoals proton of antiproton -zoals het geval in de LHC en Tevatron-dan is het zeer waarschijnlijk dat twee gluonen binden de hadron elkaar botsen. De makkelijkste manier om een Higgs-deeltje te produceren is als de twee gluonen combineren tot een lus van vormen van virtuele quarks. Aangezien het koppelingsdeel van de deeltjes Higgs boson is evenredig met hun massa, dit proces is waarschijnlijker bij zware deeltjes. In de praktijk is het voldoende om de bijdragen van de virtuele overwegen top en bottom -quarks (de zwaarste quarks). Deze werkwijze is de dominante bijdrage aan de LHC en Tevatron die ongeveer tien keer vaker dan andere processen.
  • Higgs Strahlung. Als een elementaire fermion botst met een anti-fermion-bijvoorbeeld een quark met een anti-quark of een elektron met een positron -de twee kunnen samenvoegen om een virtuele W of Z boson vormen; indien draagt voldoende energie, dan kunnen uitstoten een Higgs boson. Dit proces was de dominante productie-modus op de LEP, waarbij een elektron en een positron botste om een virtuele Z-boson te vormen, en het was de tweede grootste bijdrage voor Higgs productie in de Tevatron. Bij de LHC is dit proces slechts de derde grootste, omdat de LHC botst protonen met protonen, het maken van een quark-antiquark botsing minder waarschijnlijk dan in de Tevatron. Higgs Strahlung is ook bekend als geassocieerd productie.
  • Zwakke boson fusie. Een andere mogelijkheid wanneer twee (anti-) fermionen botsen is dat de twee uitwisseling een virtuele W of Z-boson, dat een Higgs boson uitzendt. De botsende fermionen hoeven niet hetzelfde type zijn. Dus, bijvoorbeeld, een up quark kan een Z boson wisselen met een anti-down quark. Dit proces is de tweede belangrijkste voor de productie van Higgs deeltje in de LHC en LEP.
  • Top fusion. De laatste werkwijze die algemeen wordt beschouwd als veruit de minst waarschijnlijke (twee ordes van grootte). Dit proces omvat twee botsende gluonen, die elk verval in een zware quark-antiquark paar. Een quark en antiquark van elk paar kan dan combineren tot een Higgs-deeltje te vormen.

Decay

Het Standaard Model voorspelling voor de breedte verval van het Higgs-deeltje is afhankelijk van de waarde van zijn massa.

Quantummechanica voorspelt dat als het mogelijk is om een deeltje te vervallen tot een set van lichtere deeltjes, dan zal het uiteindelijk doen. Dit geldt ook voor de Higgs boson. De waarschijnlijkheid waarmee dit gebeurt is afhankelijk van diverse factoren, waaronder: het verschil in massa, de sterkte van de interacties, etc. De meeste van deze factoren worden vastgesteld door het standaardmodel, met uitzondering van de massa van het Higgs boson zelf. Voor een Higgs boson met een massa van 126 GeV / c 2 de SM voorspelt een gemiddelde levensduur van ongeveer 1,6 × 10 22.

Het standaardmodel voorspelling voor de vertakking verhoudingen van de verschillende modes van verval van de Higgs deeltje afhankelijk van de waarde van de massa.

Omdat het interageert met de massieve elementaire deeltjes van het SM, de Higgs vele verschillende processen waardoor het kan vervallen. Elk van deze mogelijke werkwijzen heeft zijn eigen waarschijnlijkheid, uitgedrukt als de verhouding vertakking; de fractie van het totale aantal vervalt dat volgt dat proces. De SM voorspelt deze vertakking ratio als functie van de Higgs massa (zie grafiek).

Een manier dat de Higgs kan vervallen is door het splitsen in een fermion-antifermion paar. Als algemene regel geldt dat de Higgs zal eerder vervallen in heavy fermions dan lichte fermionen, omdat de massa van een fermionen is evenredig met de sterkte van de interactie met de Higgs. Door deze logica de meest voorkomende decay moet een top -antitop quark paar. Echter, dergelijke verval is alleen mogelijk als de Higgs zwaarder is dan ~ 346 GeV / c 2 , tweemaal de massa van de top quark. Voor een Higgs massa van 126 GeV / c 2 de SM voorspelt dat de meest voorkomende verval is in een bottom -antibottom quark paar, die 56,1% van de tijd gebeurt. De tweede meest voorkomende fermion verval in die massa een tau -antitau pair, die slechts ongeveer 6% van de tijd gebeurt.

Een andere mogelijkheid is dat de Higgs te splitsen in een paar massieve ijkbosonen. De meest waarschijnlijke mogelijkheid is dat de Higgs te vervallen in een paar W bosonen (de licht blauwe lijn in het perceel), die ongeveer 23,1% van de tijd voor een Higgs boson gebeurt met een massa van 126 GeV / c 2. De W bosonen kan vervolgens vervallen ofwel in een quark en een antiquark of in een geladen lepton en een neutrino. Echter, het verval van W bosonen in quarks zijn moeilijk te onderscheiden van de achtergrond en het verval in leptonen niet volledig worden gereconstrueerd (omdat neutrinos onmogelijk te detecteren deeltjes botsingsexperimenten). Een schonere signaal gegeven bederf in een paar Z-bosonen (die ongeveer 2,9% van de tijd gebeurt om een Higgs met een massa van 126 GeV / c 2 ), als elk van de bosons vervolgens vervalt in een paar van eenvoudig te detecteren geladen leptonen ( elektronen of muonen ).

Verval in massaloze ijkbosonen (dwz gluonen of fotonen ) is ook mogelijk, maar vereist tussenliggende lus van virtuele zware quarks (boven of onder) of massief ijkbosonen. De meest voorkomende een dergelijke werkwijze is het verval in een paar gluonen door middel van een lus van virtuele zware quarks. Deze werkwijze, die het omgekeerde van de bovengenoemde gluon fusieproces gebeurt ongeveer 8,5% van de tijd voor een Higgs boson met een massa van 126 GeV / c 2. Veel zeldzamer is het verval in een paar fotonen gemedieerde via lus van W bosonen of zware quarks, die slechts tweemaal gebeurt per duizend vergaat. Dit proces is zeer relevant voor experimentele zoekt de Higgs, omdat de energie en het momentum van de fotonen zeer nauwkeurig meetbaar, waardoor een nauwkeurige reconstructie van de massa van het deeltje vervallen.

Alternatieve modellen

Hoofd artikel: Alternatieven voor het Standaard Model Higgs

The Minimal Standaard Model zoals hierboven beschreven is de eenvoudigste bekend model voor de Higgsmechanisme met één Higgs veld. Echter, een uitgebreide Higgs sector met extra Higgs deeltje doubletten of drieling is ook mogelijk, en vele uitbreidingen van het Standaard Model hebben deze functie. De sector niet-minimale Higgs begunstigd door theorie zijn de twee-Higgs-doublet modellen (2HDM), die het bestaan van een voorspellen kwintet van scalaire deeltjes: twee CP-zelfs neutrale Higgs-bosonen h 0 en H 0 , een CP-oneven neutrale Higgs boson A 0 , en twee geladen Higgs-deeltjes H ±. Supersymmetrie (“SUSY”) voorspelt ook de relaties tussen het Higgs-boson massa’s en de massa’s van de ijkbosonen, en kon geschikt voor een 125 GeV / c 2 neutraal Higgs boson.

De belangrijkste methode om onderscheid te maken tussen deze verschillende modellen betreft onderzoek wisselwerkingen van de deeltjes (“koppeling”) en identificatie vervalprocessen (“branching ratio”), die kan worden gemeten en experimenteel getest deeltje botsingen. In de type-I 2HDM model Higgs doublet koppels om op en neer quarks, terwijl de tweede doublet niet echtpaar quarks. Dit model heeft twee interessante grenzen, waarbij de lichtste Higgs paren om gewoon fermionen (“gauge- fobische “) of gewoon peilen bosonen (” fermiophobic “), maar niet beide. In de Type-II 2HDM model, een Higgs doublet alleen koppels om up-type quarks, de andere alleen koppels naar beneden-type quarks. De zwaar onderzocht Minimal supersymmetrische Standaard Model (MSSM) is voorzien van een type-II 2HDM Higgs sector, zodat het kon worden weerlegd door het bewijs van een type-I 2HDM Higgs.

In de andere modellen die het Higgs scalair is een samengestelde deeltje. Bijvoorbeeld, in technicolor de rol van het veld Higgs wordt gespeeld door sterk gebonden paren van fermionen genoemd techniquarks. Andere modellen, voorzien van paren van top quarks (zie top quark condensaat ). In nog andere modellen, is er geen Higgs veld helemaal de electrozwakke symmetrie wordt verbroken via extra dimensies.

Een één-loop feynmandiagram van de eerste orde correctie op de Higgs massa. In de Standaard Model het effect van deze correcties zijn potentieel groot, die tot de zogenaamde hiërarchie probleem .

Verdere theoretische vraagstukken en hiërarchie probleem

Hoofd artikelen: Hiërarchie probleem en Hiërarchie probleem § Het Higgs massa

De Standaard Model laat de massa van het Higgs boson als een parameter te meten, in plaats van een waarde te berekenen. Dit wordt gezien als theoretisch onbevredigend, vooral omdat quantum correcties (gerelateerd aan interactie met virtuele deeltjes ) dient klaarblijkelijk veroorzaakt het Higgs deeltje met een massa veel hoger te zijn dan die waargenomen, maar tegelijkertijd het standaardmodel vereist een massa in de orde van 100-1000 GeV te waarborgen unitariteit (in casu longitudinale vector deeltje verstrooiing unitarise). De verbinding tussen deze punten lijkt te eisen verklaren waarom er een bijna perfecte annulering waardoor de zichtbare massa van ~ 125 GeV, en is niet duidelijk hoe dit te doen. Omdat de zwakke kracht ongeveer 10 32 maal sterker dan de zwaartekracht, en (in verband met deze) massa het Higgs deeltje is zo veel kleiner dan de planckmassa of grote unificatie energie, blijkt dat er hetzij een onderliggende verbinding of reden voor deze opmerkingen die onbekend is en niet beschreven door het Standaard Model, of een onverklaarbare en uiterst nauwkeurige fine-tuning van de parameters – echter op dit moment geen van deze verklaringen is bewezen. Dit staat bekend als een hiërarchie probleem. In bredere zin de hiërarchie probleem neer op de zorg dat een toekomstig theorie van fundamentele deeltjes en interacties niet hoeven te gedetailleerde afstemmingen of uitermate gevoelig annuleringen en dient massa’s van deeltjes zoals toestaan het Higgs boson te berekenen. Het probleem is in sommige opzichten uniek zijn voor spin-0 deeltjes (zoals het Higgs-boson), die aanleiding geven tot problemen in verband met quantum correcties die geen invloed hebben deeltjes met spin kan geven. Een aantal oplossingen zijn voorgesteld, met inbegrip supersymmetrie, conforme oplossingen en oplossingen via extra dimensies zoals braneworld modellen.

Er zijn ook kwesties van quantum trivialiteit wat suggereert dat het niet mogelijk is om een consistente kwantumveldentheorie waarbij elementaire scalaire deeltjes te creëren.

Experimenteel zoeken

Hoofd artikel: Zoeken naar het Higgs boson

Om Higgs bosonen te produceren, zijn twee bundels deeltjes versneld tot zeer hoge energieën en mag botsen binnen een deeltje detector. Af en toe, hoewel zelden, een Higgs boson wordt vluchtig gemaakt als onderdeel van de botsing bijproducten. Omdat het Higgs boson vergaat heel snel, kan deeltjesdetectoren niet direct detecteren. In plaats daarvan de detectoren alle vervalproducten (het register decay handtekening ) en de data het verval proces wordt gereconstrueerd. Als de waargenomen verval producten voldoen aan een mogelijke verval proces (bekend als een verval kanaal ) van een Higgs boson, geeft dit aan dat een Higgs boson kan zijn gemaakt. In de praktijk kunnen veel processen vergelijkbaar verval handtekeningen te produceren. Gelukkig is de Standaard Model nauwkeurig voorspelt de waarschijnlijkheid van elk van deze, en elke bekende werkwijze, optreedt. Dus, als de detector meer decay handtekeningen consistent overeenkomen met een Higgs dan anders zou worden verwacht wanneer Higgs bosons niet bestond detecteert, dan zou dit een sterk bewijs dat de Higgs bestaat.

Omdat Higgs boson de productie in een deeltje botsing is waarschijnlijk zeer zeldzaam (1 op de 10 miljard aan het LHC) te zijn, en vele andere mogelijke botsing gebeurtenissen kan dit verval handtekeningen, de gegevens van honderden miljarden botsingen moet worden geanalyseerd en moet voor een conclusie over het bestaan van het Higgs deeltje te bereiken “hetzelfde beeld zien”. Meent dat er een nieuw deeltje is gevonden, deeltjesfysici dient de statistische analyse van twee onafhankelijke deeltjesdetectoren elk aan dat er minder dan één op een miljoen kans dat de waargenomen decay handtekeningen gevolg slechts achtergrondgeluid Standard Model events-ie, dat het waargenomen aantal events is dan 5 standaarddeviaties (sigma) dan die verwacht als er geen nieuwe deeltjes. Meer botsing data zorgt voor een betere bevestiging van de fysische eigenschappen van elk nieuw deeltje waargenomen, en laat fysici om te beslissen of het is inderdaad een Higgs boson, zoals beschreven door het Standaard Model of een andere hypothetische nieuw deeltje.

Om de Higgs boson te vinden, een krachtige deeltjesversneller was nodig, omdat de Higgs-bosonen niet kunnen worden gezien in de lagere energie-experimenten. De versneller nodig is om een hoge hebben lichtsterkte om genoeg botsingen zorgen werden gezien voor de conclusies worden getrokken. Ten slotte werden geavanceerde computerfaciliteiten die nodig zijn om de enorme hoeveelheid data (25 verwerken petabytes per jaar per 2012) geproduceerd door de botsingen. Voor de aankondiging van 4 juli 2012 een nieuwe versneller die bekend staat als de Large Hadron Collider werd gebouwd bij CERN met een geplande uiteindelijke botsing energie van 14 TeV -over zeven keer een eerdere Collider-en meer dan 300000000000000 (3 x 10 14 ) LHC proton-proton botsingen werden geanalyseerd door de LHC Computing Grid, ’s werelds grootste Computing Grid (vanaf 2012), bestaande uit meer dan 170 computerfaciliteiten in een wereldwijd netwerk over 36 landen

Zoeken voorafgaand aan 4 juli 2012

De eerste uitgebreide zoektocht naar het Higgs boson werd uitgevoerd aan de Large Electron-Positron Collider (LEP) op CERN in de jaren 1990. Aan het einde van zijn in 2000, had LEP geen overtuigend bewijs voor het Higgs gevonden. Dit hield in dat als het Higgs boson zou bestaan zou het moeten zijn zwaarder dan 114,4 GeV / c 2.

De zoektocht voortgezet in Fermilab in de Verenigde Staten, waar de Tevatron -het Collider dat de ontdekte top quark in 1995-opgewaardeerd hadden voor dit doel. Er was geen garantie dat de Tevatron in staat om de Higgs te vinden zou zijn, maar het was de enige supercollider dat was operationeel sinds de Large Hadron Collider (LHC) was nog in aanbouw en de geplande Supergeleidende Super Collider geannuleerd was in 1993 en nooit voltooid . De Tevatron was alleen in staat om verdere reeksen uit te sluiten voor de Higgs massa en werd afgesloten op 30 september 2011, omdat het niet meer kon houden met de LHC. De uiteindelijke analyse van de gegevens uitgesloten van de mogelijkheid van een Higgs boson met een massa tussen 147 GeV / c 2 en 180 GeV / c 2. Bovendien was er een kleine (maar niet significant) meer dan events mogelijk wijst op een Higgs met een massa tussen 115 GeV / c 2 en 140 GeV / c2.

De Large Hadron Collider bij CERN in Zwitserland , is speciaal ontworpen om te kunnen bevestigen of uitsluiten van het bestaan van het Higgs boson. Gebouwd in een 27 km lange tunnel onder de grond in de buurt van Genève oorspronkelijk bewoond door LEP, werd ontworpen om twee bundels protonen botsen, aanvankelijk bij energieën van 3,5 TeV per bundel (7 TeV totaal), of bijna 3,6 keer die van de Tevatron, en uitbreidbaar tot 2 × 7 TeV (14 TeV totaal) in de toekomst. Theorie voorgesteld als het Higgs boson bestaat, moet botsingen bij deze energie-niveaus in staat zijn om het te openbaren. Als een van de meest ingewikkelde wetenschappelijke instrumenten die ooit is gebouwd, was de operationele gereedheid uitgesteld voor 14 maanden door een magneet quench evenement negen dagen na haar inaugurele testen, veroorzaakt door een defecte elektrische verbinding die beschadigd dan 50 supergeleidende magneten en verontreinigde het vacuümsysteem.

Het verzamelen van gegevens bij de LHC uiteindelijk in maart 2010 In december 2011 heeft de twee belangrijkste deeltjesdetectoren bij de LHC, ATLAS en CMS , had het massabereik versmald waar de Higgs zou kunnen bestaan om rond 116-130 GeV (ATLAS) en 115-127 GeV (CMS). Er was ook al een aantal veelbelovende evenement excessen die was “verdampt” en bewezen dat niets, maar willekeurige schommelingen zijn geweest. Echter, van rond mei 2011, beide experimenten hadden gezien onder hun resultaten, de langzame opkomst van een kleine maar constante overmaat aan gamma en 4-lepton verval handtekeningen en diverse andere deeltje verval, al zinspeelde op een nieuw deeltje in een massa- rond 125 GeV. Door rond november 2011, de afwijkende gegevens op 125 GeV was steeds “te groot om te negeren” (hoewel nog verre van overtuigend), en de teamleiders op zowel ATLAS en CMS elke particulier verdacht dat ze zou hebben gevonden het Higgs. Op 28 november 2011, om een interne vergadering van de twee teamleiders en de directeur-generaal van CERN, de laatste analyses werden buiten hun teams besproken voor de eerste keer, wat suggereert zowel ATLAS en CMS kunnen worden convergerende op een mogelijke gezamenlijke resultaat bij 125 GeV, en de eerste voorbereidingen begonnen in het geval van een succesvolle bevinding. Hoewel deze informatie niet publiekelijk bekend was op het moment, de vernauwing van de mogelijke Higgs variëren rond 115-130 GeV en de herhaalde observatie van kleine maar consistente evenement excessen via meerdere kanalen op zowel ATLAS en CMS in de 124-126 GeV regio (beschreven als “prikkelende hints ‘van ongeveer 2-3 sigma) openbaar waren kennis met” veel belang “. Het Daarom werd alom verwacht rond het einde van 2011, dat de LHC voldoende gegevens om ofwel sluiten of te bevestigen dat het vinden van een Higgs boson aan het eind van 2012, zou bieden wanneer hun 2012 botsing data (met een iets hogere 8 TeV botsingsenergie) was geweest onderzocht.

Ontdekking van de kandidaat-boson bij CERN

2-foton Higgs decay.svg 4-lepton Higgs decay.svg
Feynmandiagrammen met de schoonste kanalen verbonden met de lage-massa (~ 125 GeV) Higgs boson kandidaat geobserveerd doorATLAS enCMS aan deLHC .De dominante productie mechanisme in deze massa bestaat uit tweegluonen uit elke proton fusing naar eentop-quark Loop , die paren sterk aan het Higgs-veld naar een Higgs boson te produceren.Links: Diphoton channel: Boson vervolgens vervalt in 2 gamma ray fotonen door virtuele interactie met een W boson loop of top quark lus.Rechts: 4-Lepton “gouden channel”: Boson zendt 2 Z-bosonen , die elk verval in 2 leptonen (elektronen, muonen).Experimentele analyse van deze kanalen bereikte significantie van meer dan 5 sigma in beide experimenten.

Op 22 juni 2012 CERN aangekondigd een aanstaande seminar met betrekking tot voorlopige bevindingen voor 2012, en kort daarna (van rond 1 juli 2012 op basis van een analyse van het verspreiden van geruchten in social media) geruchten begon te verspreiden in de media dat dit zou onder meer een belangrijke aankondiging, maar het was onduidelijk of dit een sterker signaal of een formele ontdekking zou zijn was. Speculatie escaleerde tot een ‘koortsige “pitch wanneer rapporten bleek dat Peter Higgs, die voorgesteld deeltje, zou worden bijwonen van het seminar, en dat “vijf vooraanstaande natuurkundigen” was uitgenodigd – over het algemeen verondersteld om de vijf levende betekenen 1964 auteurs – met Higgs, Englert, Guralnik, Hagen bijwonen en Kibble bevestigt zijn uitnodiging (Brout gestorven in 2011).

Op 4 juli 2012 zowel van de CERN experimenten aangekondigd hadden ze onafhankelijk gemaakt van dezelfde ontdekking: CMS van een eerder onbekende boson met massa 125,3 ± 0,6 GeV / c 2 en ATLAS van een boson met massa 126,0 ± 0,6 GeV / c 2. De gecombineerde analyse van twee types interactie (bekend als “kanalen”), beide experimenten onafhankelijk bereikte een lokale betekenis van 5 sigma – impliceert dat de kans op het krijgen minstens zo sterk gevolg van toeval minder dan 1 in 3.000.000. Als extra kanalen in aanmerking werden genomen, werd de CMS betekenis teruggebracht tot 4,9 sigma.

De twee teams hadden gewerkt ‘verblind’ van elkaar uit rond eind 2011 of begin 2012, wat betekent dat ze niet hun resultaten bespreken met elkaar, het verstrekken van extra zekerheid dat alle voorkomende bevinding was echte validatie van een deeltje. Dit niveau van bewijs, onafhankelijk van elkaar door twee afzonderlijke teams en experimenten bevestigd, voldoet aan de formele niveau van de bewijsstukken aan een bevestigd ontdekking te kondigen.

Op 31 juli 2012 heeft de ATLAS-samenwerking gepresenteerd extra data-analyse op de “waarneming van een nieuw deeltje”, met inbegrip van gegevens van een derde kanaal, dat de betekenis verbeterde naar 5,9 sigma (1 op 588 miljoen kans op het verkrijgen van ten minste zo sterk bewijs door willekeurige achtergrond effecten alleen) en de massa 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV / c 2, en CMS verbeterde de betekenis 5-sigma en massa 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV / c 2.

De nieuwe deeltje getest als een mogelijke Higgs boson

Na de ontdekking van 2012, was het nog niet bevestigd of de 125 GeV / c 2 deeltje was een Higgs boson. Enerzijds waarnemingen bleef consistent met de waargenomen deeltje waarbij de Standaard Model Higgs, en het deeltje vervallen in ten minste sommige van de voorspelde kanalen. Bovendien is de productie tarieven en vertakking ratio voor de waargenomen kanalen in grote lijnen overeen met de voorspellingen van het Standaard Model binnen de experimentele onzekerheid. Echter, de experimentele onzekerheden die momenteel nog steeds links ruimte voor alternatieve verklaringen, wat betekent dat een aankondiging van de ontdekking van een Higgs boson zou voorbarig zijn geweest. Voor meer mogelijkheden voor het verzamelen van gegevens mogelijk te maken, de LHC voorgestelde 2012 afsluiten en 2013-14 upgrade waren uitgesteld door 7 weken in 2013.

In november 2012 aan een conferentie in Kyoto onderzoekers zei bewijs verzameld sinds juli viel in overeenstemming met de fundamentele Standaard Model meer dan de alternatieven, met een bereik van de resultaten voor verschillende interacties bijpassende voorspellingen van die theorie. De Fysicus Matt Strassler gemarkeerd ” aanzienlijke “bewijs dat de nieuwe deeltje is geen pseudoscalaire negatieve pariteit deeltje (in overeenstemming met dit nodig vinden voor een Higgs boson), “verdampen” of het ontbreken van de toegenomen betekenis voor eerdere hints van niet-Standaard Model bevindingen verwacht Standaard Model interacties met W en Z-bosonen , de afwezigheid van “belangrijke nieuwe implicaties” voor of tegen supersymmetrie , en in het algemeen geen significante afwijkingen tot op heden van de verwachte resultaten van een Standaard Model Higgs boson. Maar sommige soorten uitbreidingen van het Standaard Model zou ook laten zien bijna dezelfde resultaten, zodat commentatoren opgemerkt dat op basis van andere deeltjes die nog lang begrepen na ontdekking, kan jaren duren om zeker en decennia volledig begrijpen deeltje dat gevonden.

Deze bevindingen betekende dat met ingang van januari 2013, de wetenschappers waren zeer zeker dat ze hadden een onbekend deeltje massa ~ 125 GeV / gevonden c 2 , en niet was misleid door experimentele fout of een kans resultaat. Ze waren ook zeker, van de eerste waarnemingen, dat de nieuwe deeltje was een soort van boson. Het gedrag en de eigenschappen van het deeltje, voor zover onderzocht sinds juli 2012, leek ook heel dicht bij het gedrag verwachten van een Higgs boson. Zelfs zo, het zou nog een Higgs-boson of een andere onbekende boson geweest, aangezien toekomstige testen gedragingen die niet overeenkomen met een Higgs boson kon laten zien, zo december 2012 CERN nog maar verklaarde dat het nieuwe deeltje was “in overeenstemming met” de Higgs boson, en wetenschappers hebben nog niet positief te zeggen dat het was het Higgs boson. Ondanks dit, in het najaar van 2012 op grote schaal in de media aangekondigd (ten onrechte) dat een Higgs boson had gedurende het jaar bevestigd.

In januari 2013 CERN directeur-generaal Rolf-Dieter Heuer verklaard dat op basis van data-analyse tot op heden een antwoord mogelijk zou kunnen zijn ‘richting’ medio 2013, en de plaatsvervangend voorzitter van de natuurkunde aan Brookhaven National Laboratory verklaarde in februari 2013 dat er een “definitief” antwoord “een paar jaar” na het zou kunnen vereisen Collider’s 2015 herstart. In het begin van maart 2013, CERN Research Director Sergio Bertolucci verklaard dat bevestigt spin-0 was de belangrijkste resterende verplichting om te bepalen of het deeltje is op tenminste een soort van Higgs boson.

Voorlopige bevestiging van het bestaan en de huidige status

Op 14 maart 2013 CERN bevestigd dat:

“CMS en ATLAS hebben een aantal opties voor de spin-pariteit van dit deeltje vergeleken, en deze allemaal liever geen spin en zelfs pariteit [twee fundamentele criteria van een Higgs boson in overeenstemming met het Standaard Model]. Dit, in combinatie met de gemeten interacties van de nieuwe deeltje met andere deeltjes, sterke aanwijzingen dat het een Higgs. ”

Dit maakt het deeltje de eerste elementaire scalair deeltje te ontdekken in de natuur.

Voorbeelden van tests die worden gebruikt om te valideren of de 125 GeV deeltje is een Higgs boson:

Eis Hoe getest / uitleg Huidige status (maart 2013)
Zero draai Het onderzoeken van verval patronen. Spin-1 werd uitgesloten bij de eerste ontdekking van de waargenomen decay twee fotonen (γ γ), waardoor rotatie-0 en spin-2 als overgebleven kandidaten. Spin-0 voorlopig bevestigd. De spin-2 hypothese uitgesloten met een betrouwbaarheid van meer dan 99,9%.
+ en niet pariteit Het bestuderen van de hoeken waarin verval producten vliegen elkaar. Negatieve pariteit werd ook benadeeld als spin-0 werd bevestigd.
Zelfs pariteit voorlopig bevestigd. De spin-0 negatieve pariteit hypothese uitgesloten met een betrouwbaarheid van meer dan 99,9%.
Decay kanalen (uitkomsten van deeltjes rottende) worden als voorspeld Het Standaard Model voorspelt het verval patronen van een 125-126 GeV Higgs boson. Zijn deze al gezien, en op de juiste prijs?Bijzonder belangrijk, moeten we verval nemen in paren van fotonen (γ γ), W en Z-bosonen (WW en ZZ), bottom-quarks (bb), en tau leptonen (τ τ) , een van de mogelijke uitkomsten. γ γ, τ τ, WW en ZZ waargenomen; bb nog niet bevestigd. Sommige vertakking niveaus (decay rates) zijn een beetje hoger dan verwacht in voorlopige resultaten, in het bijzonder H → γ γ , die een piek bij geeft ATLAS iets hoger dan die gezien in-4 leptonen verval en bij CMS.
Stellen massa (dat wil zeggen, de kracht van de interactie met Standaard Model deeltjes evenredig met hun massa) Deeltjesfysicus Adam Falkowski stelt dat de essentiële kwaliteiten van een Higgs boson zijn dat het een spin-0 (scalair) deeltje dat ook koppels om massa (W en Z-bosonen); bewijst spin-0 alleen is niet voldoende.
Koppelingen naar massa sterk blijkt (“At 95% betrouwbaarheidsniveau c V ligt op 15% van het standaard model waarde c V = 1 “).
Hogere resultaten energie consequent blijven Na de LHC 2015 herstart bij de LHC volledige geplande energieën van 13-14 TeV , zoekt voor meerdere Higgs-deeltjes (zoals voorspeld in sommige theorieën) en tests richten andere versies van deeltje theorie zal plaatsvinden. Deze hogere resultaten energie moet blijven om de resultaten in overeenstemming met Higgs theorieën geven Om te worden onderzocht na LHC upgrade

Publieke discussie

Naming

Namen gebruikt door natuurkundigen

De naam meest sterk geassocieerd met het deeltje en het veld is het Higgs boson en Higgs veld. Al enige tijd werd het deeltje bekend door een combinatie van de PRL auteursnamen (inclusief soms Anderson), bijvoorbeeld het Brout-Englert-Higgs-deeltje, de Anderson-Higgs-deeltje, of de Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen- Kibble mechanisme, en deze worden nog steeds gebruikt op keer. Gevoed gedeeltelijk door de kwestie van de erkenning en een mogelijke gedeelde Nobelprijs, de meest geschikte naam is nog steeds af en toe een onderwerp van discussie in 2012. Higgs zelf de voorkeur aan het deeltje ofwel noemen door een acroniem van alle betrokkenen, of “de scalaire boson”, of “het zogenaamde Higgs deeltje”.

Een aanzienlijk deel is geschreven over hoe de naam Higgs ‘kwam uitsluitend worden gebruikt. Twee belangrijke verklaringen worden aangeboden.

Reden Basis van de uitleg
Higgs ondernam een stap die ofwel uniek, duidelijker of meer expliciet in zijn krant, formeel in het voorspellen van en het onderzoeken van de deeltjes was. Van de auteurs van de PRL papers, alleen het papier door Higgs expliciet aangeboden als een voorspelling, dat een massale deeltje zou bestaan, en berekende aantal van zijn eigenschappen; Hij was dan ook “de eerste postuleren het bestaan van een massief deeltje “, aldus Nature. Natuurkundige en auteur Frank Close en natuurkundige-blogger Peter Woit zowel reactie dat het papier door GHK ook werd afgerond na Higgs en Brout-Englert werden ingediend Physical Review Letters en Higgs had alleen nadruk gelegd op een voorspelde grote scalair deeltje, terwijl alle anderen waren gericht op de enorme vector bosons; Zo Higgs bijdrage ook voorzien experimentalisten met een cruciale “concrete doelstelling” die nodig is om de theorie te testen. Echter, gezien Higgs ‘, Brout en Englert niet expliciet melding van de boson sinds haar bestaan is duidelijk duidelijk in hun werk, terwijl volgens naar Guralnik de GHK papier was een volledige analyse van het hele symmetriebreking mechanisme waarvan wiskundige strengheid is afwezig bij de andere twee kranten, en een massieve deeltjes kunnen bestaan in een aantal oplossingen. paper Higgs ‘heeft ook een’ bijzonder scherpe “verklaring van de uitdaging en de oplossing volgens de wetenschap historicus David Kaiser.
De naam werd populair in de jaren 1970 door gebruik als handige verkorte of door een fout in citeren. Veel rekeningen (met inbegrip van Higgs eigen) de kredietwaardigheid van de “Higgs” naam aan natuurkundige Benjamin Lee (in Korean: Lee Whi-SOH ). Lee was een belangrijke populistische voor de theorie in een vroeg stadium, en gewoonlijk bevestigd de naam “Higgs” als een “handig steno” voor zijn componenten uit 1972 en in de bij tenminste één geval al vanaf 1966. Hoewel Lee verduidelijkt in zijn voetnoten dat “‘Higgs’ is een afkorting voor Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert”, zijn gebruik van de term (en wellicht ook Steven Weinberg’s vergist citeren van Higgs ‘papieren als de eerste in zijn rudimentaire 1967 papier ), betekende dat ongeveer 1975-1976 anderen had ook begonnen om de naam te gebruiken ‘Higgs’ uitsluitend als afkorting.

Nickname

Het Higgs boson wordt vaak aangeduid als de “God particle” in de populaire media buiten de wetenschappelijke gemeenschap. De bijnaam komt van de titel van het boek 1993 op het Higgs boson en deeltjesfysica – The God Particle:? Als het heelal is het antwoord, wat is de vraag door Nobel Physics prijswinnaar en Fermilab directeur Leon Lederman. Lederman schreef het in de context van falende Amerikaanse steun overheid voor de Supergeleidende Super Collider, een deel gebouwd titanic concurrent van de Large Hadron Collider met de geplande botsing energieën van 2 × 20 TeV die werd verdedigd door Lederman sinds haar oprichting 1983 en stilgelegd in 1993. Het boek gezocht in een deel om de bewustwording van het belang en de noodzaak van een dergelijk project in het gezicht van een mogelijk verlies van middelen te bevorderen. Lederman, een vooraanstaand onderzoeker op het gebied, wilde de titel van zijn boek “The Goddamn Particle: Als het heelal is het antwoord, wat is de vraag: “Maar zijn uitgever besloten dat de titel was te controversieel en overtuigde Lederman de titel te veranderen” The God Particle:? Als het Universum is het antwoord, wat is de vraag? ”

En aangezien de Higgs Boson behandelt hoe materie werd gevormd op het moment van de oerknal, en omdat kranten hield van de term, de term “God particle” werd gebruikt.

Terwijl de media gebruik van deze term kan hebben bijgedragen tot bredere bewustwording en interesse, veel wetenschappers voelen de naam ongepast is want het is sensationeel hyperbool en misleidt lezers; het deeltje heeft ook niets te maken met God, laat geopend talrijke vragen in fundamentele fysica , en niet de ultieme verklaren oorsprong van het heelal. Higgs, een atheïst, werd gemeld ontevreden te zijn en verklaarde in een interview 2008 dat hij het “beschamend”, omdat het was “het soort misbruik … waarvan ik denk dat kunnen sommige mensen te beledigen”. Wetenschap schrijver Ian Sample verklaarde in zijn boek over de zoektocht die de bijnaam is 2010 “universeel haat [d]” door natuurkundigen en misschien wel de “slechtste bespot” in de geschiedenis van de natuurkunde, maar dat (volgens Lederman) de uitgever verworpen alle titels vermelding “Higgs” zo fantasieloos en ook onbekend.

Lederman begint met een beoordeling van de lange menselijke zoektocht naar kennis, en legt uit dat zijn tong-in-wang titel trekt een analogie tussen de impact van het Higgs-veld op de fundamentele symmetrieën in de Big Bang , en de schijnbare chaos van structuren, deeltjes, krachten en interacties die geleid en gevormd onze huidige universum, met het bijbelse verhaal van Babel , waarin de oorspronkelijke enkele taal van de vroege Genesis werd versplinterd in vele uiteenlopende talen en culturen.

Vandaag … hebben we het standaard model, waarin alle realiteit reduceert tot een tiental deeltjes en vier krachten … Het is een zwaarbevochten eenvoud opmerkelijk accuraat. Maar het is ook onvolledig is en in feite, intern inconsistent … Dit boson is zo centraal in de toestand van de fysica vandaag, dus cruciaal voor onze laatste begrip van de structuur van de materie, maar toch zo ongrijpbaar, dat ik het een bijnaam hebben gegeven : de God Particle. Waarom God Particle? Twee redenen.One, zou de uitgever niet laat ons noemen het de Verdomme Particle, al is dat misschien een meer passende titel, gezien de doortrapte aard en de kosten wordt veroorzaakt. En twee, er een verbinding, van soorten, tot een boek , een veel ouder …

-Leon M. Lederman en Dick Teresi, The God Particle: Als het heelal is het antwoord, wat is de vraag p. 22

Lederman vraagt of het Higgs boson is toegevoegd gewoon perplex en verwarren die zoeken naar kennis van het heelal, en of natuurkundigen worden vertroebeld door het als verteld in dat verhaal, of uiteindelijk overwinnen van de uitdaging en te begrijpen “hoe mooi is het universum [God ] gemaakt “.

Andere voorstellen

Een hernoemen concurrentie door de Britse krant The Guardian in 2009 resulteerde in de wetenschap correspondent het kiezen van de naam “de champagnefles boson “als de beste inzending:” De bodem van een fles champagne in de vorm van het Higgs potentieel en wordt vaak gebruikt als een illustratie in de fysica lezingen. Dus het is niet een beschamend grandioze naam, het is onvergetelijk, en [het] heeft een aantal natuurkunde verbinding ook. ” De naam Higgson werd ook gesuggereerd, in een opiniestuk in het Institute of Physics ‘online publicatie physicsworld.com.

Media uitleg en analogieën

Er is aanzienlijke publieke discussie over analogieën en verklaringen voor het Higgs-deeltje en hoe het veld creëert massa geweest inclusief dekking van verklarende pogingen in hun eigen recht en een wedstrijd in 1993 voor de beste populaire verklaring door de toenmalige Britse Minister van Wetenschap Sir William Waldegrave en artikelen in kranten over de hele wereld.

Foto van licht door een dispersieve prisma: regenboogeffect ontstaat doordat fotonen niet allemaal beïnvloed in dezelfde mate door de dispersieve materiaal van het prisma.

Een educatieve samenwerking waarbij een LHC natuurkundige en een High School Teachers bij CERN opvoeder suggereert dat spreiding van het licht – verantwoordelijk voor de regenboog en dispersieve prisma -. is een nuttige analogie voor de symmetrie van het veld Higgs breken en massa veroorzaakt effect

Symmetriebreking
in de optica
In een vacuüm, Gelet kleuren (of fotonen alle golflengten ) beweegt met dezelfde snelheid , een symmetrische situatie. In sommige stoffen zoals glas , water of lucht , wordt deze symmetrie verbroken (zie: Fotonen in kwestie ). Het resultaat is dat licht van verschillende golflengtes schijnt om verschillende snelheden (gezien van buitenaf).
Symmetriebreking
in de deeltjesfysica
In ‘naïeve’ ijktheorieën, ijkbosonen en andere fundamentele deeltjes zijn allemaal massaloze – ook een symmetrische situatie. In aanwezigheid van het veld Higgs deze symmetrie verbroken. Het resultaat is dat deeltjes van verschillende types met verschillende massa’s hebben.

Matt Strassler maakt gebruik van elektrische velden als een analogie:

Sommige deeltjes interactie met het Higgs-veld, terwijl anderen dat niet doen. Die deeltjes die het veld daad Higgs het gevoel alsof ze massa hebben. Iets dergelijks gebeurt in een elektrisch veld – geladen voorwerpen zijn rond getrokken en neutrale voorwerpen kunt door onaangetast varen. Zo kunt u denken aan de Higgs zoekopdracht als een poging om de golven in het Higgs-veld te maken [maken Higgs-bosonen] om te bewijzen dat het echt daar.

Een soortgelijke verklaring werd aangeboden door The Guardian:

Het Higgs boson is in wezen een rimpel in een veld gezegd te zijn ontstaan bij de geboorte van het heelal en de kosmos op deze dag overspannen … Het deeltje is cruciaal echter: het is de smoking gun, die nodig zijn om de theorie te tonen bewijs is juist.

Het effect van het Higgs veld op deeltjes werd famously beschreven door de fysicus David Miller als verwant aan een kamer vol politieke partij werknemers verspreid gelijkmatig over een kamer: de menigte aangetrokken tot en vertraagt beroemde mensen, maar niet vertragen anderen. Hij Ook vestigde de aandacht op de bekende effecten in de vaste stof fysica , waar effectieve massa van een elektron veel groter dan gebruikelijk in de aanwezigheid van een kristalrooster kan zijn.

Analogieën op basis van drag -effecten, met inbegrip van analogieën van ” syrup “of” melasse “zijn ook bekend, maar kan enigszins misleidend zijn, omdat ze kunnen worden begrepen (ten onrechte) als te zeggen dat het Higgs-veld eenvoudigweg verzet sommige deeltjes ‘beweging, maar niet anderen’ – een eenvoudige resistieve effect zou ook in strijd zijn met de derde wet van Newton.

Erkenning en prijzen

Er is veel discussie over hoe om het krediet toe te wijzen als het Higgs boson is bewezen geweest, maakte meer puntige als een Nobelprijs had verwacht, en de zeer brede basis van de mensen recht op een tegenprestatie. Deze omvatten een scala van theoretici die het Higgs-mechanisme theorie mogelijk gemaakt, de theoretici van de 1964 PRL papers (inclusief Higgs zelf), de theoretici die uit deze afgeleid, een werkende elektrozwakke theorie en het Standaard Model zelf, en ook de experimentelen bij CERN en andere instellingen die het bewijs van het Higgs-veld en boson in werkelijkheid mogelijk gemaakt. De Nobelprijs heeft een limiet van 3 personen tot een award te delen, en een aantal mogelijke winnaars zijn al houders prijs voor ander werk, of zijn overleden (de prijs wordt alleen toegekend aan personen die in hun leven). Bestaande prijzen voor werkzaamheden met betrekking tot het gebied Higgs, boson, of mechanisme zijn:

  • Nobelprijs voor de Natuurkunde (1979) – Glashow, Salam, en Weinberg, voor bijdragen aan de theorie van de verenigde zwakke en elektromagnetische interactie tussen elementaire deeltjes
  • Nobelprijs voor de Natuurkunde (1999) – ’t Hooft en Veltman, voor het ophelderen van de quantum-structuur van de elektrozwakke interacties in de fysica
  • Nobelprijs voor de Natuurkunde (2008) – Nambu (gemeenschappelijk), voor de ontdekking van het mechanisme van de spontaan gebroken symmetrie in subatomaire fysica
  • JJ Sakurai Prijs voor Theoretische deeltjesfysica (2010) – Hagen, Englert, Guralnik, Higgs, Brout en Kibble, voor de opheldering van de eigenschappen van spontane symmetriebreking in vier-dimensionale relativistische ijktheorie en van het mechanisme voor de consistente generatie van vector boson massa’s (voor beschreven de 1964 papieren hierboven )
  • Wolf Prize (2004) – Englert, Brout en Higgs
  • Nobelprijs voor de Natuurkunde (2013) – Peter Higgs en François Englert, voor het theoretische ontdekking van een mechanisme dat bijdraagt aan ons begrip van de oorsprong van de massa van de subatomaire deeltjes, en dat onlangs werd bevestigd door de ontdekking van de voorspelde elementair deeltje, door de ATLAS en CMS experimenten bij CERN’s Large Hadron Collider

Daarnaast Physical Review Letters van 50-jaar review ‘(2008) erkende de 1964 PRL symmetriebreking papers en Weinberg’s 1967 paper Een model leptonen (de meest geciteerde papier in de deeltjesfysica, vanaf 2012) “mijlpaal Letters”.

Na gemeld observatie van het Higgs-achtige deeltje in juli 2012, een aantal Indiase media outlets gerapporteerd over de vermeende verwaarlozing van de kredietverlening aan de Indiase fysicus Satyendra Nath Bose na wiens werk in de jaren 1920 de klas van deeltjes ” bosonen “wordt genoemd (hoewel natuurkundige verbinding Bose aan de discovery zoals ijle beschreven).

Technische aspecten en wiskundige formulering

Zie ook: Standaard Model (wiskundige formulering)

In het Standaard Model, het Higgs-veld is een vier-component scalair veld dat een complex vormt doublet van de zwakke isospin SU (2) symmetrie:

  Phi =  frac {1} { sqrt {2}}  links ( begin {matrix} {c}  phi ^ 1 + i  phi ^ 2 \  phi ^ 0 + i  phi ^ 3  end {scala}  right)  ;,
(1)

terwijl het veld heeft lading +1/2 onder zwakke hyperlading U (1) symmetrie (in de overeenkomst waarin de elektrische lading Q , de zwakke isospin, I 3 , en de zwakke hyperlading, Y, gerelateerd aan Q = I 3 + Y ).

Het potentieel voor het veld Higgs, uitgezet als functie van  Phi ^ 0 en  Phi ^ 3 .Het heeft een Mexicaanse-hat of champagne fles profiel naar de grond.

Het Higgs deel van het Lagrange is [ 207 ]

 Mathcal {L} _H =  left |  links ( partial_  mu -ig W_  mu ^ een  tau ^ een -i  frac {g '} {2} B_  mu  right)  phi  right | ^ 2 +  mu ^ 2  phi ^  dagger  filo-  lambda ( phi ^  dagger  phi) ^ 2,
(2)

waarin W_  mu ^ a en B_  muzijn de ijkbosonen van de SU (2) en U (1) symmetrieën,g en G 'hun koppelingsconstanten , Tau ^ a =  sigma ^ a / 2 (Waarbij  Sigma ^ azijn de Pauli matrices ) een complete set generatoren van de SU (2) symmetrie, en Lambda> 0 en  Mu ^ {2}> 0, Zodat de grondtoestand breekt de SU (2) symmetrie (zie figuur). De grondtoestand van het veld Higgs (onderaan het potentiële) gedegenereerd met verschillende grondtoestanden met elkaar verbonden door een SU (2) ijktransformatie. Het is altijd mogelijk om een meter halen zodat in de grondtoestand Phi ^ 1 =  phi ^ 2 =  phi ^ 3 = 0 .De verwachting waarde van  Phi ^ 0in de grond staat (het vacuüm verwachtingswaarde of VEV) is dan  Langle  phi ^ 0  rangle v =, waar dev =  tfrac {|  mu |} { sqrt { lambda}} .De gemeten waarde van deze parameter is ~ 246 GeV / c 2 . Het heeft eenheden van massa, en is de enige vrije parameter van het Standaard Model, dat is niet een dimensieloos getal. Kwadratische termen in W _ { mu} en B _ { mu}ontstaan, die massa’s te geven aan de W en Z -bosonen:

M_W =  frac {v | g |} 2,
(3)
M_Z =  frac {v  sqrt {g ^ 2 + {g '} ^ 2}} 2,
(4)

met hun verhouding bepalen van de Weinberg hoek ,  Cos  theta_W =  frac {M_W} {M_Z} =  frac {| g |} { sqrt {g ^ 2 + {g '} ^ 2}}en laat een massaloze U (1) foton , Gamma .

De quarks en leptonen interactie met het Higgs-veld door middel van Yukawa interactie termen:

 Begin {uitlijnen}  mathcal {L} _ {Y} = & -  lambda_u ^ {ij}  frac { phi ^ 0-i  phi ^ 3} { sqrt {2}}  overline u_L ^ i u_R ^ j +  lambda_u ^ {ij}  frac { phi ^ 1-i  phi ^ 2} { sqrt {2}}  overline d_L ^ i u_R ^ j \ & -  lambda_d ^ {ij}  frac { phi ^ 0 + i  phi ^ 3} { sqrt {2}}  overline d_L ^ i D_R ^ j -  lambda_d ^ {ij}  frac { phi ^ 1 + i  phi ^ 2} { sqrt {2}}  overline u_L ^ i D_R ^ j \ & -  lambda_e ^ {ij}  frac { phi ^ 0 + i  phi ^ 3} { sqrt {2}}  overline e_L ^ i e_R ^ j -  lambda_e ^ {ij}  frac { phi ^ 1 + i  phi ^ 2} { sqrt {2}}  overline  nu_L ^ i e_R ^ j +  textrm hc {},  end {uitlijnen }
(5)

waarin (D, u, e,  nu) _ {L, R} ^ izijn linkshandige en rechtshandige quarks en leptonen van de i e generatie ,  Lambda_ {u, d, e} ^ {ij}zijn matrices van Yukawa koppelingen waarbij hc staat voor de hermitisch conjugaat voorwaarden. In de symmetriebreking grondtoestand, alleen de termen bevatten  Phi ^ 0blijven, die aanleiding geven tot massale termen voor de fermionen. Het draaien van de quark en lepton velden aan de basis waar de matrices van Yukawa koppelingen zijn diagonaal, krijgt men

 Mathcal {L} _ {m} = -m_u ^ i  overline u_L ^ i u_R ^ i -m_d ^ i  overline d_L ^ i D_R ^ i -m_e ^ i  overline e_L ^ i e_R ^ i +  textrm {hc },
(6)

waarbij de massa van de fermionen zijn m_ {u, d, e} ^ i =  lambda_ {u, d, e} ^ iv /  sqrt {2} En  Lambda_ {u, d, e} ^ igeven de eigenwaarden van de Yukawa matrices.