Bozon Higgsa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
bozon Higgsa
Symbol H0
Ładunek 0
Masa 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/c² (wg CMS)
126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/c² (wg ATLAS)
śr. czas życia 1,56 × 10-22 s[a]
Szerokość 4,21 × 10-3 GeV[a][1]
Spin 0
Najczęstsze rozpady [a][1]
  • H \to b \, \bar b (56,1%)
  • H \to 4 f (25,9%)
    • H \to W \, W^{(*)} (23,1%)
    • H \to Z \, Z^{(*)} (2,89%)
  • H \to g \, g (8,48%)
  • H \to \tau^+ \, \tau^- (6,15%)
  • H \to c \, \bar c (2,83%)
Postulowana R. Brout, F. Englert, P. Higgs, G. S. Guralnik, C. R. Hagen i T. W. B. Kibble (1964)
Odkryta prawdopodobnie 4 lipca 2012[b]
Cząstki elementarne
modelu standardowego
leptony
e μ τ
νe νμ ντ
kwarki
u c t
d s b
bozony cechowania
γ Z0 W
B0 gluon
bozony Higgsa
H0

Bozon Higgsa (higgson)[2] – cząstka elementarna, której istnienie jest postulowane przez model standardowy, nazwana nazwiskiem Petera Higgsa. 4 lipca 2012 ogłoszone zostało odkrycie nowej cząstki elementarnej przez eksperymenty ATLAS i CMS, pracujące przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERNie[3]. Wyniki ogłoszone 4 lipca[4] zostały potwierdzone przez niezależne rezultaty ostatnich eksperymentów opublikowane w oficjalnej nocie kierownictwa eksperymentu ATLAS z dnia 31 lipca 2012. Masa odkrytej cząstki, jak i wykrycie jej w oczekiwanych kanałach rozpadu wskazują, że z bardzo dużym prawdopodobieństwem jest to długo poszukiwany bozon Higgsa.

Spis treści

Uzasadnienie teoretyczne [edytuj]

Istnienie tej cząstki jest uzasadniane teoretycznie mechanizmem Higgsa polegającym na sprzężeniu pól kwantowych materii (pola fermionowe, jak pole elektronowe, pola kwarkowe, pola bozonowe jak pola W i Z itp.) z dodatkowym skalarnym polem kwantowym, zwanym polem Higgsa, w wyniku którego poprzez spontaniczne złamanie symetrii bezmasowe cząstki modelu standardowego nabierają masy[5].

Innymi słowy, zgodnie z modelem standardowym, cząstki występujące w przyrodzie – kwarki i leptony – posiadają masę dzięki oddziaływaniu z polem Higgsa. Można by powiedzieć, że jest to rodzajem "oporów ruchu", którego nośnikami są bozony Higgsa[6], ale ta analogia nie jest odpowiednia, gdyż na poziomie elementarnym wszystkie siły są zachowawcze.

Należy wyjaśnić, że źródłem masy nukleonów, takich jak proton czy neutron nie jest mechanizm Higgsa. Ich masa pochodzi od energii wzajemnych oddziaływań kwarków, z których zbudowane są nukleony.

AIP-Sakurai-best.JPG  Higgs, Peter (1929) cropped.jpg
Kolejno od lewej: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert i Brout. Po prawej Peter Higgs

Koncepcja mechanizmu Higgsa pochodzi od trzech prac teoretycznych opublikowanych w 1964 r. w czasopiśmie '"Physical Review Letters" (w krótkich odstępach czasowych). Ich autorami byli:

Poza tym te wszystkie prace były rozwinięciem idei, którą wcześniej zaproponował amerykański fizyk Philip Warren Anderson[10].

Po ogłoszeniu rezultatów testów doświadczalnych przeprowadzonych w CERN-ie wszyscy autorzy koncepcji mechanizmu Higgsa są prawdopodobnymi kandydatami do nagrody Nobla w roku 2012, lecz, zgodnie ze statutem nagrody, może ona być przyznana za jedno osiągnięcie nie więcej niż trzem osobom.

Własności [edytuj]

Cząstki elementarne z których zbudowana jest znana materia: sześć leptonów i sześć kwarków, oraz bozony cechowania przenoszące oddziaływania. Diagram przedstawia również dotychczas niezaobserwowany bozon Higgsa, mający nadawać masę cząstkom z którymi oddziałuje.

Bozon Higgsa jest jedyną cząstką elementarną modelu standardowego pozbawioną spinu (jego spin wynosi 0), w przeciwieństwie np. do elektronu, którego spin wynosi 1/2, czy bezmasowego fotonu, dla którego wynosi 1. Jest też pozbawiony ładunku elektrycznego i koloru.

Obecne pomiary masy bozonu Higgsa dały wyniki 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/c² (detektor CMS)[11] i 126 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/c² (detektor Atlas)[12]. Jest on więc najcięższym bozonem w modelu standardowym (kwark t jest cięższy, ale jest fermionem).

Średni czas życia bozonu Higgsa, wynikający z modelu standardowego dla masy 126 GeV/c², wynosi 1,6 × 10-22 s (dla tak krótko żyjących cząstek określa się szerokość rozpadu \Gamma związaną ze średnim czasem życia \tau wzorem \tau = \hbar/\Gamma. Wynosi ona 4,21 × 10-3 GeV[1]).

Wyniki eksperymentalne [edytuj]

Symulacja zobrazowania obecności, powstałego w wyniku kolizji dwóch wysokoenergetycznych protonów, bozonu Higgsa w detektorze CMS w LHC. Bozon Higgsa rozpada się niemal natychmiast tworząc tzw. jety hadronowe. Występujące na obrazie linie proste reprezentują nowo powstałe elektrony.

Mimo przesłanek wskazujących na istnienie cząstki Higgsa wciąż brak definitywnego rozstrzygnięcia kwestii jej istnienia lub nieistnienia.

Eksperymenty prowadzone w latach 1990–2000 przy użyciu akceleratora LEP w CERN wykazały, że jeżeli cząstka Higgsa istnieje, to jej masa przekracza 114 GeV[c].

Wyniki eksperymentów w LHC, a wcześniej w Tevatronie, znacząco zawęziły zakres możliwych mas bozonu, szczególnie w zakresie wysokich energii, niedostępnych przed budową tego akceleratora. Do listopada 2011 połączenie wyników uzyskanych w eksperymentach CMS i ATLAS wykluczyło na poziomie ufności 95% obecność bozonu Higgsa w zakresie energii od 141 do 476 GeV. Natomiast w zakresie od 146 do 443 GeV jego obecność wykluczono na poziomie ufności 99%, z wyjątkiem trzech małych obszarów od 220 do 320 GeV. Naukowcy szacowali też, że do końca 2012 roku wiadomym będzie, czy bozon Higgsa istnieje[13].

13 grudnia 2011 rzecznicy eksperymentów ATLAS i CMS przedstawili wyniki, mówiące, że jeśli bozon Higgsa istnieje, to jego masa jest ograniczona do zakresu 116-130 GeV/c² przez eksperyment ATLAS i do zakresu 115-127 GeV/c² przez detektor CMS[14][6].

Potwierdzenie doświadczalne [edytuj]

4 lipca 2012 roku CERN ogłosił wstępne wyniki analizy danych zebranych w latach 2011-2012 przez eksperymenty CMS i ATLAS, wskazujące na odkrycie nowej cząstki elementarnej, bozonu (wyniki CMS wskazują, że ma ona masę 125,3 ± 0,6 GeV/c²). Zarejestrowana cząstka prawdopodobnie jest długo poszukiwanym bozonem Higgsa, jednak potwierdzenie tej informacji będzie możliwe dopiero po dokładniejszym zbadaniu jej właściwości[15][16][17].

31 lipca zespół kierujący pracą eksperymentu (tj. detektora) ATLAS przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERNie przedstawił wyniki analiz uwzględniających najnowsze pomiary przeprowadzone między kwietniem i czerwcem 2012 przy energii 8 TeV o scałkowanej świetlności akceleratora 5,8 – 5,9 fb-1. Wyniki te, opracowane w ostatnich dniach lipca 2012 dotyczyły trzech następujących kanałów rozpadu powstałego w wyniku zderzeń \; pp \; hipotetycznego bozonu Higgsa:

H \to Z Z^{(*)} \to 4 l \, , \quad {\rm gdzie} \quad l = e \;\; {\rm lub} \;\; l = \mu
H \to \gamma \, \gamma
H \to W W^{(*)} \to e \, \nu \, \mu \, \nu

Potwierdzono zaobserwowanie nowej cząstki o masie 126 GeV/c² ± 0,4 GeV/c² (szacunku statystycznego błędu pomiaru) ± 0,4 GeV/c² (szacunku systematycznego błędu pomiaru) na poziomie istotności 5,9 sigma (tj. 5,9 razy więcej od odchylenia standardowego). Wynik ten przekracza wyraźnie wartość 5 sigma wystarczającą do uznania odkrycia nowej cząstki. (Wartość 5,9 sigma oznacza w tym przypadku, że prawdopodobieństwo efektu podobnego do występowania nowej cząstki, lecz spowodowanego innym zjawiskiem, np. fluktuacją tła, jest mniejsze niż 1,7 × 10-9).

Autorzy napisali: These results provide conclusive evidence for the discovery of a new particle with mass 126.0 ± 0.4 (stat) ± 0.4 (sys) GeV. (...) The observation in the diphoton channel disfavours the spin-1 hypothesis. Although these results are compatible with the hypothesis that the new particle is the Standard Model Higgs boson, more data are needed to assess its nature in detail. [Wyniki te dostarczają ostatecznego potwierdzenia, że odkryto nową cząstkę on masie 126,0 ± 0,4 (błąd statystyczny) ± 0,4 (błąd systematyczny) GeV. (...) Obserwacje dwufotonowych kanałów rozpadu wykluczają w zasadzie hipotezę o spinie cząstki równym 1. Mimo iż wyniki te są zgodne z hipotezą, że nową cząstką jest bozon Higgsa modelu standardowego, potrzebnych jest więcej danych do określenia szczegółów dotyczących natury tej cząstki.][12].

Chociaż wyniki doświadczalne są ewidentnie zbieżne z przewidywanymi kanałami rozpadu cząstki Higgsa, kierownictwo eksperymentu zaznacza, że potrzebne są dalsze badania w celu jednoznacznej identyfikacji cząstki. Środowisko naukowe uważa jednak, że podana informacja oznacza bardzo prawdopodobne odkrycia bozonu Higgsa. Nie wyklucza to konieczności dalszych badań mających na celu rozwianie wszelkich wątpliwości co do tego, czy zidentyfikowana cząstka jest w rzeczywistości długo poszukiwanym bozonem Higgsa.

Uwagi

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 według przewidywań modelu standardowego dla masy 126 GeV
  2. ↑ 7 lipca 2012 ogłoszono oficjalnie zaobserwowanie przez detektory ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN-ie bozonu o własnościach konsystentnych z własnościami bozonu Higgsa, lecz do końca września 2012 nie ma jeszcze ostatecznego potwierdzenia identyfikacji
  3. ↑ W fizyce cząstek elementarnych zwykle mierzy się masę cząstek w mega- lub gigaelektronowoltach (MeV, GeV). Formalnie elektronowolt jest jednostką energii (1 eV jest to energia potrzebna do przesunięcia 1 elektronu przez barierę potencjału w wysokości 1 wolta), ale w związku z równoważnością masy i energii (E=mc²) odpowiada też ściśle określonej masie. Dla ścisłości można zapisywać masę w jednostkach GeV/c², ale zwykle przyjmuje się, że prędkość światła wynosi jeden (por. jednostki Plancka). 1 GeV/c² ≈ 1,8 × 10-27 kg.

Przypisy

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 LHC Higgs Cross Section Working Group. Handbook of LHC Higgs Cross Sections: 2. Differential Distributions. „CERN Report 2”. arXiv:1201.3084 (ang.). 
  2. ↑ Komisji Nazewnictwa Fizycznego PTF: Angielsko-polski słownik nowych polskich terminów fizycznych. 15.02.2011.
  3. ↑ Bozon Higgsa, czyli teraz jesteśmy już pewni naszej wiedzy Polska The Times [Dostęp 08-07-2012]
  4. ↑ Bozon Higgsa: jak doszło do odkrycia "boskiej cząstki"? Forsal.pl [dostęp 08-07-2012]
  5. ↑ Leon Lederman, Dick Teresi: Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?. ISBN 83-86868-10-4.
  6. ↑ 6,0 6,1 CERN: są sygnały, że cząstka Higgsa istnieje. PAP, 2011-12-14.
  7. ↑ François Englert, Robert Brout. Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons. „Phys. Rev. Lett.”. 13, s. 321, 1964. doi:10.1103/PhysRevLett.13.321 (ang.). 
  8. ↑ Peter W. Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons. „Phys. Rev. Lett.”. 13, s. 508, 1964. doi:10.1103/PhysRevLett.13.508. 
  9. ↑ G.S. Guralnik, C.R. Hagen, T.W.B. Kibble. Global Conservation Laws and Massless Particles. „Phys. Rev. Lett.”. 13, s. 585, 1964. doi:10.1103/PhysRevLett.13.585. 
  10. ↑ P.W. Anderson. Plasmons, Gauge Invariance, and Mass. „Physical Review”. 130, s. 439, 1963. doi:10.1103/PhysRev.130.439. Bibcode: 1963PhRv..130..439A. 
  11. ↑ CMS collaboration. Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC. , 2012-07-31. arXiv:1207.7235 (ang.). 
  12. ↑ 12,0 12,1 The ATLAS Collaboration: Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC, https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSOFFICE/higgs-preview.pdf
  13. ↑ ATLAS and CMS combine summer '11 search limits on the Standard Model Higgs (ang.). 2011-11-18. [dostęp 2011-11-21].
  14. ↑ Naukowcy coraz bliżej "boskiej cząstki"
  15. ↑ CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson (ang.). 4 lipca 2012. [dostęp 5 lipca 2012].
  16. ↑ Observation of a New Particle with a Mass of 125 GeV (ang.). 4 lipca 2012. [dostęp 5 lipca 2012].
  17. ↑ Obserwacja Nowej Cząstki o Masie 125 GeV. 4 lipca 2012. [dostęp 5 lipca 2012].


Źródło „http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Bozon_Higgsa&oldid=36360814”