Bozon Higgsa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
bozon Higgsa
Symbol H0
Ładunek 0
Masa 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/c² (według CMS)
126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/c² (według 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 4 lipca 2012[2]

Bozon Higgsa (higson)[3]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, prowadzone przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN-ie[4]. Wyniki ogłoszone 4 lipca[5] zostały potwierdzone przez rezultaty kolejnych eksperymentów, publikowane w ciągu następnego roku. Masa odkrytej cząstki, wykrycie jej w oczekiwanych kanałach rozpadu oraz jej właściwości stanowiły mocne potwierdzenie, że jest to długo poszukiwany bozon Higgsa[6]. W kwietniu 2013 roku zespoły pracujące przy detektorach CMS i ATLAS ostatecznie stwierdziły, że cząstka ta jest bozonem Higgsa[2].

Uzasadnienie teoretyczne[edytuj | edytuj kod]

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[7].

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 rodzaj „oporów ruchu”, którego nośnikami są bozony Higgsa[8], ale ta analogia nie jest odpowiednia, gdyż na poziomie elementarnym wszystkie siły są zachowawcze.

Należy zaznaczyć, że źródłem większości masy nukleonów, takich jak proton czy neutron, nie jest mechanizm Higgsa. 99 procent ich masy pochodzi od energii pól gluonowych łączących składające się na nie kwarki[9].

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


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

Poza tym te wszystkie prace były rozwinięciem idei, którą wcześniej zaproponował amerykański fizyk Philip Warren Anderson[13].

Za przewidzenie istnienia bozonu Higgsa oraz za eksperymentalne potwierdzenie jego istnienia Nagrodą Nobla w 2013 wyróżnieni zostali Peter Higgs oraz François Englert[14].

Własności[edytuj | edytuj kod]

Cząstki elementarne, z których zbudowana jest znana materia: sześć leptonów i sześć kwarków, bozony cechowania oraz bozon Higgsa

Bozon Higgsa jest jedyną oprócz mezonów 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)[15] i 126 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/c² (detektor Atlas)[16]. Jest on więc najcięższym bozonem w modelu standardowym[b].

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 | edytuj kod]

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. dżety hadronowe. Występujące na obrazie linie proste reprezentują nowo powstałe elektrony.

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[17].

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[8][18].

Potwierdzenie doświadczalne[edytuj | edytuj kod]

Wstępne wyniki[edytuj | edytuj kod]

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[19][20][21].

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) na poziomie istotności 5,9 sigma (tj. 5,9 razy więcej od odchylenia standardowego). Oznacza to, że prawdopodobieństwo efektu podobnego do występowania nowej cząstki, lecz spowodowanego innym zjawiskiem, np. fluktuacją tła, jest mniejsze niż 1,7×10-9 Wynik ten przekracza wyraźnie wartość 5 sigma wystarczającą do uznania odkrycia nowej cząstki.

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 o 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.][16].

Chociaż wyniki doświadczalne są ewidentnie zbieżne z przewidywanymi kanałami rozpadu cząstki Higgsa, kierownictwo eksperymentu zaznaczyło, że potrzebne są dalsze badania w celu jednoznacznej identyfikacji cząstki. Środowisko naukowe jednak już wtedy uznało, że podana informacja oznacza bardzo prawdopodobne odkrycie bozonu Higgsa.

Dalsze analizy[edytuj | edytuj kod]

W 2013 roku badacze z CERN przedstawili dalsze wyniki oparte na analizie dwuipółkrotnie większej liczby danych niż w przypadku pierwszej informacji o odkryciu[6]. Rezultaty z detektorów CMS i ATLAS wskazują, że cząstka ta ma zerowy spin – jest pierwszą odkrytą elementarną cząstką skalarną[d] – oraz dodatnią parzystość. Teoria przewiduje, że cząstki Higgsa będą miały właśnie takie cechy[6].

Dotychczasowe wyniki nie dają jednak pewności, czy jest to bozon Higgsa z modelu standardowego, czy też może najlżejsza cząstka Higgsa z kilku istniejących, opisywanych przez szerszy model (np. supersymetryczny)[6]. Aby to stwierdzić, potrzebne będzie znacznie więcej obserwacji rozpadu tego bozonu[6].

Uwagi

  1. 1,0 1,1 1,2 Według przewidywań Modelu standardowego dla masy 126 GeV.
  2. Kwark t ma większą masę, ale jest fermionem.
  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 konwencję, według której prędkość światła jest równa jeden (por. jednostki Plancka). 1 GeV/c² ≈ 1,8 × 10−27 kg.
  4. Znane są liczne cząstki złożone, które są bozonami skalarnymi, np. mezon pi.

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. 2,0 2,1 The ATLAS and CMS collaborations. Birth of a Higgs boson. „CERN Courier”, 2013-04-26. 
  3. Polska nazwa według PTF: Bernard Jancewicz: Angielsko-polski słownik nowych terminów fizycznych (pol.). Polskie Towarzystwo Fizyczne, 2011-02-15. [dostęp 2013-06-26].
  4. Bozon Higgsa, czyli teraz jesteśmy już pewni naszej wiedzy Polska The Times [dostęp 08-07-2012].
  5. Bozon Higgsa: jak doszło do odkrycia „boskiej cząstki”? Forsal.pl [dostęp 2012-07-08].
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 Cian O’Luanaigh: New results indicate that new particle is a Higgs boson (ang.). CERN, 2013-03-14. [dostęp 2013-06-26].
  7. Leon Lederman, Dick Teresi: Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?. ISBN 83-86868-10-4.
  8. 8,0 8,1 CERN: są sygnały, że cząstka Higgsa istnieje. PAP, 2011-12-14.
  9. Jim Baggott: Teoria Kwantowa – Odkrycia które zmieniły świat. 2013, s. 351. ISBN 978-83-7839-483-9.
  10. 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.). 
  11. Peter W. Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons. „Phys. Rev. Lett.”. 13, s. 508, 1964. doi:10.1103/PhysRevLett.13.508. 
  12. 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. 
  13. P.W. Anderson. Plasmons, Gauge Invariance, and Mass. „Physical Review”. 130, s. 439, 1963. doi:10.1103/PhysRev.130.439. Bibcode1963PhRv..130..439A. 
  14. The Nobel Prize in Physics 2013 (ang.). Nobelprize.org., 8 października 2013. [dostęp 8 października 2013].
  15. 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.). 
  16. 16,0 16,1 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.
  17. ATLAS and CMS combine summer '11 search limits on the Standard Model Higgs (ang.). 2011-11-18. [dostęp 2011-11-21].
  18. Naukowcy coraz bliżej „boskiej cząstki”.
  19. CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson (ang.). 4 lipca 2012. [dostęp 5 lipca 2012].
  20. Observation of a New Particle with a Mass of 125 GeV (ang.). 4 lipca 2012. [dostęp 5 lipca 2012].
  21. Obserwacja Nowej Cząstki o Masie 125 GeV (pol.). Wydział Fizyki UW, 4 lipca 2012. [dostęp 5 lipca 2012].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]