Не только бозон HIGGSA — Смелая попытка добраться до первоначала

Из-за своих огромных размеров и Большой адронный коллайдер, и сделанные на нем открытия попали в заголовки газет. В версии 2.0, которая только запускается, устройство может стать еще более известным.

Цель застройщика LHC — Большой адронный коллайдер — должен был воссоздать условия, существовавшие в самом начале нашей Вселенной, но в гораздо, гораздо меньших масштабах. Проект был утвержден в декабре 1994 года. Основные компоненты крупнейшего в мире ускорителя частиц расположены под землей в тоннеле в форме тора окружностью 27 км.

1. Строительство пещеры, в которой позже разместился детектор ATLAS — фото 2000 года.

В ускорителе частицы (протоны, полученные из водорода) «бегут» по двум трубкам в противоположных направлениях. Частицы, «разогнанные» до очень высоких энергий, циркулируют по ускорителю со скоростью света более 11 тыс. раз в секунду.

В силу геологических условий глубина туннеля колеблется от 175 м (под Юрой) до 50 м (в сторону Женевского озера) — в среднем 100 м, при среднем уклоне 1,4 процента.

С точки зрения геологии наиболее важным было расположение всей техники на глубине не менее 5 м ниже верхнего слоя патоки (зеленый песчаник).

Чтобы быть точным, частицы ускоряются в нескольких меньших ускорителях, прежде чем попасть в них. В определенных четко определенных местах по периметру LHC протоны из этих двух трубок вводятся в один путь и, сталкиваясь, производят новые частицы, новую материю.

Энергия — согласно уравнению Эйнштейна E = mc² — преобразуется в массу образовавшихся частиц. Результаты этих столкновений регистрируются в огромных детекторах. Самый большой, ATLAS, длиной 46 м и диаметром 25 м, весит 7 тысяч. тонн (1).

2. Детекторы LHC – ATLAS и CMS

Второй, CMS, немного меньше, 28,7 м в длину и 15 м в диаметре, но его вес составляет целых 14 тысяч. тонн (2). Эти устройства в форме огромных цилиндров построены из нескольких/десятка или около того концентрических слоев активных детекторов для различных типов частиц и взаимодействий.

Частицы «улавливаются», и в виде электрического сигнала данные отправляются в компьютерный центр, а затем распространяются по исследовательским центрам по всему миру, где они анализируются.

При столкновениях частиц генерируется такое огромное количество данных, что для расчетов приходится включать тысячи компьютеров.

При проектировании детекторов в ЦЕРН ученые учли множество факторов, которые могли исказить или повлиять на правильность проводимых измерений. Среди прочего учитывалось даже влияние Луны, состояние уровня воды в Женевском озере и возмущения, вносимые скоростными поездами TGV.

Как отреагируют детекторы

Первый луч пробил канализацию LHC 10 сентября 2008 г. Вскоре после этого произошла известная авария, которая остановила комплекс примерно на год. Когда он вернулся к работе, эффекты начали быстро проявляться. 13 декабря 2009 г. детектор CMS зарегистрировал первые мюоны, т.е. нестабильные элементарные частицы.

Почти год спустя исследователи провели операцию по переключению с ускорения протонных пучков на ускорение ионов свинца. Первые столкновения ионизированных ядер свинца были зарегистрированы 7 ноября 2010 г.

Перейдя на ионы свинца, можно было LHC получить гораздо более высокие энергии пучков и столкновений, потому что ядро ​​этого элемента после отрыва от электронов представляет собой тяжелый снаряд из 82 протонов за раз.

Их задачей было создание в результате высокоэнергетических столкновений так называемых кварк-глюонная плазма, разновидность материи, которая, согласно теории, существовала на заре Вселенной, до образования элементарных частиц.

Члены исследовательской группы были в первую очередь обеспокоены тем, как детекторы, которые ранее запускались не более чем с одиночными протонами водородного происхождения, будут реагировать на тяжелые ионы.

Оказалось, что все в порядке. «Мы разработали CMS как многозадачный детектор, и мы были очень довольны тем, что в ответ на сильные бомбардировки он оказался действительно многозадачным устройством», — хвастался Гвидо Тонелли (3), представитель сотрудничающих исследовательских групп.

Mamy go!

В течение первых трех лет работы энергия столкновения, достигнутая на БАК, составила от 7 до 8 ТэВ. В августе 2011 года на конференции Lepton-Photon в Мумбаи были представлены текущие результаты поиска знаменитой частицы Хиггса (бозон Хиггса) Стандартной модели, основанной на результатах экспериментов CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере.

Проанализированные данные исключили существование стандартного бозон Хиггса с массой от 145 ГэВ/c² до 466 ГэВ/c². Оставалось исследовать область между 114,4 ГэВ/c² и 145 ГэВ/c² и, считавшуюся гораздо менее вероятной, областью 466-800 ГэВ/c².

Основная цель деятельности БАК в то время — охота за частицей Хиггса — была реализована, но это не исключало других открытий по пути. 8 ноября 2011 г. в ЦЕРНе ученые зарегистрировали очень редкий распад мезона Bs на два мюона (Bs 0  μ + μ−). Это открытие может оказаться важным в новой версии LHCв котором среди прочего будет сделана попытка проверить теорию суперсимметрии.

Распад больше соответствует отвергающей суперсимметрию версии Стандартной модели. Позже, в августе 2013 года, группы исследователей сообщили о дальнейших нарушениях в распаде мезонов, открыв вопросы для исследования и проверки в новых экспериментах.

В конце 2011 года ученые объявили, что детекторы CMS и ATLAS показывают увеличение интенсивности в диапазоне 124-125 ГэВ/с², что может быть шумом или свидетельствовать об ожидаемом открытии. бозон Хиггса. Как бы во время этих исследований и анализов, в декабре 2011 года было объявлено о наблюдении новой частицы, состояние xb(3P) боттомониум.

Это важно, поскольку это была первая частица, открытая на Большом адронном коллайдере. Статья об этом открытии была размещена на arXiv 21 декабря 2011 года. и опубликовано в апреле 2012 года в журнале «Physical Review Letters».

Научная работа, проведенная на огромном массиве данных детекторов ATLAS и CMS с 2011-2012 гг., наконец, позволила 4 июля 2012 г. объявить об открытии бозона Хиггса с массой около 126 ГэВ/с². 13 апреля 2013 года бригады, работающие с детекторами CMS и ATLAS, подтвердили получение бозон Хиггса.

Это принесло Нобелевскую премию по физике в октябре 2013 года теоретикам, предсказавшим эту частицу: Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу (4). Открыв частицу Хиггса, БАК нашел последний недостающий элемент, так называемый Стандартная модель элементарных взаимодействий.

Известно, что эта модель хорошо описывает реальный мир частиц. И все же именно желание доказать существование этой частицы было одной из движущих сил строительства Большого адронного коллайдера. бозон Хиггса (5) ранее был только теоретическим объектом.

4. Вручение Нобелевской премии Питеру Хиггсу

5. Торт по случаю второй годовщины открытия бозона Хиггса

Хиггс от расставаний

Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса она живет очень короткое время, после чего распадается на множество других, хорошо известных частиц (6). В эксперименте CMS исследовались пять основных каналов распада: в трех каналах распад на пары бозонов (gg, ZZ или WW), а в двух на пары лептонов (bb или tt), где g — фотон, Z и W — слабые носители силы, b – это нижний кварк (at) означает лептонный тау.

6. Размеры атомных ядер и частиц

Каналы gg, ZZ и WW одинаково точны в поиске бозон Хиггса массой 125 ГэВ/с² и при этом более чувствительным, чем каналы bb и tt. Каналы gg и ZZ особенно важны, поскольку они позволяют точно измерить массу новой частицы.

В канале gg масса определяется по энергиям и направлениям двух фотонов высокой энергии, измеренным электромагнитным калориметром эксперимента CMS (7).

В канале ZZ(8) масса определяется из распадов двух Z-бозонов на две пары электронов, две пары мюонов или пару электронов и пару мюонов.

Эти частицы измеряются в электромагнитном калориметре, детекторе внутренних следов и мюонных камерах. Канал WW более сложен.

Каждый из W-бозонов идентифицируется распадом на электрон и нейтрино или мюон и нейтрино. Нейтрино проходят перед детектором CMS незамеченными, поэтому в канале WW бозон Хиггса будет проявляться в виде огромного избытка случаев в массовом распределении.

Канал bb имеет большой фон, полученный из процессов, известных в стандартной модели, и поэтому в этом канале бозон Хиггса ищется в случаях одновременного рождения бозона Хиггса и бозонов W или Z, которые распадаются на электрон (ы) или мюон (ы). В tt-канале наблюдаются распады на электроны, мюоны и адроны.

7. Изображение распада частицы Хиггса на пару фотонов

8. Изображение распада частицы Хиггса на пару бозонов

Высокий уровень доверия

Электрон-вольт (эВ) — единица измерения энергии. Энергия 1 ГэВ означает 1.000.000.000 1 1 XNUMX эВ (XNUMX миллиард эВ). В физике высоких энергий, где масса и энергия часто используются взаимозаменяемо, принято использовать единицы массы эВ/c² (из формулы E = mc², где c — скорость света в вакууме). Еще более распространена система единиц, в которой после допущения с = XNUMX (и, следовательно, Е = m) эВ также становится единицей массы.

Стандартное отклонение — это мера разброса результатов серии измерений вокруг среднего значения. Это также мера того, насколько выборка отклоняется от принятой гипотезы. Физики измеряют стандартные отклонения в единицах, называемых «сигма». Чем выше число сигма, тем больше данные не соответствуют гипотезе.

Обычно, чем более ложным является открытие, тем меньше сигма-чисел требуется физикам, чтобы выяснить это. Доверительный процент — это статистическая мера количества случаев из 100 испытаний, которые дают оценку в пределах определенного диапазона. Например, уровень достоверности 95 процентов означает, что результат эксперимента будет таким, как ожидалось, в 95 случаях из 100 испытаний.

Адроны (от греческого adros, что означает «раздутый») — частицы, состоящие из кварков. К этому семейству относятся протоны и нейтроны, из которых состоит атомное ядро. Лептоны, с другой стороны, — это частицы, не состоящие из кварков. Электроны и мюоны являются примерами лептонов (от греческого слова лептос, что означает «тонкий»).

В рамках проверки согласованности результатов все анализы проводились одновременно как минимум двумя независимыми группами. Некоторые общие наблюдения также добавляют достоверности результатам:

• Избыток случаев наблюдается при весе около 125 ГэВ/с² как в данных 2011 г., собранных при энергии 7 ТэВ, так и в данных 2012 г., собранных при энергии 8 ТэВ.

• Избыток виден при одинаковом весе в обоих каналах высокого разрешения (gg и ZZ).

• Избыток, видимый в канале WW, соответствует ожидаемому избытку для массы частицы 125 ГэВ/c².

• Избыток наблюдается во многих конечных состояниях, включая фотоны, электроны, мюоны и адроны.

Наблюдение новой частицы с массой около 125 ГэВ/с² находится в пределах текущей статистической точности, что согласуется с гипотезой о том, что эта частица бозон Хиггса по Стандартной модели (МС).

Только собрав больше данных, можно будет измерить свойства этой частицы, такие как коэффициенты ветвления для разных каналов распада (gg, ZZ, WW, bb и tt), а затем еще и спин и четность. Это позволило бы нам определить, является ли частица, которую мы видим, на самом деле бозон Хиггса с РС, или проявление новой физики вне РС.

9. Кварки согласно Стандартной модели

10. Лептоны согласно Стандартной модели.

Немного экзотики

Перерыв на ремонт и достройки БАК с февраля 2013 года не означал, что в это время ничего не происходило. Физики все еще анализировали результаты, полученные ранее. Многочисленные другие эксперименты также были проведены в комплексах CERN.

В апреле 2014 года ученые ЦЕРН подтвердили, что эксперименты с детектором элементарных частиц, называемым Красавицей Большого адронного коллайдера (LHCb), обнаружили новые частицы, известные как «экзотические адроны». Их название связано с тем, что их нельзя вывести из традиционной кварковой модели.

Бозоны (названные в честь физика Сатьендры Бозе) — это частицы с полным спином, а фермионы — с половиной спина. Большинство бозонов являются сложными частицами, однако 12 из них (так называемые калибровочные бозоны) являются элементарными частицами, не состоящими из более мелких частиц (фундаментальных частиц).

Каждая частица является бозоном или фермионом, в зависимости от спина (упрощенно: способности вращаться вокруг своей оси). Частицы, состоящие из нескольких других частиц (например, протонов или нейтронов), могут быть как фермионами, так и бозонами, в зависимости от их общего спина.

Согласно Стандартной модели, фермионы — это элементарные частицы «материи», а бозоны несут взаимодействия. Взаимодействия виртуальных бозонов с реальными фермионами называются фундаментальными силами. Поведение количества движения в этих взаимодействиях математически проявляется во всех известных силах. Бозоны, участвующие в этих взаимодействиях, называются калибровочными бозонами. Это:

• два бозона W и один Z (слабое взаимодействие),

• восемь глюонов (сильное взаимодействие),

• фотон (электромагнитное взаимодействие),

• гипотетический гравитон, опосредующий гравитацию.

Адроны — это частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, те, которые, например, отвечают за связи внутри атомного ядра. Согласно теориям 60-х годов, они состоят из кварков и антикварков (мезонов) или трех кварков (барионов).

Однако частица, обнаруженная в LHCb, обозначенный как Z (4430), не соответствует кварковой теории, так как может состоять из четырех кварков (9). Первые следы экзотической частицы были обнаружены в 2008 году. Однако только недавно удалось с уверенностью подтвердить, что Z (4430) — это частица с массой 4430 МэВ/c2, что примерно в четыре раза превышает массу протона (938 МэВ/с2).

Физики пока не предполагают, что может означать существование экзотических адронов. 10 октября 2014 года была открыта новая субатомная частица, которая изменила наше представление о силах, действующих в ядре атома. По крайней мере, так говорят авторы исследования.

Новую частицу, Ds3*(2860)-мезон, заметила группа под руководством исследователей из Уорикского университета, которые проанализировали данные с детектора. LHCb входит в состав Большого адронного коллайдера. Этот мезон соединяется с другими так же, как протоны.

Коллайдер (то есть ускоритель, в котором сталкиваются частицы пучков, вращающихся в противоположных направлениях) имеет преимущество перед другими типами ускорителей, в которых частицы сталкиваются с неподвижным диском.

При столкновении двух частиц энергия столкновения равна сумме их энергий. Луч той же энергии, столкнувшийся с неподвижной целью, вызовет столкновения с гораздо меньшей энергией.

Учиться будет легко, говорят ученые. Частица Ds3*(2860) — потому что она содержит тяжелый очарованный кварк, поэтому теоретикам будет проще вычислить ее свойства. А так как его спин равен 3, то не будет вопроса, что это за частица.

По этой причине он может стать отправной точкой для будущих теоретических расчетов. Физики из лаборатории CERN в Женеве объявили 19 ноября 2014 года об открытии двух новых элементарных частиц. Это частицы из семейства барионов, как и протоны, состоящие из трех кварков.

Их жизнь чрезвычайно коротка, одна миллионная миллионной доли секунды. Это сделали ученые, участвовавшие в работе детектора LHCb.

Это эксперимент, направленный на ответ на ключевой вопрос, почему после Большого взрыва, породившего одинаковое количество материи и антиматерии, осталась практически только материя, из которой строится известная нам Вселенная.

Эксперимент основан на анализе продуктов столкновения высокоэнергетических протонов. Именно по этому поводу были обнаружены две новые частицы, «тяжелые протоны», а также другие барионы, состоящие из трех кварков. Наиболее известными барионами являются протон и нейтрон, которые образуют атомные ядра элементов.

Поскольку кварки бывают шести типов, возможны и барионы, состоящие из других, более тяжелых кварков. К ним относятся две недавно обнаруженные частицы, обозначенные Xi_b’- и Xi_b*-. Оба состоят из кварков (dsb) — нижнего (d), странного (s) и красивого (b).

Для сравнения, протон (uud) состоит из двух верхних (u) и одного нижнего кварков, а нейтрон (udd) состоит из двух нижних и одного верхнего кварков. Наличие более тяжелых s- и b-кварков приводит к тому, что наблюдаемые частицы более чем в шесть раз тяжелее протона. Поэтому для их производства требуются большие энергии пучков ускорителя LHC.

Измерения, показавшие наличие частиц Xi, проводились на Большом адронном коллайдере в 2011 и 2012 годах. Напомним, что согласно Стандартной модели шести кваркам (с двенадцатью античастицами) соответствует шесть лептонов (10).

Все данные о четырех экспериментах, проведенных на Большом адронном коллайдере, названных ALICE, ATLAS, CMS и LHCb соответственно, были опубликованы на сайте ЦЕРН. В последнее время к ним можно получить доступ совершенно бесплатно, в полной версии, в сервисе «Портал открытых данных».

Таким образом, каждый, не только профессиональный ученый, может анализировать экспериментальные данные, в том числе использовать их в образовательных целях. Исследователи ЦЕРН надеются, что люди, способные анализировать опубликованные результаты, смогут взглянуть на них по-другому и, возможно, даже сформулировать новые гипотезы.