I dag, forskare vid CERN, Europeiska organisationen för kärnforskning, har meddelat att för första gången, de har observerat Higgs -bosonet som omvandlas till elementära partiklar som kallas bottenkvarker när det förfaller. Fysiker har förutspått att detta är det vanligaste sättet på vilket de flesta Higgs -bosonerna ska förfalla, men tills nu, det har varit extremt svårt att plocka ut sönderfallets subtila signaler. Upptäckten är ett viktigt steg mot att förstå hur Higgs -bosonet ger massa till alla grundläggande partiklar i universum.

Forskarna gjorde sin upptäckt med hjälp av ATLAS- och CMS -detektorerna, två stora experiment som är utformade för att analysera de högenergipartikelkollisioner som genereras av CERNs Large Hadron Collider (LHC)-den största, världens mest kraftfulla partikelaccelerator.

Higgs bosoner, som upptäcktes första gången 2012, är en otrolig sällsynthet, och produceras i bara en av varje miljard LHC -kollisioner. En gång krossades till existens, partiklarna försvinner nästan omedelbart, sönderfaller till en ström av sekundära partiklar. Fysikens standardmodell, som är den mest accepterade teorin för att beskriva interaktionen mellan de flesta partiklar i universum, förutspår att nästan 60 procent av Higgs bosoner bör förfalla till bottenkvarkar, elementära partiklar som är ungefär fyra gånger så massiva som en proton.

Både ATLAS- och CMS -teamet ägnade flera år åt att förfina tekniker och införliva mer data i sin jakt på detta vanligaste Higgs boson -förfall. Båda experimenten bekräftade slutligen att, för första gången, de såg tecken på att en Higgs -boson förfallit till en bottenkvark, med en statistiskt hög grad av förtroende.

MIT -fysiker i Laboratory for Nuclear Science har varit med och analyserat och tolkat data för denna nya upptäckt, inklusive Philip Harris, biträdande professor i fysik. MIT News talade med Harris, som också är medlem i CMS -experimentet, om det sinnesböjande sökandet efter en försvinnande transformation, och hur den nya Higgs -upptäckten kan hjälpa fysiker att förstå varför universum har massa.

F:Sätt denna upptäckt i sitt sammanhang lite för oss. Hur viktigt är det att ditt lag har observerat att Higgs -bosonet förfaller till bottenkvarker?

A:Higgs -bosonet har två olika mekanismer:Det ger massa till de kraftpartiklar som är involverade i elektriskt svaga interaktioner, styrkan som ansvarar för kärnkraftsbetaförfall; och det ger massa till de grundläggande partiklarna inuti atomen, kvarkerna och leptonerna (som elektroner och muoner). Trots att det är ansvarigt för båda mekanismerna, Higgs -upptäckten och de efterföljande Higgs -fastighetsmätningarna har till stor del utförts med de elektriskt svaga kraftpartiklarna. Vi har först nyligen observerat Higgs interaktioner med materia. Denna mätning, Higgs boson förfaller till en bottenkvark, är första gången vi direkt har observerat Higgs-till-kvark-interaktioner. Detta bekräftar att kvarker verkligen får massa från Higgs -mekanismen.

F:Hur svårt var den här upptäckten att göra, och hur observerades det slutligen?

A:Ungefär 60 procent av alla Higgs -förfall går till bottenkvarkar. Detta är den största enskilda sönderfallskanalen i Higgs -bosonet. Dock, det är också kanalen som har den största bakgrunden [brus från omgivande partiklar]. Beroende på hur du räknar det, den är ungefär en miljon gånger större än de kanaler vi använde för att upptäcka Higgs -bosonet.

Folk gillar att jämföra Higgs -mätningar med att hitta en nål i en höstack. Här, Jag tror att en mer lämplig analogi är ett stereogram med magiska ögon. Du letar efter en bred snedvridning av data som är mycket svår att se. Tricket med att försöka se denna förvrängning är som ett magiskt öga:Du måste ta reda på hur du fokuserar rätt.

För att kalibrera vårt fokus, "vi tittade på den elektriskt svaga kraftpartikeln, Z boson, och dess förfall till bottenkvarker. När vi en gång kunde se Z boson gå in i bottenkvarker, vi satte vårt mål till Higgs boson, och där var det. Jag skulle betona att för att se denna förvrängning tydligt måste vi lita på teknik som var i sin linda vid tidpunkten för Higgs boson -upptäckten, inklusive några av de senaste framstegen inom maskininlärning. Faktiskt, för bara några år sedan lärdes det i din standardpartikelfysikklass att det var omöjligt att observera Higgs -förfall i några av dessa kanaler.

F:Den ursprungliga upptäckten av Higgs -bosonen har påpekats som en landmärkefynd som i slutändan kommer att avslöja mysteriet till varför atomer har massa. Hur hjälper denna nya upptäckt av Higgs -förfallet att lösa detta mysterium?

A:Efter Higgs boson -upptäckten, vi har lärt oss mycket om hur Higgs -mekanismen ger massa till olika partiklar. Dock, många skulle hävda att efter Higgs boson -upptäckten, högenergifysik har blivit ännu mer intressant eftersom det börjar se ut som att vår konventionella syn på partikelfysik inte passar rätt.

Ett av de bästa sätten att testa vår syn är genom att mäta egenskaperna hos Higgs boson. Higgs-to-bottom-quark-förfallet är viktigt för denna förståelse eftersom det tillåter oss att direkt undersöka egenskaperna hos Higgs- och kvarkämnesinteraktioner och på grund av dess stora sönderfallshastighet, vilket innebär att vi kan mäta Higgs boson i alla möjliga scenarier som inte är möjliga med andra sönderfallslägen.

Denna observation ger oss ett nytt och kraftfullt verktyg för att undersöka Higgs boson. Faktiskt, som en del av denna mätning, vi kunde mäta Higgs -bosoner med energier över dubbelt så mycket energi som de högsta Higgs -bosonerna som tidigare observerats.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.