Kredit:CERN
År 1975 genomförde tre CERN-teoretiker, John Ellis, Mary K. Gaillard och Dimitri Nanopoulos, den första omfattande studien av kolliderfenomenologin hos Higgs-bosonen. Nästan 40 år senare upptäcktes den vid LHC. Nu, tio år senare, kan vi ha en sådan långsiktig framsynthet när det gäller att förutse de olika vägar som framtida Higgs-forskning kan följa?
Den 4 juli 2022, när jag njöt av de många vackra presentationerna vid Higgs@10-symposiet, fortsatte en fras att ringa i mina öron:"Kompatibel med förutsägelser av standardmodeller (SM). Alarmklockorna ringde. Verkligen? Är vi säkra? Huruvida Higgs är SM-liknande eller inte är en fråga som kommer att forma Higgs-forskningens experimentella framtid.
Vi kan kvantifiera ett svar genom språket för effektiv fältteori, som är en matematisk manifestation av föreställningen att det mest effektiva sättet att beskriva ett objekt beror på längdskalan du tittar på det från. För astronauter beskrivs jorden mycket effektivt som en slät sfär. För sommarstudenter som vandrar till Le Reculet är det inte det. Så också för kvantvärlden. Långt ifrån en neutral atom, framstår den effektivt som en punktliknande partikel med några överblivna multipolära interaktioner med fotoner. På kortare avstånd, att komma in bland elektronerna, misslyckas denna beskrivning helt.
Dito Higgs. Vad som än händer därinne, vid energier nära nog mh, beskrivs det effektivt som en punktpartikel med en handfull ytterligare "operatorer", som i huvudsak är nya partikelinteraktioner som inte finns i SM (finns inte på den där muggen eller T-shirten) men involverar SM-partiklar. Med ögat kan astronauten kanske urskilja några särdrag på jorden och anta att det kan finnas berg, men de kunde faktiskt inte uppskatta elevernas höjdökning. På liknande sätt kan Higgs-operatörer som inte är SM fånga de långväga överblivna effekterna av Higgs mikroskopiska inälvor, men inte avslöja deras fulla härlighet i detalj. Om alla dessa extra operatörer försvinner är Higgs SM-liknande. Låt oss överväga två handplockade exempel och undersöka hur SM-liknande Higgs är...
Hur "luddrigt" är det? Är det punktlikt ner till de minsta avståndsskalorna eller är det, som pionen, uppbyggt av andra ännu oidentifierade nya partiklar? I det senare fallet, precis som för pionerna och deras beståndsdelar kvarkar och gluoner, skulle direkt observation av det nya kräva att gå till högre energier. Alternativt kan den vara punktliknande men att noggrant sondera den kan avslöja ledtrådarna om ett moln av nya partiklar som den interagerar med. För ditt intresse skrivs operatorn som kan fånga dessa egenskaper (∂μ|H|2)2. Om den försvinner är Higgs helt punktliknande. Om inte är det suddigare än väntat. Hur flummigt är det? Nuvarande LHC Higgs kopplingsmätningar tyder på att den är effektivt punktliknande ner till en längdskala bara en faktor tre under den elektrosvaga skalan. Det kan fortfarande vara väldigt flummigt faktiskt! Lika flummig som en pion. Om så är fallet, knappast en SM-liknande Higgs! Vi måste göra bättre ifrån oss och genom mycket mer exakta kopplingsmätningar på 0,2 %-nivån kan en framtida Higgs-fabrik som FCC-ee avgöra om Higgs är punktlik så långt ner som 6 %-nivån.
Finner sig Higgs attraktiv? Ja, enligt SM. Nya partiklar betyder nya krafter och så följer att om Higgs-bosonen interagerar med nya tunga partiklar kommer de att generera en ny kraft mellan Higgs och sig själv. Operatören som effektivt fångar detta är |H|6 och det formar bokstavligen hur Higgsfältet gav massa till partiklar under själva uppkomsten av vårt universum! Så, hur SM-lik är Higgs självattraktion? Med nuvarande experimentella begränsningar vet vi att Higgs självattraktion kan vara 530% starkare än SM-värdet (inte bara självattraktion, mer som ren fåfänga) eller till och med -140% mindre (självavstötande, mer som). Knappast SM-likt i båda fallen! För att ha någon aning om huruvida självattraktionen är SM-liknande måste vi göra mycket bättre. En framtida anläggning, såsom FCC-hh, CLIC eller en myonkolliderare, skulle kunna undersöka självattraktionen på den mycket mer exakta 5 %-nivån.
Tålamod är en dygd; självbelåtenhet är det inte. Det är alldeles för tidigt att kalla tid i baren för Higgs-bosonen. Vem vet, vi kanske till och med blir serverade med något helt oväntat, som ett nytt fönster in i universums mörka sektor. Att verkligen utforska alla aspekter av Higgs-bosonens natur, att förstå huruvida det är SM-liknande eller inte, kommer att ta tid (mätt i decennier) och mycket hårt arbete. Men det kan och bör göras. Detta är Higgs-forskningens experimentella framtid som vi ser fram emot.
Allt som sagt, det är ingen hemlighet att många teoretiker förväntade sig att Higgs skulle vara mycket mindre SM-liknande än det verkar vara redan. En teoretisk statskupp pågår nu tyst i huvudet. Det fanns goda skäl att förvänta sig något annat:främst hierarkiproblemet. Detta problem är inte bara estetiskt. SM bryts ner vid höga energier och gör i slutändan patologiska förutsägelser, så det kan bara vara en långdistans effektiv fältteoretisk beskrivning av något annat mer fundamentalt. Om, som var fallet för pioner, Higgs-massan bestäms av de mer fundamentala parametrarna, så finns det för Higgs ingen mekanism för att hålla den lättare än massan för de nya partiklarna i den teorin. Ändå säger kolliderare att det finns ett gap mellan Higgs massa och de nya partiklarnas massa. Tidigare motiverade detta upptäckten och utvecklingen av nya mekanismer för att förklara en lätt Higgs, till exempel den vördade lågskaliga supersymmetrin, som hittills varit utebliven på LHC-fysikfesten, med dess åtföljande icke-SM-liknande Higgs.
Oförskämt väckta av syndafloden av uteslutningsplaner, kaffe luktade motvilligt, har teoretiker under de senaste åren framfört vad som mycket väl kan visa sig vara revolutionerande teoretiska utvecklingar. Hierarkiproblemet har inte försvunnit och inte heller data, så de andra grundläggande antaganden som i hemlighet injicerats i de gamla teorierna, ofta kopplade till symmetri eller estetiska principer som enkelhet eller minimalitet, har förhörts och funnits bristfälliga. Som svar har oförskräckta nya klasser av teorier utvecklats som kan ta itu med hierarkiproblemet samtidigt som de är förenliga med alla dessa besvärande uteslutningsplots. De sträcker sig från relativt blygsamma konceptuella justeringar av befintliga strukturer, till övergivandet av estetiska principer, och sedan hela vägen ut på andra sidan till försök att koppla Higgs-massan till universums ursprung, kosmologi, Big Bangs natur och , i en extrem, spekulationer om möjliga kopplingar mellan Higgs-massan och existensen av själva livet. You name it, vi går djärvt.
Det är inget facit. Ingen av dessa idéer är så berusande som supersymmetri eller så förbluffande som extra dimensioner, var och en lämnar de som studerar dem med mer av en "watch this space"-känsla än den "eureka" som Arkimedes njöt av. Olika, de är inte tillräckligt radikala, för radikala eller helt enkelt inte att smaka. Inget Goldilocks-ögonblick ännu. Men enligt min uppfattning är dessa frågor anledning till hopp. I liknande ögonblick i det förflutna har vi i huvudsak varit på rätt spår, och behövt vänta lite längre än väntat på bekräftande experimentella data (top quark). Vid andra tillfällen har de rätta idéerna varit för radikala för att de flesta ska kunna tappa dem i ett tillfälle (kvantmekanik). Men för andra försvann de korrekta tillvägagångssätten i relativ dunkel alldeles för länge, helt enkelt för att inte vara à la mode (kvantfältteori). Slå upp citatposterna för de ursprungliga Brout-Englert-, Higgs-, Guralnik-Hagen-Kibble-papperna eller Weinbergs "A Model of Leptons", alla grundade för Higgs-bosonens fysik, och du kommer att se att de är viktiga fall i punkt. som vi gör klokt i att minnas. Naturen gav inga löften om att förstå ursprunget till Higgs borde ha varit lätt, och det borde det inte heller vara i framtiden, men historien lär att de som utforskar obevekligt och orädda ofta är de som belönas med det största priset av alla:sanningen.
Vart ska allt detta ta vägen de kommande åren? Kommer vi att vara ihärdiga nog att bygga acceleratorn, detektorerna och byn som krävs för att mäta Higgs självattraktion eller upptäcka Higgs luddighet? Kommer några modiga teoretiker att låsa upp dörren till den grundläggande teorin bortom SM? Kommer framtida fenomenologer att lägga de första grundstenarna på vägen till att upptäcka det?
Som Dennis Gabor, holografins uppfinnare, uttryckte det:"Framtiden kan inte förutsägas, men framtider kan uppfinnas." Vi jobbar på det. + Utforska vidare
