Compact Muon-solenoiddetektorn vid Large Hadron Collider. Kredit:CERN
För tio år sedan denna vecka bekräftade två internationella samarbeten mellan grupper av forskare, inklusive en stor kontingent från Caltech, att de hade hittat avgörande bevis för Higgs-bosonen, en svårfångad elementarpartikel, som först förutspåddes i en serie artiklar publicerade i mitten av 1960-talet, som tros förse elementarpartiklar med massa.
Femtio år tidigare, när teoretiska fysiker försökte förstå den så kallade elektrosvaga teorin, som beskriver både elektromagnetism och den svaga kärnkraften (inblandad i radioaktivt sönderfall), blev det uppenbart för Peter Higgs, arbetande i Storbritannien, och oberoende för François Englert och Robert Brout, i Belgien, såväl som den amerikanske fysikern Gerald Guralnik och andra, att ett tidigare oidentifierat fält som fyllde universum krävdes för att förklara beteendet hos de elementarpartiklar som utgör materia. Detta fält, Higgs-fältet, skulle leda till en partikel med noll spin, signifikant massa och ha förmågan att spontant bryta symmetrin i det tidigaste universum, vilket gör att universum kan materialiseras. Den partikeln blev känd som Higgs-bosonen.
Under de årtionden som följde, utvecklade experimentella fysiker först och utvecklade de instrument och metoder som krävdes för att upptäcka Higgs-bosonen. Det mest ambitiösa av dessa projekt var Large Hadron Collider (LHC), som drivs av European Organization for Nuclear Research, eller CERN. Sedan planeringen av LHC i slutet av 1980-talet har det amerikanska energidepartementet och National Science Foundation arbetat i samarbete med CERN för att tillhandahålla finansiering och tekniskt kunnande och för att stödja tusentals forskare som hjälper till att söka efter Higgs.
LHC är en 27 kilometer lång underjordisk ring genom vilken protoner accelereras av supraledande magneter till strax under ljusets hastighet. Två strålar av protoner som rör sig i motsatta riktningar fokuseras och riktas till att kollidera med varandra vid specifika punkter där detektorer kan observera partiklarna som produceras av dessa kollisioner. Användningen av stora detektoranläggningar med olika konstruktioner – främst Compact Muon Solenoid (CMS) och A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) – gör det möjligt för forskare att utföra en mängd olika experiment för att testa förutsägelserna av standardmodellen vars Higgs boson är en del, att söka efter nya partiklar och interaktioner som ligger bortom standardmodellen, och att verifiera varandras resultat. Detekteringen av Higgs-bosonen, som tillkännagavs den 4 juli 2012, baserades på analysen av en aldrig tidigare skådad mängd data som samlats in av CMS och ATLAS.
Harvey Newman, Marvin L. Goldberger professor i fysik vid Caltech och en av ledarna för Caltech-teamet, som är en del av CMS-samarbetet, kallar upptäckten av Higgs-bosonen "en milstolpe i mänsklighetens historia" som "permanent har förändrats hur vi ser på universum."
Humoristiskt kallad "Gudspartikeln" 1993 i en bok med samma namn av författarna Leon Lederman och Dick Teresi, spelar Higgs-bosonen en avgörande roll i fysikens standardmodell:den tillhandahåller mekanismen genom vilken elementarpartiklar förvärvar massa. När partiklar passerar Higgs-fältet och interagerar med Higgs-bosoner, glider vissa över ytan och förändras inte alls. Men andra fångas så att säga i ogräset och får massa.
Standardmodellen har ännu inte förklarat mörk materia eller gravitation på ett adekvat sätt, men gång på gång har dess förutsägelser bekräftats experimentellt. "Det är ett slående och överraskande resultat att överenskommelsen med Standardmodellen har fortsatt att förbättras i alla detaljer, även som de första tecknen på vad som ligger bortom, genom analys av ökande mängder data, med allt känsligare metoder. termer av nya partiklar och nya interaktioner, har fortsatt att undgå oss, säger Newman.
Varje avvikelse från resultat som förutsägs av standardmodellen tyder på närvaron av andra partiklar eller dynamik som en dag kan ge grunden för en ny, mer allomfattande fysikmodell.
Kollisioner som producerar Higgs-bosoner är mycket sällsynta. För varje miljard proton-protonkollisioner skapas bara en Higgs-boson. För att ytterligare komplicera denna bild sönderfaller Higgs-bosoner mycket snabbt till andra partiklar, och det är endast genom att mäta egenskaperna hos dessa partiklar som Higgs-bosonens tidigare existens kan slutas. Caltechs Maria Spiropulu, Shang-Yi Ch'en-professorn i fysik och den andra ledaren för det ursprungliga teamet av Caltech-forskare som hjälpte till att upptäcka Higgs, beskriver det som "den ökända nålen i höstacksproblemet."
Teknologiska förbättringar av LHC och dess detektorer har möjliggjort högre energi och större precision i kolliderarna och deras detektorer. Sedan upptäckten av Higgs-bosonen 2012 har experiment vid LHC avslöjat ytterligare information om Higgs-bosonen och dess massa- och sönderfallsprocesser. Till exempel, under 2018, arbetade Newman, Spiropulu och andra Caltech-forskare med ett internationellt team som tog fram bevis som visar att Higgs-bosonen sönderfaller till par av fundamentala partiklar som kallas bottenkvarkar, arbete som Spiropulu vid den tiden beskrev som ett "Herkulisk arbete". Innan den upptäckten gjorde CMS-teamet den första observationen av Higgs-bosonen direkt kopplad till den tyngsta standardmodellpartikeln, toppkvarken.
År 2020 dokumenterade Spiropulu och hennes kollegor en sällsynt sönderfallsprocess för Higgs-bosonen som resulterar i två myoner. "Att undersöka egenskaperna hos Higgs-bosonen är liktydigt med att söka efter ny fysik som vi vet måste finnas där", sa Spiropulu.
"Jag tog precis examen från gymnasiet när jag hörde talas om Higgs-upptäckten vid LHC", säger Caltechs doktorand och CMS-teammedlem Irene Dutta (MS '20), som arbetade med muonforskningen. "Det är ödmjukt att veta hur väl standardmodellen kan beskriva elementarpartiklar och deras interaktioner med sådan precision."
Senast har ett Caltech-ledd team av forskare som arbetar med CMS-experimentet använt maskininlärningsalgoritmer baserade på neurala nätverk för att utveckla en ny metod för att jaga efter vad som kan vara ett ännu mer svårfångat byte än Higgs själv:en ytterst sällsynt " par" av interagerande Higgs-bosoner som, enligt teorin, skulle kunna produceras under protonkollisioner.
Efter en treårig avstängning för att ytterligare uppgradera LHC-acceleratorn och experiment började LHC de sista förberedelserna för en tredje körning (körning 3) tidigt 2022. Starten av körning 3, planerad att fortsätta till slutet av 2025, kommer att äga rum den 5 juli, vilket producerade de första kollisionerna vid den nya energin på 13,6 tera-elektronvolt.
"Higgs-upptäckten är en milstolpe på en lång väg framåt", säger Caltechs Barry Barish, Ronald och Maxine Linde professor i fysik, emeritus, den tidigare ledaren för Caltechs högenergifysikgrupp (och medvinnare av Nobelpriset i fysik). 2017 för sitt arbete med ett annat storskaligt fysikprojekt, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, eller LIGO, som gjorde den första upptäckten av krusningar i rum och tid kända som gravitationsvågor 2016). "Partikelfysiken går framåt med tanke på att standardmodellen bara beskriver en liten bråkdel av vad vi vet finns där och fler frågor är obesvarade än besvarade; ja, vi har en fantastisk enkel parametrisering i standardmodellen, men det faktiska ursprunget av den elektrosvaga symmetribrytningen är okänd. Vi har mycket mer arbete framför oss, säger Barish.
Efter att ha reflekterat över ett decennium av att utforska Higgs-bosonen, noterar Newman att forskningen "fortsätter att motivera oss att tänka hårdare och designa uppgraderade detektorer och acceleratorförbättringar som gör det möjligt för oss att avsevärt utöka vår räckvidd nu och under de kommande två decennierna." Detta inkluderar den andra stora fasen av LHC-programmet, känd som High Luminosity LHC, planerad att pågå från 2029 till 2040. Det kommer att ge betydande uppgraderingar av acceleratorkomplexet och detektorer som kommer att leda till en beräknad ökning av insamlad data med en faktor 20 i förhållande till vad CMS och ATLAS har idag.
Caltech-teamet inkluderar också Si Xie, forskarassistent i fysik, samt forskarna Adi Bornheim och Ren-Yuan Zhu, som alla har ägnat decennier av studier för att upptäcka och förstå Higgs-bosonen. Caltech-gruppen leder nya uppgraderingar av detektorer för ultraprecision-timing för High Luminosity LHC och utvecklar nya AI-baserade dataanalysmetoder som möjliggör accelererad upptäckt i nästan realtid. Gruppen har producerat mer än ett dussin Ph.D. avhandlingar och gjorde det möjligt för cirka 100 studenter och praktikanter att engagera sig i analys, instrumentering och beräkningsforskning sedan upptäckten av Higgs. + Utforska vidare
