Kredit:CERN
För tio år sedan, den 4 juli 2012, tillkännagav ATLAS- och CMS-samarbeten vid Large Hadron Collider (LHC) upptäckten av en ny partikel med egenskaper som överensstämmer med de hos Higgs-bosonen som förutspås av standardmodellen för partikelfysik. Upptäckten var ett landmärke i vetenskapens historia och fångade världens uppmärksamhet. Ett år senare vann den François Englert och Peter Higgs Nobelpriset i fysik för deras förutsägelse som gjordes decennier tidigare, tillsammans med avlidne Robert Brout, av ett nytt grundläggande fält, känt som Higgsfältet, som genomsyrar universum, manifesterar sig som Higgs boson och ger massa till elementarpartiklarna.
"Upptäckten av Higgs-bosonen var en monumental milstolpe inom partikelfysik. Det markerade både slutet på en decennier lång utforskningsresa och början på en ny era av studier av denna mycket speciella partikel", säger Fabiola Gianotti, CERN:s direktör. -General och projektledare ('talesperson') för ATLAS-experimentet vid tidpunkten för upptäckten. "Jag minns med känsla dagen för tillkännagivandet, en dag av enorm glädje för den världsomspännande partikelfysikgemenskapen och för alla människor som outtröttligt arbetat under decennier för att göra denna upptäckt möjlig."
På bara tio år har fysiker tagit enorma steg framåt i vår förståelse av universum, inte bara bekräftat tidigt att partikeln som upptäcktes 2012 verkligen är Higgs-bosonen utan också tillåtit forskare att börja bygga en bild av hur den genomgripande närvaron av en Higgs fält i hela universum etablerades en tiondels miljarddels sekund efter Big Bang.
Den nya resan hittills
Den nya partikeln som upptäcktes av de internationella ATLAS- och CMS-samarbetena 2012 liknade Higgs-bosonen som förutspåtts av standardmodellen. Men var det faktiskt den där länge eftertraktade partikeln? Så snart upptäckten hade gjorts, gav ATLAS och CMS sig för att i detalj undersöka om egenskaperna hos partikeln de hade upptäckt verkligen matchade de som förutspåtts av standardmodellen. Genom att använda data från sönderfallet, eller "sönderfallet", av den nya partikeln till två fotoner, bärarna av den elektromagnetiska kraften,
experiment har visat att den nya partikeln inte har någon inneboende vinkelmomentum eller kvantspinn – precis som Higgs-bosonen som förutspåtts av standardmodellen. Däremot har alla andra kända elementarpartiklar spin:materiepartiklarna, såsom "upp" och "ner" kvarkar som bildar protoner och neutroner, och de kraftbärande partiklarna, som W- och Z-bosonerna.
Genom att observera Higgs-bosonerna produceras från och sönderfalla till par av W- eller Z-bosoner, bekräftade ATLAS och CMS att dessa får sin massa genom sin interaktion med Higgs-fältet, som förutspåtts av standardmodellen. Styrkan i dessa interaktioner förklarar den korta räckvidden av den svaga kraften, som är ansvarig för en form av radioaktivitet och initierar kärnfusionsreaktionen som driver solen.
Experimenten har också visat att toppkvarken, bottenkvarken och tauleptonen – som är de tyngsta fermionerna – får sin massa från sina interaktioner med Higgsfältet, återigen som förutspått av standardmodellen. De gjorde det genom att observera, i fallet med toppkvarken, att Higgs-bosonen produceras tillsammans med par av toppkvarkar, och i fallet med bottenkvarken och tauleptonen, bosonens sönderfall till par av bottenkvarkar respektive tau-leptoner. . Dessa observationer bekräftade förekomsten av en växelverkan, eller kraft, kallad Yukawa-växelverkan, som är en del av standardmodellen men är till skillnad från alla andra krafter i standardmodellen:den förmedlas av Higgs-bosonen, och dess styrka är inte kvantifierad, det vill säga, det kommer inte i multiplar av en viss enhet.
ATLAS och CMS mätte Higgs-bosonens massa till 125 miljarder elektronvolt (GeV), med en imponerande precision på nästan en per mil. Higgs-bosonens massa är en fundamental naturkonstant som inte förutsägs av standardmodellen. Dessutom, tillsammans med massan av den tyngsta kända elementarpartikeln, toppkvarken och andra parametrar, kan Higgs-bosonens massa bestämma stabiliteten i universums vakuum.
Det här är bara några av de konkreta resultaten av tio års utforskning av Higgs-bosonen vid världens största och mest kraftfulla kolliderare – den enda platsen i världen där denna unika partikel kan produceras och studeras i detalj.
"De stora dataproverna som tillhandahålls av LHC, den exceptionella prestandan hos ATLAS- och CMS-detektorerna och nya analystekniker har gjort det möjligt för båda samarbetena att utöka känsligheten för deras Higgs-bosonmätningar utöver vad man trodde var möjligt när experimenten utformades." säger ATLAS talesperson Andreas Hoecker.
Dessutom, sedan LHC började kollidera protoner med rekordenergier 2010, och tack vare den oöverträffade känsligheten och precisionen i de fyra huvudexperimenten, har LHC-samarbetena upptäckt mer än 60 kompositpartiklar som förutspåtts av standardmodellen, varav några är exotiska 'tetraquarks' och 'pentaquarks'. Experimenten har också avslöjat en rad spännande antydningar om avvikelser från standardmodellen som tvingar fram ytterligare undersökningar och har studerat kvark-gluonplasman som fyllde universum i dess tidiga ögonblick i oöverträffad detalj. De har också observerat många sällsynta partikelprocesser, gjort allt mer exakta mätningar av standardmodellfenomen och brutit ny mark i sökandet efter nya partiklar utöver de som förutsägs av standarden
Modell, inklusive partiklar som kan utgöra den mörka materien som står för större delen av universums massa.
Resultaten av dessa sökningar lägger till viktiga delar till vår förståelse av grundläggande fysik. "Upptäckter inom partikelfysik behöver inte betyda nya partiklar", säger CERN:s chef för forskning och beräkning, Joachim Mnich. "LHC-resultaten som erhållits under ett decenniums drift av maskinen har gjort det möjligt för oss att sprida ett mycket bredare nät i våra sökningar, sätta starka gränser för möjliga utökningar av standardmodellen och att komma med nya sök- och dataanalystekniker. "
Anmärkningsvärt är att alla LHC-resultat som erhållits hittills är baserade på bara 5 % av den totala mängden data som kollideraren kommer att leverera under sin livstid. "Med detta "lilla" prov har LHC tillåtit stora steg framåt i vår förståelse av elementarpartiklar och deras interaktioner, säger CERN-teoretikern Michelangelo Mangano. "Och även om alla resultat som erhållits hittills är förenliga med standardmodellen, finns det fortfarande gott om utrymme för nya fenomen utöver vad som förutsägs av denna teori."
"Higgsbosonen i sig kan peka på nya fenomen, inklusive några som kan vara ansvariga för den mörka materien i universum", säger CMS talesman Luca Malgeri. "ATLAS och CMS utför många sökningar för att undersöka alla former av oväntade processer som involverar Higgs-bosonen."
Resan som fortfarande ligger framför oss
Vad återstår att lära sig om Higgsfältet och Higgsbosonen tio år senare? Mycket. Ger Higgsfältet också massa till de lättare fermionerna eller kan en annan mekanism vara på gång? Är Higgs-bosonen en elementär eller sammansatt partikel? Kan den interagera med mörk materia och avslöja naturen hos denna mystiska form av materia? Vad genererar Higgs bosonens massa och självinteraktion? Har den tvillingar eller släktingar?
Att hitta svaren på dessa och andra spännande frågor kommer inte bara att främja vår förståelse av universum i minsta skala utan kan också hjälpa till att låsa upp några av universums största mysterier som helhet, till exempel hur det kom att bli som det är och vad dess yttersta öde kan bli. Higgs-bosonens självinteraktion, i synnerhet, kan innehålla nycklarna till en bättre förståelse av obalansen mellan materia och antimateria och stabiliteten i vakuumet i universum.
Även om svar på några av dessa frågor kan ges av data från den förestående tredje körningen av LHC eller från kolliderens stora uppgradering, tros LHC med hög ljusstyrka, från 2029 och framåt, svar på andra gåtor vara utom räckhåll för LHC, som kräver en framtida 'Higgs-fabrik'. Av den anledningen undersöker CERN och dess internationella partners den tekniska och ekonomiska genomförbarheten av en mycket större och kraftfullare maskin, Future Circular Collider, som svar på en rekommendation från den senaste uppdateringen av European Strategy for Particle Physics.
"Högenergikolliderare förblir det mest kraftfulla mikroskopet till vårt förfogande för att utforska naturen i minsta skala och för att upptäcka de grundläggande lagarna som styr universum", säger Gian Giudice, chef för CERN:s teoriavdelning. "Dessutom ger dessa maskiner också enorma samhällsvinster."
Historiskt sett har acceleratorn, detektorn och beräkningsteknikerna förknippade med högenergikolliderare haft en stor positiv inverkan på samhället, med uppfinningar som World Wide Web, detektorutvecklingen som ledde till PET-skannern (Positron Emission Tomography) och design av acceleratorer för hadronterapi vid behandling av cancer. Dessutom har design, konstruktion och drift av partikelfysikkolliderare och experiment resulterat i utbildning av nya generationer av vetenskapsmän och yrkesmän inom andra områden, och i en unik modell för internationellt samarbete. + Utforska vidare
