'S Werelds Grootste Atom Smasher Zou Kunnen Helpen Verklaren Waar De Massa Vandaan Komt

{h1}

Twee nieuwe resultaten vinden een top-quark geproduceerd in samenwerking met een higgs-deeltje, en dat proces zou kunnen helpen verklaren hoe fundamentele deeltjes hun massa krijgen.

Vandaag is een goede dag voor natuurkunde.

Twee nieuwe resultaten die vandaag (4 juni) zijn vrijgegeven, hebben aangetoond dat het Higgs-deeltje opduikt samen met het zwaarste deeltje dat ooit is ontdekt. En de resultaten kunnen ons helpen een van de meest fundamentele problemen in de natuurkunde beter te begrijpen - waarom materie massa heeft.

De bevindingen werden vrijgegeven op de Large Hadron Collider Physics 2018-conferentie in Bologna, Italië. De ontdekking werd onafhankelijk uitgevoerd door twee experimenten (A-toroidale LHC-apparatuur of ATLAS en Compact Muon Solenoid of CMS) met behulp van gegevens die waren geregistreerd in de Large Hadron Collider (LHC), die zich in het CERN-laboratorium in Zwitserland bevindt. Deze resultaten zijn beschikbaar voor het publiek in twee papers, een zojuist ingediend voor publicatie en een zojuist gepubliceerd.

Jagen op massa

De jacht op de Higgs en de oorsprong van de mis hebben een fascinerende geschiedenis. In 1964 voorspelden verschillende groepen wetenschappers, waaronder de Britse fysicus Peter Higgs en de Belgische fysicus Francois Englert, dat de massa van fundamentele subatomaire deeltjes is ontstaan ​​door interacties met een energieveld dat nu het Higgs-veld wordt genoemd. Het energieveld doordringt het universum. Deeltjes die meer interactie hebben met het veld zijn meer massief, terwijl andere weinig interageren met het veld en sommige helemaal niet. Een consequentie van deze voorspelling is dat er een subatomisch deeltje genaamd het Higgs-deeltje zou moeten bestaan. [6 implicaties van het vinden van de Higgs Boson]

Na bijna 50 jaar zoeken, vonden onderzoekers van de LHC het Higgs-deeltje in 2012. Voor hun succesvolle voorspelling deelden Higgs en Englert de Nobelprijs 2013 in de natuurkunde.

Het zwaarste bekende fundamentele subatomaire deeltje is de top-quark, ontdekt in 1995 in Fermilab, net ten westen van Chicago. Er zijn zes bekende quarks. Twee zijn stabiel en worden gevonden in het centrum van protonen en neutronen. De andere vier zijn onstabiel en worden alleen gemaakt in grote deeltjesversnellers. Een enkele top-quark heeft een massa die vergelijkbaar is met een atoom van wolfraam.

Ongrijpbare meting

In de aankondiging van vandaag beschreven wetenschappers een klasse van botsingen waarbij gelijktijdig een topkwarkstof / antimateriepaar werd gecreëerd met een Higgs-deeltje. Door deze botsingen kunnen wetenschappers direct de interactiesterkte meten tussen Higgs-bosonen en top-quarks. Omdat de interactie van een deeltje met het Higgs-veld een deeltje zijn massa geeft en omdat de topkwark het meest massieve fundamentele subatomaire deeltje is, werkt het Higgs-deeltje het sterkst samen met de topkwark. Dienovereenkomstig zijn interacties van dit soort een ideaal laboratorium om gedetailleerde studies van de oorsprong van de massa te doen.

Deze meting was bijzonder uitdagend. De ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 betrof slechts een handvol botsingen. Botsingen waarbij zowel Higgs-bosonen als top-quarks tegelijkertijd worden geproduceerd, gebeuren alleen bij 1 procent van de botsingen waarbij een Higgs-boson wordt geproduceerd. Wanneer er een groot aantal manieren is waarop topquarks kunnen vervallen, vereiste deze analyse tientallen onafhankelijke analyses, waarbij honderden onderzoekers betrokken waren. De analyses werden vervolgens gecombineerd tot een enkele meting. Dit was een zeer moeilijke prestatie.

Vóór deze meting was het niet mogelijk om de interactiesterkte van een topkwark en Higgs-bosonen direct te meten. Higgs-bosonen hebben een massa van 125 GeV (miljard elektronvolt) en de topkwark heeft een massa van 172 GeV. Een top quark / antiquark-paar heeft dus een massa van 344 GeV, wat groter is dan de massa van het Higgs-deeltje. Het is daarom onmogelijk dat een Higgs-boson vervalt in een top-quark / antiquark-paar.
In plaats daarvan wordt een top-quark / antiquark-paar gemaakt en een van die twee deeltjes zendt een Higgs-deeltje uit. Elke top-quark vervalt in drie deeltjes en het Higgs-deeltje vervalt in twee. Dus, na het verval van de deeltjes, zijn er acht verschillende vervalproducten in de detector, die correct moeten worden toegewezen. Het is een zeer complexe set gegevens. [Strange Quarks and Muons, Oh My! De kleinste deeltjes van de natuur ontleed]

Het is ook een zeer zeldzaam soort interactie. Wetenschappers doorzochten ongeveer vier biljard (10 verhoogd tot de 15 macht) botsingen tussen paren protonen om slechts een handvol botsingen met de vereiste kenmerken te identificeren.

Residuele mysteries

Terwijl de ontdekking van het Higgs-deeltje en de daaropvolgende metingen ertoe leiden dat onderzoekers geloven dat de theorie die voor het eerst in 1964 door Higgs en Englert en anderen werd opgeschreven, correct is, blijven er enkele belangrijke restmysteries over. Onder hen: Waarom heeft het Higgs-deeltje de massa die het doet? En waarom is er eigenlijk een Higgs-veld?
Eerst en vooral is het feit dat de Higgs-theorie niet wordt gemotiveerd door een dieper theoretisch kader. Het is gewoon toegevoegd. In de eenvoudigste vorm voorspelt het standaardmodel (de leidende theorie van subatomaire interacties) dat alle fundamentele subatomaire deeltjes massaloos zijn. Dit is in directe tegenspraak met metingen. De Higgs-theorie is toegevoegd, een beetje als een theoretische pleister, aan het standaardmodel. Omdat de Higgs-theorie de massa van deze deeltjes kan verklaren, is de Higgs-theorie nu opgenomen in het standaardmodel.

Maar het is nog steeds een pleister, en dat is een onbevredigende stand van zaken.Misschien zullen we door het bestuderen van interacties tussen Higgs-bosonen en de deeltjes waarmee ze het sterkst interacteren, enig gedrag blootleggen dat wijst op een diepere en meer verklarende onderliggende theorie.

Bovendien is de numerieke waarde voor de massa van het Higgs-deeltje een beetje een mysterie. Het Higgs-veld geeft massa aan fundamentele subatomaire deeltjes, inclusief het Higgs-deeltje zelf. Het verhaal is echter complexer dan dat. Vanwege kwantummechanische effecten kan het Higgs-deeltje tijdelijk zichzelf transmuteren naar andere subatomaire deeltjes, inclusief de topkwark. Terwijl het Higgs-deeltje zich in deze getransmuteerde toestand bevindt, kunnen deze tijdelijke deeltjes een interactie aangaan met het Higgs-veld en daardoor indirect de massa van het Higgs-deeltje veranderen. Wanneer deze effecten in beschouwing worden genomen, is de voorspelde en gemeten massa van het Higgs-deeltje vrij oneens. Dit is een dringend mysterie voor de moderne fysica en hopelijk zullen betere metingen van de interacties van Higgs-bosonen een licht werpen op dit raadsel.

Hoewel de aankondiging van vandaag slechts een klein aantal botsingen omvat waarin topquarks en Higgs-bosonen worden gemaakt, zal het in de toekomst mogelijk zijn dit proces met een grotere nauwkeurigheid te bestuderen. De LHC werkt uitstekend, maar tegen het einde van 2018 zal deze slechts 3 procent van de gegevens leveren die verwacht wordt te leveren. Aan het einde van 2018 zal de LHC voor upgrades en verbouwingen gedurende twee jaar stoppen. In 2021 zal de collider de operaties met een wraak hervatten, die tot 2030 operationeel zijn. Gedurende die periode verwachten wetenschappers 30 keer meer gegevens te registreren dan tegen het einde van dit jaar verzameld zullen zijn.

Het is moeilijk om te weten wat we zullen vinden. De LHC en bijbehorende detectoren zijn buitengewone stukjes technologie en het is feitelijk waarschijnlijk dat ze nog meer gegevens zullen leveren dan voorspeld. Met zoveel gegevens is het heel goed mogelijk dat wetenschappers een nieuw fenomeen ontdekken dat nog niet is ontdekt, maar waarvoor de tekstboeken moeten worden herschreven.
Dat is geen garantie, maar één ding is zeker: de aankondiging van vandaag legt een duidelijke weg naar een beter begrip van de oorsprong van de massa.

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.

Opmerking van de uitgever: Don Lincoln is natuurkundig onderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Blow Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014) en hij produceert een serie video's over wetenschapseducatie. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn de zijne.


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com