Bozon Higgsa
| Symbol |
H0 |
|---|---|
| Postulowana |
R. Brout, F. Englert, P. Higgs, G. S. Guralnik, C. R. Hagen i T. W. B. Kibble (1964) |
| Odkryta |
4 lipca 2012[1] |
| Ładunek |
0 |
| Masa |
125,3 ±0,4 (stat) ±0,5 (sys) GeV/c² (według CMS) |
| Średni czas życia |
1,56 × 10−22 s[a] |
| Szerokość | |
| Spin |
0[3] |
| Najczęstsze rozpady |
|
Bozon Higgsa (higson)[4] – cząstka elementarna, nazwana nazwiskiem Petera Higgsa, który przewidział jego istnienie i w związku z tym dostał Nagrodę Nobla w 2013 roku.
4 lipca 2012 ogłoszone zostało odkrycie nowej cząstki elementarnej przez detektory ATLAS i CMS, w eksperymentach prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN)[5]. Wyniki ogłoszone 4 lipca[6] zostały potwierdzone przez rezultaty kolejnych eksperymentów, publikowane w ciągu następnego roku. Masa odkrytej cząstki, wykrycie jej w oczekiwanych kanałach rozpadu oraz jej właściwości stanowiły mocne potwierdzenie, że jest to długo poszukiwany bozon Higgsa[7]. W kwietniu 2013 roku zespoły pracujące przy detektorach CMS i ATLAS ostatecznie stwierdziły, że cząstka ta jest bozonem Higgsa[1].
Uzasadnienie teoretyczne
Istnienie tej cząstki jest uzasadniane teoretycznie mechanizmem Higgsa, polegającym na sprzężeniu pól kwantowych materii (pola fermionowe, jak pole elektronowe, pola kwarkowe, pola bozonowe – jak pola W i Z itp.) z dodatkowym skalarnym polem kwantowym, zwanym polem Higgsa, w wyniku którego poprzez spontaniczne złamanie symetrii bezmasowe cząstki modelu standardowego nabierają masy[8].
Innymi słowy, zgodnie z modelem standardowym, cząstki występujące w przyrodzie – kwarki i leptony – posiadają masę dzięki oddziaływaniu z polem Higgsa. Można by powiedzieć, że jest to rodzaj „oporów ruchu”, którego nośnikami są bozony Higgsa[9], ale ta analogia nie jest odpowiednia, gdyż na poziomie elementarnym wszystkie siły są zachowawcze.
Należy zaznaczyć, że źródłem większości masy nukleonów, takich jak proton czy neutron, nie jest mechanizm Higgsa, bo 99 procent ich masy pochodzi od energii pól gluonowych łączących składające się na nie kwarki[10].
Koncepcja mechanizmu Higgsa pochodzi od trzech prac teoretycznych opublikowanych w 1964 r. w czasopiśmie „Physical Review Letters” (w krótkich odstępach czasowych). Ich autorami byli:
- François Englert i Robert Brout[11],
- Peter Higgs[12],
- Gerald Guralnik, Carl R. Hagen i Tom Kibble[13].
  Kolejno od lewej: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert i Brout. Po prawej Peter Higgs |
Poza tym te wszystkie prace były rozwinięciem idei, którą wcześniej zaproponował amerykański fizyk Philip Warren Anderson[14].
Za przewidzenie istnienia bozonu Higgsa oraz za eksperymentalne potwierdzenie jego istnienia Nagrodą Nobla w 2013 wyróżnieni zostali Peter Higgs oraz François Englert[15].
Właściwości
Bozon Higgsa jest jedyną oprócz mezonów cząstką elementarną modelu standardowego pozbawioną spinu (jego spin wynosi 0), w przeciwieństwie np. do elektronu, którego spin wynosi 1/2, czy bezmasowego fotonu, dla którego wynosi 1. Jest też pozbawiony ładunku elektrycznego i koloru.
Obecne pomiary masy bozonu Higgsa dały wyniki 125,3 ±0,4 (stat) ±0,5 (sys) GeV/c² (detektor CMS)[16] i 126 ±0,4 (stat) ±0,4 (sys) GeV/c² (detektor Atlas)[17]. Jest on więc najcięższym bozonem w modelu standardowym[b].
Średni czas życia bozonu Higgsa, wynikający z modelu standardowego dla masy 126 GeV/c², wynosi 1,6 × 10−22 s (dla tak krótko żyjących cząstek określa się szerokość rozpadu związaną ze średnim czasem życia wzorem Wynosi ona 4,21 × 10−3 GeV[2]).
Wyniki eksperymentalne
Eksperymenty prowadzone w latach 1990–2000 przy użyciu akceleratora LEP w CERN wykazały, że jeżeli cząstka Higgsa istnieje, to jej masa przekracza 114 GeV[c].
Wyniki eksperymentów w LHC, a wcześniej w Tevatronie, znacząco zawęziły zakres możliwych mas bozonu, szczególnie w zakresie wysokich energii, niedostępnych przed budową tego akceleratora. Do listopada 2011 połączenie wyników uzyskanych w eksperymentach CMS i ATLAS wykluczyło na poziomie ufności 95% obecność bozonu Higgsa w zakresie energii od 141 do 476 GeV. Natomiast w zakresie od 146 do 443 GeV jego obecność wykluczono na poziomie ufności 99%, z wyjątkiem trzech małych obszarów od 220 do 320 GeV. Naukowcy szacowali też, że do końca 2012 roku wiadomym będzie, czy bozon Higgsa istnieje[18].
13 grudnia 2011 rzecznicy eksperymentów ATLAS i CMS przedstawili wyniki mówiące, że jeśli bozon Higgsa istnieje, to jego masa jest ograniczona do zakresu 116-130 GeV/c² przez eksperyment ATLAS i do zakresu 115-127 GeV/c² przez detektor CMS[9][19].
Potwierdzenie doświadczalne
Wstępne wyniki
4 lipca 2012 roku CERN ogłosił wstępne wyniki analizy danych zebranych w latach 2011–2012 przez eksperymenty CMS i ATLAS, wskazujące na odkrycie nowej cząstki elementarnej, bozonu (wyniki CMS wskazują, że ma ona masę 125,3 ±0,6 GeV/c²). Zarejestrowana cząstka prawdopodobnie jest długo poszukiwanym bozonem Higgsa, jednak potwierdzenie tej informacji będzie możliwe dopiero po dokładniejszym zbadaniu jej właściwości[20][21][22].
31 lipca zespół kierujący pracą eksperymentu (tj. detektora) ATLAS przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERNie przedstawił wyniki analiz uwzględniających najnowsze pomiary przeprowadzone między kwietniem i czerwcem 2012 przy energii 8 TeV o scałkowanej świetlności akceleratora 5,8 – 5,9 fb−1. Wyniki te, opracowane w ostatnich dniach lipca 2012, dotyczyły trzech następujących kanałów rozpadu powstałego w wyniku zderzeń hipotetycznego bozonu Higgsa:
Potwierdzono zaobserwowanie nowej cząstki o masie 126 GeV/c² ±0,4 GeV/c² (szacunku statystycznego błędu pomiaru) na poziomie istotności 5,9 sigma (tj. 5,9 razy więcej od odchylenia standardowego). Oznacza to, że prawdopodobieństwo efektu podobnego do występowania nowej cząstki, lecz spowodowanego innym zjawiskiem, np. fluktuacją tła, jest mniejsze niż 1,7×10−9. Wynik ten przekracza wyraźnie wartość 5 sigma wystarczającą do uznania odkrycia nowej cząstki.
Autorzy napisali:
- These results provide conclusive evidence for the discovery of a new particle with mass 126.0 ±0,4 (stat) ±0,4 (sys) GeV. (...) The observation in the diphoton channel disfavours the spin-1 hypothesis. Although these results are compatible with the hypothesis that the new particle is the Standard Model Higgs boson, more data are needed to assess its nature in detail.
- Wyniki te dostarczają ostatecznego potwierdzenia, że odkryto nową cząstkę o masie 126,0 ±0,4 (błąd statystyczny) ±0,4 (błąd systematyczny) GeV. (...) Obserwacje dwufotonowych kanałów rozpadu wykluczają w zasadzie hipotezę o spinie cząstki równym 1. Mimo iż wyniki te są zgodne z hipotezą, że nową cząstką jest bozon Higgsa modelu standardowego, potrzebnych jest więcej danych do określenia szczegółów dotyczących natury tej cząstki[17].
Chociaż wyniki doświadczalne są ewidentnie zbieżne z przewidywanymi kanałami rozpadu cząstki Higgsa, kierownictwo eksperymentu zaznaczyło, że potrzebne są dalsze badania w celu jednoznacznej identyfikacji cząstki. Środowisko naukowe jednak już wtedy uznało, że podana informacja oznacza bardzo prawdopodobne odkrycie bozonu Higgsa.
Dalsze analizy
W 2013 roku badacze z CERN przedstawili dalsze wyniki oparte na analizie dwuipółkrotnie większej liczby danych niż w przypadku pierwszej informacji o odkryciu[7]. Rezultaty z detektorów CMS i ATLAS wskazują, że cząstka ta ma zerowy spin – jest pierwszą odkrytą elementarną cząstką skalarną[d] – oraz dodatnią parzystość. Teoria przewiduje, że cząstki Higgsa będą miały właśnie takie cechy[7].
Dotychczasowe wyniki nie dają jednak pewności, czy jest to bozon Higgsa z modelu standardowego, czy też może najlżejsza cząstka Higgsa z kilku istniejących, opisywanych przez szerszy model (np. supersymetryczny)[23]. Aby to stwierdzić, potrzebne będzie znacznie więcej obserwacji rozpadu tego bozonu[7].
Artykuł opisujący eksperymenty mające na celu sprecyzowanie masy bozonu Higgsa ma rekordową liczbę autorów 5154[24].
Uwagi
- ↑ a b c Według przewidywań Modelu standardowego dla masy 126 GeV.
- ↑ Kwark t ma większą masę, ale jest fermionem.
- ↑ W fizyce cząstek elementarnych zwykle mierzy się masę cząstek w mega- lub gigaelektronowoltach (MeV, GeV). Formalnie elektronowolt jest jednostką energii (1 eV jest to energia potrzebna do przesunięcia 1 elektronu przez barierę potencjału w wysokości 1 wolta), ale w związku z równoważnością masy i energii (E=mc²) odpowiada też ściśle określonej masie. Dla ścisłości można zapisywać masę w jednostkach GeV/c², ale zwykle przyjmuje się konwencję, według której prędkość światła w próżni jest równa jeden (por. jednostki Plancka). 1 GeV/c² ≈ 1,8 × 10−27 kg.
- ↑ Znane są liczne cząstki złożone, które są bozonami skalarnymi, np. mezon pi.
Przypisy
- ↑ a b The ATLAS and CMS collaborations. Birth of a Higgs boson. „CERN Courier”, 2013-04-26.
- ↑ a b c LHC Higgs Cross Section Working Group. Handbook of LHC Higgs Cross Sections: 2. Differential Distributions. „CERN Report 2”. arXiv:1201.3084. (ang.).
- ↑ Higgsa cząstka, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-29].
- ↑ Polska nazwa według PTF: Bernard Jancewicz: Angielsko-polski słownik nowych terminów fizycznych. Polskie Towarzystwo Fizyczne, 2011-02-15. [dostęp 2013-06-26]. (pol.).
- ↑ Bozon Higgsa, czyli teraz jesteśmy już pewni naszej wiedzy [online], Polska The Times, 6 lipca 2012 [dostęp 2012-07-08] [zarchiwizowane z adresu 2014-07-14].
- ↑ Bozon Higgsa: jak doszło do odkrycia „boskiej cząstki”? Forsal.pl [dostęp 2012-07-08].
- ↑ a b c d Cian O’Luanaigh: New results indicate that new particle is a Higgs boson. CERN, 2013-03-14. [dostęp 2013-06-26]. (ang.).
- ↑ Leon Lederman, Dick Teresi: Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?. ISBN 83-86868-10-4.
- ↑ a b CERN: są sygnały, że cząstka Higgsa istnieje [online], PAP, 14 grudnia 2011 [zarchiwizowane z adresu 2012-07-09].
- ↑ Jim Baggott: Teoria Kwantowa – Odkrycia które zmieniły świat. 2013, s. 351. ISBN 978-83-7839-483-9.
- ↑ François Englert, Robert Brout. Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons. „Phys. Rev. Lett.”. 13, s. 321, 1964. DOI: 10.1103/PhysRevLett.13.321. (ang.).
- ↑ Peter W. Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons. „Phys. Rev. Lett.”. 13, s. 508, 1964. DOI: 10.1103/PhysRevLett.13.508.
- ↑ G.S. Guralnik, C.R. Hagen, T.W.B. Kibble. Global Conservation Laws and Massless Particles. „Phys. Rev. Lett.”. 13, s. 585, 1964. DOI: 10.1103/PhysRevLett.13.585.
- ↑ P.W. Anderson. Plasmons, Gauge Invariance, and Mass. „Physical Review”. 130, s. 439, 1963. DOI: 10.1103/PhysRev.130.439. Bibcode: 1963PhRv..130..439A.
- ↑ The Nobel Prize in Physics 2013. Nobelprize.org., 8 października 2013. [dostęp 2013-10-08]. (ang.).
- ↑ Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, „Physics Letters B”, 716 (1 ), CMS collaboration, 2012, s. 30-61, DOI: 10.1016/j.physletb.2012.08.021, arXiv:1207.7235 (ang.).
- ↑ a b The ATLAS Collaboration, Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC [online], CERN, 31 lipca 2012 [zarchiwizowane z adresu 2017-10-11] (ang.).
- ↑ ATLAS and CMS combine summer '11 search limits on the Standard Model Higgs. 2011-11-18. [dostęp 2011-11-21]. (ang.).
- ↑ Naukowcy coraz bliżej „boskiej cząstki” [online], Onet.pl, 14 grudnia 2011 [zarchiwizowane z adresu 2012-01-13].
- ↑ CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson [online], 4 lipca 2012 [dostęp 2012-07-05] [zarchiwizowane z adresu 2012-07-05] (ang.).
- ↑ Observation of a New Particle with a Mass of 125 GeV. 4 lipca 2012. [dostęp 2012-07-05]. (ang.).
- ↑ Obserwacja Nowej Cząstki o Masie 125 GeV. Wydział Fizyki UW, 4 lipca 2012. [dostęp 2012-07-05]. (pol.).
- ↑ ATLAS-CONF-2017-058.
- ↑ G. Aad. Combined Measurement of the Higgs Boson Mass in pp Collisions at and 8 TeV with the ATLAS and CMS Experiments. „Physical Review Letters”. 114, 2015. DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.191803.
Linki zewnętrzne
Krzysztof Turzyński, Nowe odpowiedzi, nowe pytania, miesięcznik „Delta”, lipiec 2023 [dostęp 2023-07-03].- Cian O’Luanaigh: The basics of the Higgs boson. CERN, 2013-04-16. [dostęp 2013-06-26]. (ang.).
Nagrania na YouTube [dostęp 2024-08-22]:
- Don Lincoln, What is a Higgs Boson?, kanał Fermilabu, 8 lipca 2011.
- Dave Barney i Steve Goldfarb, The basics of the Higgs boson, kanał TED-Ed, 3 maja 2013.
- How the Higgs boson was discovered – Witness History, kanał BBC World Service, 4 lipca 2022.
- Don Lincoln, The race to find the Higgs boson, kanał kanał Fermilabu, 30 maja 2024.
- Don Lincoln, How the Higgs boson was discovered, kanał Fermilabu, 7 sierpnia 2024.