Поиск бозона Хиггса - Search for the Higgs boson

Стандартная модель из физика элементарных частиц
Стандартная модель элементарных частиц.svg

В поиск бозона Хиггса была 40-летняя работа физики доказать наличие или отсутствие бозон Хиггса, впервые высказанные в 1960-х годах. Бозон Хиггса был последним ненаблюдаемым элементарная частица в Стандартная модель из физика элементарных частиц, и его открытие было описано как «окончательная проверка» Стандартной модели.[1] В марте 2013 года было официально подтверждено существование бозона Хиггса.[2]

Этот подтвержденный ответ доказал существование гипотетического Поле Хиггса —А поле огромного значения, который предполагается источником электрослабый нарушение симметрии и способы, с помощью которых элементарные частицы приобретают масса.[Примечание 1] Нарушение симметрии считается доказанным, но точно подтверждающим как это происходит в природе. безответный вопрос по физике. Доказательство поля Хиггса (путем наблюдения за связанной частицей) подтверждает окончательную неподтвержденную часть Стандартной модели как по существу правильную, избегая необходимости альтернативные источники механизма Хиггса. Доказательства его свойств могут сильно повлиять на понимание человеком Вселенной и открыть «новая» физика за пределами текущих теорий.[4]

Несмотря на свою важность, поиск и доказательство были чрезвычайно сложными и заняли десятилетия, потому что прямое получение, обнаружение и проверка бозона Хиггса в масштабе, необходимом для подтверждения открытия и изучения его свойств, потребовали очень большого экспериментального проекта и огромных вычислительных ресурсов. По этой причине до 2011 года большинство экспериментов было направлено на исключение диапазонов масс, которые не могли быть у Хиггса. В конечном итоге поиски привели к созданию Большой адронный коллайдер (LHC) в Женева, Швейцария, крупнейший ускоритель частиц в мире, разработанный специально для этого и других высокоэнергетических испытаний Стандартной модели.

Фон

Бозон Хиггса

Основная статья: бозон Хиггса

Экспериментальные требования

Как и другие массивные частицы (например, верхний кварк и W и Z бозоны ), Бозоны Хиггса распадаются на другие частицы почти сразу, задолго до того, как их можно будет наблюдать напрямую. Однако Стандартная модель точно предсказывает возможные режимы распада и их вероятности. Это позволяет показать рождение и распад бозона Хиггса путем тщательного изучения продуктов распада столкновений.

Таким образом, хотя подходы к доказательству Хиггса изучались в ранних исследованиях 1960-х годов, когда была предложена частица, крупномасштабные экспериментальные поиски начались только в 1980-х, когда были открыты ускорители частиц, достаточно мощные, чтобы предоставить доказательства, связанные с бозоном Хиггса. .

Поскольку бозон Хиггса, если бы он существовал, мог иметь любую массу в очень широком диапазоне, в конечном итоге для поиска потребовался ряд очень продвинутых устройств. В их число входили очень мощный ускоритель частиц и детекторы (для создания бозонов Хиггса и, если возможно, их распад), а также обработка и анализ огромных объемов данных,[5] требуя очень большого всемирные вычисления удобства. Например, более 300 триллионов (3 x 1014) протон-протонные столкновения на LHC были проанализированы в подтверждение открытия частицы в июле 2012 года,[5] требуя строительства так называемого Вычислительная сетка LHC, крупнейший в мире вычислительная сетка (по состоянию на 2012 год), включающая более 170 вычислительных мощностей в 36 странах.[5][6][7] Экспериментальные методы включали изучение широкого диапазона возможных масс (часто указываемых в ГэВ), чтобы постепенно сузить область поиска и исключить возможные массы, при которых появление Хиггса было бы маловероятным, статистический анализ и выполнение нескольких экспериментов и групп, чтобы посмотрим, согласны ли все результаты.

Экспериментальный поиск и открытие неизвестного бозона

Ранние ограничения

В начале 1970-х было лишь несколько ограничений на существование бозона Хиггса. Ограничения, которые действительно существовали, возникли из-за отсутствия наблюдения связанных с Хиггсом эффектов в ядерная физика, нейтронные звезды, и рассеяние нейтронов эксперименты. Это привело к выводу, что Хиггс - если он существовал - был тяжелее, чем 18.3 МэВ /c2.[1]

Феноменология раннего коллайдера

В середине 1970-х были опубликованы первые исследования, изучающие, как бозон Хиггса может проявлять себя в экспериментах по столкновению частиц.[8] Однако шансы найти частицу были не очень хорошими; Авторы одной из первых статей по феноменологии Хиггса предупреждали:

Возможно, нам следует закончить нашу статью извинениями и предупреждениями. Мы приносим свои извинения экспериментаторам за то, что они понятия не имеют, какова масса бозона Хиггса, ... и за то, что не уверены в его взаимодействиях с другими частицами, за исключением того, что они, вероятно, все очень маленькие. По этим причинам мы не хотим поощрять масштабные экспериментальные поиски бозона Хиггса, но мы чувствуем, что люди, проводящие эксперименты, уязвимые для бозона Хиггса, должны знать, как он может появиться.

— Джон Р. Эллис, Мэри К. Гайярд, и Димитрий В. Нанопулос, [8]

Одна из проблем заключалась в том, что в то время практически не было ключа к разгадке массы бозона Хиггса. Теоретические соображения оставляют открытым очень широкий диапазон где-то между 10 ГэВ /c2[9] и 1000 ГэВ /c2[10] без реального указания, где искать.[1]

Большой электрон-позитронный коллайдер

В исследованиях раннего планирования Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) в ЦЕРНе бозон Хиггса не играл никакой роли. Фактически, он не упоминается ни в одном из отчетов до 1979 года.[11] Первое подробное исследование, изучающее возможности открытия бозона Хиггса на LEP, появилось в 1986 году.[12] После этого поиски бозона Хиггса прочно вошли в программу LEP.[1]

Как следует из названия, Большой электрон-позитронный коллайдер сталкивал электроны с позитронами. Три наиболее важных способа, которыми такое столкновение могло привести к рождению бозона Хиггса, заключались в следующем:[1]

  • Электрон и позитрон вместе создают Z-бозон которые, в свою очередь, распадаются на бозон Хиггса и пару фермионов.
  • Электрон и позитрон вместе создают Z-бозон который, в свою очередь, излучает бозон Хиггса. (Хиггс страглюнг)
  • Электрон и позитрон обмениваются W или Z бозон который по пути излучает бозон Хиггса.

Тот факт, что на LEP не наблюдалось распадов Z-бозона на Хиггса, сразу означает, что бозон Хиггса, если он существовал, должен быть тяжелее Z-бозона (~91 ГэВ /c2). Впоследствии, с каждым последующим энергетическим обновлением LEP, снова появлялась надежда, что открытие Хиггса не за горами.[1] Незадолго до запланированного закрытия LEP в 2000 г. произошло несколько событий, напоминающих бозон Хиггса с массой ~115 ГэВ /c2 наблюдались. Это привело к продлению последнего этапа LEP на несколько месяцев.[13] Но в конце концов данные были неубедительными и недостаточными, чтобы оправдать еще один запуск после зимних каникул, и было принято трудное решение закрыть и демонтировать LEP, чтобы освободить место для нового. Большой адронный коллайдер в ноябре 2000 года. Неокончательные результаты прямого поиска бозона Хиггса на LEP привели к окончательной нижней границе массы Хиггса 114,4 ГэВ /c2 на 95% уровень уверенности.[14]

Параллельно с программой прямого поиска LEP произвела прецизионные измерения многих наблюдаемых слабых взаимодействий. Эти наблюдаемые чувствительны к значению массы Хиггса из-за вкладов процессов, содержащих петли виртуальный Бозоны Хиггса. Это впервые позволило напрямую оценить массу Хиггса около 100±30 ГэВ /c2.[1] Однако эта оценка зависит от условия, что Стандартная модель - это все, что есть, и что нет физика за пределами Стандартной модели вступают в игру на этих энергетических уровнях. Новые физические эффекты потенциально могут существенно изменить эту оценку.[15]

Сверхпроводящий суперколлайдер

Планирование нового мощного коллайдера для исследования новой физики в масштабе> 1 ТэВ уже началось в 1983 году.[16] В Сверхпроводящий суперколлайдер было ускорить протоны в метро 87,1 км Круговой туннель снаружи Даллас, Техас к энергиям 20 ТэВ каждый. Одной из основных целей этого мегапроекта было обнаружение бозона Хиггса.[1][17]

При подготовке этой машины были проведены обширные феноменологические исследования по рождению бозонов Хиггса на адронных коллайдерах.[18] Большим недостатком адронных коллайдеров для поиска Хиггса является то, что они сталкиваются с составными частицами и, как следствие, производят гораздо больше фоновых событий и предоставляют меньше информации о начальном состоянии столкновения. С другой стороны, они обеспечивают гораздо более высокую энергию центра масс, чем лептонные коллайдеры (такие как LEP) аналогичного технологического уровня. Однако адронные коллайдеры также предоставляют другой способ создания бозона Хиггса за счет столкновения двух глюонов, опосредованных треугольником тяжелых (верх или же Нижний ) кварки.[1]

Однако проект сверхпроводящего суперколлайдера столкнулся с проблемами бюджета, и в 1993 году Конгресс решил отключить проект, несмотря на то, что 2 миллиарда долларов уже были потрачены.[1]

Теватрон

Тэватрон (фон) и Главный инжектор кольца

1 марта 2001 г. Теватрон Протон -антипротон (пп) коллайдер в Фермилаб рядом Чикаго начал свой запуск 2. После запуска 1 (1992–1996), в котором коллайдер обнаружил верхний кварк, Тэватрон был закрыт для проведения значительных модернизаций, направленных на повышение потенциала обнаружения бозона Хиггса; энергии протонов и антипротонов были увеличены до 0,98 ТэВ, а количество столкновений в секунду было увеличено на порядок (с дальнейшим увеличением, запланированным по мере продолжения пробега). Даже с обновлениями Теватрону не было гарантировано найти Хиггса. Если бы Хиггс был слишком тяжелым (>180 ГэВ), то у столкновений не хватило бы энергии для образования бозона Хиггса. Если бы было слишком светло (<140 ГэВ), тогда Хиггс будет преимущественно распадаться на пары нижних кварков - сигнал, который будет заглушен фоновыми событиями, и Тэватрон не произведет достаточного количества столкновений, чтобы отфильтровать статистику. Тем не менее, Тэватрон в то время был единственным работающим коллайдером частиц, который был достаточно мощным, чтобы в то время находить частицу Хиггса.[19]

Планировалось, что операция будет продолжаться до тех пор, пока Тэватрон не перестанет идти в ногу с Большим адронным коллайдером.[19] Этот момент был достигнут 30 сентября 2011 года, когда Тэватрон был остановлен.[20] В их окончательном анализе, сотрудничество двух детекторов на Тэватроне (CDF и ДЕЛАТЬ ) сообщают, что на основании своих данных они могут исключить возможность бозона Хиггса с массой между 100 ГэВ /c2 и 103 ГэВ /c2 и между 147 ГэВ /c2 и 180 ГэВ /c2 с доверительной вероятностью 95%. Кроме того, они обнаружили избыток событий, которые могли быть от бозона Хиггса в диапазоне 115–140 ГэВ /c2. Однако значимость статистики считается слишком низкой, чтобы делать какие-либо выводы.[21]

22 декабря 2011 года коллаборация DØ также сообщила об ограничениях на бозон Хиггса в минимальной суперсимметричной стандартной модели, расширении Стандартной модели. Протон -антипротон (пп) столкновения с энергией центра масс 1,96 ТэВ позволили им установить верхний предел для рождения бозона Хиггса в MSSM в диапазоне от 90 до 300 ГэВ, исключая загарβ > 20–30 для масс бозона Хиггса ниже 180 ГэВ (загарβ представляет собой отношение двух значений вакуумного ожидания дублета Хиггса).[22]

Большой адронный коллайдер

Полная эксплуатация на LHC была отложена на 14 месяцев с момента первых успешных испытаний 10 сентября 2008 г. до середины ноября 2009 г.[23][24] после событие гашения магнита через девять дней после первых испытаний, которые повредили более 50 сверхпроводящих магнитов и загрязнили вакуумную систему.[25] Причиной гашения было неисправное электрическое соединение, ремонт занял несколько месяцев;[26][27] Также были модернизированы системы обнаружения электрических неисправностей и быстрой закалки.

Сбор и анализ данных в поисках Хиггса активизировались с 30 марта 2010 года, когда LHC начал работать на 7 ТэВ. (2 x 3,5 ТэВ).[28] Предварительные результаты АТЛАС и CMS эксперименты на LHC по состоянию на июль 2011 г. исключили бозон Хиггса Стандартной модели в диапазоне масс 155-190 ГэВ /c2[29] и 149-206 ГэВ /c2,[30] соответственно при 95% CL. Все приведенные выше доверительные интервалы были получены с использованием CL метод.

По состоянию на декабрь 2011 года поиск сузился до приблизительной области до 115–130 ГэВ с конкретным фокусом около 125 ГэВ, где эксперименты ATLAS и CMS независимо друг от друга сообщили об избытке событий,[31][32] Это означает, что в этом диапазоне энергий было обнаружено большее, чем ожидалось, количество структур частиц, совместимых с распадом бозона Хиггса. Данных было недостаточно, чтобы показать, были ли эти превышения вызваны фоновыми колебаниями (т. Е. Случайной случайностью или другими причинами), а их статистическая значимость была недостаточно велика, чтобы делать выводы или даже формально считаться «наблюдением», но Тот факт, что два независимых эксперимента показали превышение примерно одинаковой массы, вызвал большой ажиотаж в сообществе физиков элементарных частиц.[33]

Поэтому в конце декабря 2011 года многие ожидали, что LHC предоставит достаточно данных, чтобы либо исключить, либо подтвердить существование бозона Хиггса Стандартной модели к концу 2012 года, когда их данные о столкновениях 2012 года (при энергиях 8 ТэВ) был обследован.[34]

Обновления от двух команд LHC продолжались в течение первой половины 2012 года, при этом предварительные данные за декабрь 2011 года в основном подтверждались и развивались.[35][36] Обновления были также доступны от команды, анализирующей окончательные данные с Теватрона.[37] Все это продолжало выделять и сужать область 125 ГэВ, показывая интересные особенности.

2 июля 2012 года коллаборация ATLAS опубликовала дополнительный анализ своих данных за 2011 год, исключая диапазоны масс бозонов от 111,4 ГэВ до 116,6 ГэВ, от 119,4 ГэВ до 122,1 ГэВ и от 129,2 ГэВ до 541 ГэВ. Они наблюдали избыток событий, соответствующих гипотезе о массе бозона Хиггса, около 126 ГэВ с локальным значением 2,9. сигма.[38] В тот же день коллаборации DØ и CDF объявили о дальнейшем анализе, который повысил их уверенность. Значимость эксцессов при энергиях 115–140 ГэВ теперь количественно оценивается как 2,9 Стандартное отклонение, что соответствует вероятности 1 из 550 быть вызванным статистическими колебаниями. Однако это все еще не соответствовало уровню достоверности 5 сигм, поэтому результаты экспериментов на LHC были необходимы для открытия. Они исключили диапазоны масс Хиггса 100–103 и 147–180 ГэВ.[39][40]

Открытие нового бозона

2-фотонный распад Хиггса.svg  Распад 4-лептона Хиггса.svg
Диаграммы Фейнмана показаны самые чистые каналы, связанные с маломассивным, ~ 125 ГэВ, кандидатом Хиггса, наблюдаемым CMS на LHC. Доминирующий производственный механизм при этой массе включает два глюоны от каждого слияния протонов до Петля топ-кварка, который сильно сочетается с Поле Хиггса создать бозон Хиггса.

Оставили: Дифотонный канал: бозон впоследствии распадается на 2 гамма-фотона путем виртуального взаимодействия с W Бозонная петля или же Петля топ-кварка.Правильно: 4-лептон "Золотой канал" Бозон излучает 2 Z-бозоны, каждый из которых распадается на 2 лептоны (электроны, мюоны) .Экспериментальный анализ этих каналов достиг значимости 5 сигма.[41][42]Анализ дополнительных синтез векторных бозонов каналы принесли CMS значение для 4,9 сигма.[41][42]

22 июня 2012 года ЦЕРН объявил о предстоящем семинаре, посвященном предварительным результатам за 2012 год.[43][44] и вскоре после этого в средствах массовой информации начали распространяться слухи, что это будет включать в себя крупное объявление, но было неясно, будет ли это более сильным сигналом или формальным открытием.[45][46] Спекуляции переросли в "горячую" тему, когда появились сообщения о том, что Питер Хиггс, который предложил частицу, должен был присутствовать на семинаре.[47][48] 4 июля 2012 г. CMS объявила об открытии ранее неизвестного бозона с массой 125,3 ± 0,6 ГэВ /c2[41][42] и ATLAS бозона массой 126,5 ГэВ /c2.[49][50]Используя комбинированный анализ двух режимов распада (известных как «каналы»), оба эксперимента достигли локальной значимости 5 сигм - или менее 1 на миллион шансов того, что статистическая флуктуация будет такой сильной. При учете дополнительных каналов значимость CMS составила 4,9 сигма.[41]

Обе команды работали независимо друг от друга, что означало, что они не обсуждали свои результаты друг с другом, что давало дополнительную уверенность в том, что любой общий результат был подлинной проверкой частицы.[5] Этот уровень доказательств, независимо подтвержденных двумя отдельными группами и экспериментами, соответствует формальному уровню доказательства, необходимому для объявления подтвержденного открытия новой частицы. ЦЕРН был осторожен и заявил только, что новая частица «согласуется» с бозоном Хиггса, но ученые не идентифицировали ее как бозон Хиггса, ожидая дальнейшего сбора и анализа данных.[51]

31 июля коллаборация ATLAS представила дальнейший анализ данных, включая третий канал.[52] Они повысили значимость до 5,9 сигма и описали это как «наблюдение новой частицы» с массой 126 ± 0,4 (стат.) ± 0,4 (сис.) ГэВ /c2. Также CMS повысила значимость до 5 сигм с массой бозона на уровне 125,3 ± 0,4 (стат) ± 0,5 (сис) ГэВ /c2.[53]

14 марта 2013 г. ЦЕРН подтвердил, что:

"CMS и ATLAS сравнили ряд вариантов спиновой четности этой частицы, и все они предпочитают отсутствие спина и даже четность [два фундаментальных критерия бозона Хиггса, согласующиеся со Стандартной моделью]. Это в сочетании с измеренными взаимодействиями новой частицы с другими частицами, убедительно указывает на то, что это бозон Хиггса ».[2]

Идентификация и исследование частицы 2012 года как кандидата в бозон Хиггса

Бозон, объявленный в июле 2012 года, еще не подтвержден как бозон Хиггса. Если бы это был бозон Хиггса, то остались бы вопросы, поскольку несколько теорий имеют разные версии бозона и поля Хиггса.

Таким образом, поиск бозона Хиггса не завершился открытием частицы 2012 года - доказательство того, что частица существует, не является доказательством того, что частица действительно является бозоном Хиггса, или что обнаруженная частица соответствует определенной теории о бозоне Хиггса, или что это не может быть какая-то другая неизвестная частица, которая ведет себя в какой-то степени как бозон Хиггса.

Скорее новая частица возможно бозон Хиггса, и насколько позволяют первые результаты ведет себя как ожидается, что бозон Хиггса будет вести себя, но необходимы дальнейшие тесты для проверки вероятности того, что это действительно бозон Хиггса.

2012 (после открытия)

По состоянию на 2012 год наблюдения согласуются с наблюдаемой частицей, являющейся бозоном Хиггса Стандартной модели. Частица распадается по крайней мере по некоторым из предсказанных каналов. Более того, производительность и коэффициенты ветвления для наблюдаемых каналов совпадают с предсказаниями Стандартной модели в пределах экспериментальных неопределенностей. Однако экспериментальные неопределенности в настоящее время все еще оставляют место для альтернативных объяснений. Поэтому еще слишком рано делать вывод о том, что найденная частица действительно является Стандартной моделью Хиггса.[54]

Дальнейшее подтверждение потребует более точных данных о некоторых характеристиках новой частицы, включая другие каналы ее распада и различные квантовые числа, такие как ее четность. Чтобы обеспечить дальнейший сбор данных, текущий запуск протон-протонных столкновений на LHC был продлен на семь недель, что отложило запланированный длительный останов для модернизации в 2013 году. Есть надежда, что эти дополнительные данные позволят сделать более убедительное заявление о природе новая частица в декабре.[55]

В ноябре 2012 года на конференции в Токио исследователи заявили, что данные, собранные с июля, больше соответствуют базовой Стандартной модели, чем ее альтернативам, а ряд результатов для нескольких взаимодействий соответствует предсказаниям этой теории.[56] Физик Мэтт Страсслер выделяет «значительные» доказательства того, что новая частица не является псевдоскалярной частицей с отрицательной четностью (необходимое открытие для бозона Хиггса), «испарением» или отсутствием повышенного значения для предыдущих намеков на результаты нестандартной модели, ожидаемой Стандартной модели взаимодействие с W- и Z-бозоны, отсутствие «значительных новых последствий» за или против суперсимметрии, и в целом никаких существенных отклонений на сегодняшний день от результатов, ожидаемых от бозона Хиггса Стандартной модели.[57] Однако некоторые виды расширений Стандартной модели также будут давать очень похожие результаты;[58] Основываясь на других частицах, которые все еще остаются изученными еще долгое время после их открытия, может потребоваться много лет, чтобы узнать наверняка, и десятилетия, чтобы понять найденную частицу.[56][57]

Преждевременные сообщения в СМИ о подтверждении наличия бозона Хиггса

В конце 2012 г. Время,[59] Forbes,[60] Шифер,[61] энергетический ядерный реактор,[62] и другие[63] неверно объявил о подтверждении существования бозона Хиггса. Многочисленные заявления первооткрывателей из ЦЕРНа и других экспертов с июля 2012 года подтвердили, что частица была обнаружена, но была обнаружена. нет пока что подтверждено, что это бозон Хиггса. Официально об этом было объявлено только в марте 2013 года.[64] Затем был снят документальный фильм об охоте.[65]

Хронология экспериментальных доказательств

Все результаты относятся к бозону Хиггса Стандартной модели, если не указано иное.
  • 2000–2004 гг. - с использованием данных, собранных до 2000 г., в 2003–2004 гг. Большой электрон-позитронный коллайдер опубликованы статьи, в которых установлена ​​нижняя оценка бозона Хиггса 114,4 ГэВ /c2 на 95% уровень уверенности (CL) с небольшим количеством событий около 115 ГэВ.[14]
  • Июль 2010 г. - данные экспериментов CDF (Fermilab) и DØ (Tevatron) исключают бозон Хиггса в диапазоне 158–175 ГэВ /c2 при 95% CL.[66][67]
  • 24 апреля 2011 г. - в СМИ появились «слухи» о находке; они были развенчаны к маю 2011 года.[68] Они не были розыгрышем, а основывались на неофициальных, непроверенных результатах.[69]
  • 24 июля 2011 г. - LHC сообщил о возможных признаках частицы, в примечании ATLAS говорится: «В диапазоне малых масс (около 120–140 ГэВ) наблюдается избыток событий со значимостью приблизительно 2,8. сигма выше фонового ожидания »и BBC сообщая, что были обнаружены «интересные события с частицами с массой от 140 до 145 ГэВ».[70][71] Вскоре после этого эти открытия были повторены исследователями из Теватрона, а представитель компании заявил, что: «Есть некоторые интригующие вещи, происходящие вокруг массы 140 ГэВ».[70] 22 августа 2011 года было сообщено, что эти аномальные результаты стали несущественными после включения большего количества данных из ATLAS и CMS и что отсутствие частицы было подтверждено столкновениями LHC с достоверностью 95% в интервале 145–466 ГэВ (за исключением для нескольких небольших островов около 250 ГэВ).[72]
  • 23–24 июля 2011 г. - Предварительные результаты LHC исключают диапазоны 155–190 ГэВ /c2 (АТЛАС)[29] и 149–206 ГэВ /c2 (CMS)[30] при 95% CL.
  • 27 июля 2011 г. - предварительные результаты CDF / DØ расширяют исключенный диапазон до 156–177 ГэВ /c2 при 95% CL.[73]
  • 18 ноября 2011 г. - совместный анализ данных ATLAS и CMS еще больше сузил окно допустимых значений массы бозона Хиггса до 114–141 ГэВ.[74]
  • 13 декабря 2011 г. - объявлены результаты экспериментов с АТЛАС и CMS эксперименты, показывающие, что если бозон Хиггса существует, его масса ограничена диапазоном 116–130 ГэВ (ATLAS) или 115–127 ГэВ (CMS), с исключением других масс на 95% CL. Наблюдаемые эксцессы событий с энергиями около 124 ГэВ (CMS) и 125–126 ГэВ (ATLAS) согласуются с наличием сигнала бозона Хиггса, но также согласуются с флуктуациями фона. Глобальные статистические значения превышений составляют 1,9 сигма (CMS) и 2,6 сигма (ATLAS) после поправки на смотреть в другом месте эффект.[31][32]
  • 22 декабря 2011 г. DØ сотрудничество также устанавливает ограничения на массы бозона Хиггса в пределах Минимальная суперсимметричная стандартная модель (расширение Стандартной модели), с верхним пределом для производства в диапазоне от 90 до 300 ГэВ, и исключая tgβ> 20–30 для бозонов Хиггса с массой ниже 180 ГэВ при 95% CL.[22]
  • 7 февраля 2012 г. - обновление декабрьских результатов, эксперименты ATLAS и CMS ограничивают стандартную модель бозона Хиггса, если он существует, диапазоном 116–131 ГэВ и 115–127 ГэВ, соответственно, с той же статистической значимостью, что и раньше.[35][36]
  • 7 марта 2012 г. - DØ и CDF коллаборации объявили, что они обнаружили эксцессы, которые можно было бы интерпретировать как исходящие от бозона Хиггса с массой от 115 до 135 ГэВ /c2 в полной выборке данных из Теватрон. Значимость эксцессов определяется как 2,2. Стандартное отклонение, что соответствует вероятности 1 к 250 из-за статистических колебаний. Это меньшее значение, но оно согласуется с данными ATLAS и CMS на LHC и не зависит от них.[75][76] Этот новый результат также расширяет диапазон значений массы Хиггса, исключенных экспериментами на Тэватроне при 95% CL, который становится 147-179 ГэВ /c2.[37][77]
  • 2 июля 2012 г. - коллаборация ATLAS продолжила анализ своих данных за 2011 г., исключая диапазоны масс Хиггса от 111,4 ГэВ до 116,6 ГэВ, от 119,4 ГэВ до 122,1 ГэВ и от 129,2 ГэВ до 541 ГэВ. Бозоны Хиггса, вероятно, расположены на энергии 126 ГэВ со значением 2,9 сигма.[38] В тот же день коллаборации DØ и CDF также объявили о дальнейшем анализе, повысив свою уверенность в том, что данные между 115–140 ГэВ соответствуют бозону Хиггса до 2,9 сигма, исключая диапазоны масс 100–103 и 147–180 ГэВ.[39][40]
  • 4 июля 2012 г. - коллаборация CMS объявила об открытии бозона с массой 125,3 ± 0,6 ГэВ /c2 в пределах 4,9 σ (сигма) (до 5 сигм в зависимости от анализируемого канала),[41][42] а коллаборация ATLAS - бозон с массой ∼126,5 ГэВ /c2.[49][50]
  • 31 июля 2012 г. - коллаборация ATLAS усовершенствовала свой анализ и объявила об открытии бозона с массой 126 ± 0,4 (стат.) ± 0,4 (сис.) ГэВ /c2.[52] Также CMS повысила значимость до 5 сигм с массой бозона на уровне 125,3 ± 0,4 (стат) ± 0,5 (сис) ГэВ /c2.[53]

статистический анализ

В 2012 году критерий «5 сигм», необходимый учёным на LHC, и лежащий в его основе частотник интерпретация вероятности, вызвала интерес некоторых статистиков, особенно Байесовцы: «пять стандартных отклонений, предполагая нормальность, означают p-значение около 0,0000005 [...] Полностью ли привержено физики элементарных частиц к частотному анализу?».[78] Однако, поскольку исследования на LHC уже были слишком продвинутыми, обсуждение, похоже, не привело к байесовскому повторному анализу данных.

Примечания

  1. ^ Поле Хиггса отвечает не за всю массу, а только за массы элементарных частиц. Например, только около 1% массы барионы (композитные частицы, такие как протон и нейтрон ) происходит из-за механизма Хиггса, который производит инвариантная масса из кварки. Остальное - это масса, добавленная энергия связи квантовой хромодинамики, который представляет собой сумму кинетическая энергия кварков и энергии безмассового глюоны посредничество сильное взаимодействие внутри барионов. Стандартная модель утверждает, что без поля Хиггса элементарные фермионы, такие как кварки и электроны будет безмассовым.[3]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Эллис, Джон; Гайяр, Мэри К .; Нанопулос, Дмитрий В. (2012). "Исторический профиль бозона Хиггса". arXiv:1201.6045 [геп-ph ].
  2. ^ а б О'Луаней, К. (14 марта 2013 г.). «Новые результаты показывают, что новая частица - бозон Хиггса». ЦЕРН. Получено 2013-10-09.
  3. ^ Рао, Ачинтья (2 июля 2012 г.). «Зачем мне бозон Хиггса?». Общедоступный веб-сайт CMS. ЦЕРН. Получено 18 июля 2012.
  4. ^ "Бозон Хиггса: эволюция или революция?". Справочная информация о LHC. ЦЕРН. 13 декабря 2011 г.. Получено 18 июля 2012.
  5. ^ а б c d Поиски бозона Хиггса достигли ключевой точки принятия решения
  6. ^ Главная страница Worldwide LHC Computing Grid 14 ноября 2012 г .: «[A] глобальное сотрудничество более 170 вычислительных центров в 36 странах ... для хранения, распространения и анализа ~ 25 петабайт (25 миллионов гигабайт) данных, ежегодно генерируемых Большим адронным коллайдером»
  7. ^ Что такое всемирная вычислительная сеть LHC? (Общедоступная страница "О нас") В архиве 2012-07-04 в Wayback Machine 14 ноября 2012 г .: «В настоящее время WLCG состоит из более чем 170 вычислительных центров в 36 странах ... WLCG теперь является крупнейшей вычислительной сетью в мире»
  8. ^ а б Эллис, Джон Р .; Гайяр, Мэри К .; Нанопулос, Дмитрий В. (1976). "Феноменологический профиль бозона Хиггса". Nucl. Phys. B. 106: 292. Bibcode:1976НуФБ.106..292Э. Дои:10.1016/0550-3213(76)90382-5.
  9. ^ Coleman, Sidney R .; Вайнберг, Эрик Дж. (1973). «Радиационные поправки как причина спонтанного нарушения симметрии». Физический обзор D. 7 (6): 1888–1910. arXiv:hep-th / 0507214. Bibcode:1973ПХРВД ... 7.1888С. Дои:10.1103 / PhysRevD.7.1888.
  10. ^ Ли, Бенджамин У .; Quigg, C .; Такер, Х. (1977). «Сила слабых взаимодействий при очень высоких энергиях и масса бозона Хиггса». Письма с физическими проверками. 38 (16): 883–885. Bibcode:1977ПхРвЛ..38..883Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.38.883.
  11. ^ Barbiellini, G .; Bonneaud, G .; и другие. (Май 1979 г.). Производство и обнаружение частиц Хиггса на LEP (Технический отчет). DESY 79/27, ECFA / LEP SSG / 9/4.
  12. ^ Х. Баер; и другие. (1986). «Новые частицы» (PDF). В Ellis, J .; Печчеи, Р.Д. (ред.). Физика в LEP. CERNReport 86-02 Vol. 1.
  13. ^ «Эксперименты с LEP: проверка стандартной модели». ЦЕРН. 2008 г.. Получено 24 августа 2012.
  14. ^ а б W.-M. Яо (2006). "Обзор физики элементарных частиц - поиски бозонов Хиггса" (PDF). Журнал физики G. 33 (1): 1. arXiv:Astro-ph / 0601168. Bibcode:2006JPhG ... 33 .... 1л. Дои:10.1088/0954-3899/33/1/001.
  15. ^ Пескин, Майкл Э .; Уэллс, Джеймс Д. (2001). «Как тяжелый бозон Хиггса может соответствовать прецизионным электрослабым измерениям?». Физический обзор D. 64 (9): 093003. arXiv:hep-ph / 0101342. Bibcode:2001ПхРвД..64и3003П. Дои:10.1103 / PhysRevD.64.093003.
  16. ^ Wojcicki, S .; Adams, J .; и другие. (1983). Отчет субпанели 1983 г. по новым объектам для программы США по физике высоких энергий Консультативной группы по физике высоких энергий (Технический отчет). Министерство энергетики США.
  17. ^ Eichten, E .; Hinchliffe, I .; Пер., К .; Куигг, К. (1984). «Физика суперколлайдера». Обзоры современной физики. 56 (4): 579–707. Bibcode:1984РвМП ... 56..579Э. Дои:10.1103 / RevModPhys.56.579.
  18. ^ Gunion, J.F .; Haber, H.E .; Kane, G.L .; Доусон, С. (1990). Руководство охотника Хиггса. Эддисон-Уэсли. ISBN  9780201509359.
  19. ^ а б Уомерсли (сотрудничество DØ), Джон (2002). «Функционирование и физический потенциал Тэватрон Ран II» (PDF). Европейский физический журнал C. 4S1: 12. Дои:10.1007 / s1010502cs112.
  20. ^ «Тэватрон отключается, но анализ продолжается» (Пресс-релиз). Фермилаб. 13 сентября 2011 г.. Получено 25 августа 2012.
  21. ^ Сотрудничество CDF, Сотрудничество D0, Новая физика Tevatron, Рабочая группа Хиггса (2012). «Обновленная комбинация поисков CDF и D0 для производства бозона Хиггса стандартной модели с объемом данных до 10,0 фб-1». arXiv:1207.0449 [hep-ex ].CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  22. ^ а б DØ Collaboration (2012). "Поиск бозонов Хиггса минимальной суперсимметричной стандартной модели в pп столкновения при (√s) = 1,96 ТэВ ". Письма по физике B. 710 (4–5): 569–577. arXiv:1112.5431. Bibcode:2012ФЛБ..710..569Д. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.03.021.
  23. ^ «Руководство ЦЕРНа подтверждает новый график перезапуска LHC». ЦЕРН Пресс-служба. 9 февраля 2009 г.. Получено 20 ноября 2016.
  24. ^ «ЦЕРН сообщает о ходе перезапуска LHC». ЦЕРН Пресс-служба. 19 июня 2009 г.. Получено 20 ноября 2016.
  25. ^ «Промежуточный сводный отчет по анализу инцидента 19 сентября 2008 г. на LHC» (PDF). ЦЕРН. 15 октября 2008 г. СЭД 973073. Получено 2009-09-28.
  26. ^ «ЦЕРН публикует анализ инцидента на LHC» (Пресс-релиз). Пресс-служба ЦЕРН. 16 октября 2008 г.. Получено 20 ноября 2016.
  27. ^ «LHC перезапустится в 2009 году» (Пресс-релиз). Пресс-служба ЦЕРН. 5 декабря 2008 г.. Получено 20 ноября 2016.
  28. ^ "Бюллетень ЦЕРН Выпуск № 18–20 / 2010 ». Cdsweb.cern.ch. 3 мая 2010 г.. Получено 7 декабря 2011.
  29. ^ а б "Комбинированные стандартные модели поиска бозона Хиггса в pp-столкновениях при root-s = 7 ТэВ с экспериментом ATLAS на LHC". 24 июля 2011 г. ATLAS-CONF-2011-112.
  30. ^ а б "Поиск стандартной модели бозона Хиггса в pp-столкновениях при sqrt {s} = 7 ТэВ". 23 июля 2011 г. CMS-PAS-HIG-11-011.
  31. ^ а б «Эксперимент ATLAS представляет последний статус поиска по Хиггсу». ЦЕРН. 13 декабря 2011. Архивировано с оригинал 6 января 2012 г.. Получено 13 декабря 2011.
  32. ^ а б «CMS поиск Стандартной модели бозона Хиггса в данных LHC за 2010 и 2011 годы». ЦЕРН. 13 декабря 2011 г.. Получено 13 декабря 2011.
  33. ^ LHC: бозон Хиггса, возможно, был замечен - BBC News, 13 декабря 2011 г.  – "два эксперимента на БАК видят намёки на то, что Хиггс имеет одинаковую массу, что вызывает огромное волнение" ... «того простого факта, что и Atlas, и CMS, похоже, наблюдают всплеск данных при одинаковой массе, было достаточно, чтобы вызвать огромный ажиотаж в сообществе физиков элементарных частиц».
  34. ^ Пресс-релиз ЦЕРН № 25.11, 13 декабря 2011 г .: Эксперименты ATLAS и CMS показывают статус поиска Хиггса  – «статистическая значимость недостаточно велика, чтобы сказать что-либо убедительное. На сегодняшний день то, что мы видим, согласуется либо с фоновыми колебаниями, либо с присутствием бозона. Уточненный анализ и дополнительные данные, полученные в 2012 году с помощью этой великолепной машины, определенно дадут отвечать"
  35. ^ а б ATLAS Collaboration; Abbott, B .; Abdallah, J .; Абдель Халек, С .; Abdelalim, A.A .; Abdesselam, A .; Абдинов, О .; Abi, B .; и другие. (2012). «Комбинированный поиск бозона Хиггса Стандартной модели с использованием до 4,9 фб-1 данных о столкновениях pp при s = 7 ТэВ с детектором ATLAS на LHC». Письма по физике B. 710 (1): 49–66. arXiv:1202.1408. Bibcode:2012ФЛБ..710 ... 49А. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.02.044.
  36. ^ а б CMS Collaboration; Хачатрян, В .; Сирунян, А.М .; Тумасян, А .; Adam, W .; Bergauer, T .; Dragicevic, M .; Erö, J .; Fabjan, C .; и другие. (2012). «Комбинированные результаты поиска стандартной модели бозона Хиггса в рр-столкновениях при s = 7 ТэВ». Письма по физике B. 710 (1): 26–48. arXiv:1202.1488. Bibcode:2012ФЛБ..710 ... 26С. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.02.064.
  37. ^ а б «Эксперименты Тэватрона сообщают о последних результатах поиска Хиггса». 7 марта 2012 г.
  38. ^ а б Сотрудничество ATLAS (2 июля 2012 г.). «Комбинированный поиск бозона Хиггса Стандартной модели в pp-столкновениях при sqrt (s) = 7 ТэВ с детектором ATLAS». Физический обзор D. 86 (3): 032003. arXiv:1207.0319. Bibcode:2012PhRvD..86c2003A. Дои:10.1103 / PhysRevD.86.032003.
  39. ^ а б «Ученые Tevatron объявляют о своих окончательных результатах по частице Хиггса». Пресс-центр Фермилаб. 2 июля 2012 г.. Получено 2 июля 2012.
  40. ^ а б Сотрудничество CDF и D0 (2 июля 2012 г.). «Обновленная комбинация поисков CDF и D0 для производства бозона Хиггса стандартной модели с объемом данных до 10,0 фб-1». arXiv:1207.0449 [hep-ex ].
  41. ^ а б c d е Тейлор, Лукас (4 июля 2012 г.). «Наблюдение новой частицы с массой 125 ГэВ». Общедоступный веб-сайт CMS. ЦЕРН. Получено 4 июля 2012.
  42. ^ а б c d CMS коллаборация (2012). «Наблюдение нового бозона с массой около 125 ГэВ». CMS-Pas-Hig-12-020.
  43. ^ "Пресс-конференция: новости о поисках бозона Хиггса в ЦЕРН 4 июля 2012 г.". Indico.cern.ch. 22 июня 2012 г.. Получено 4 июля 2012.
  44. ^ «ЦЕРН предоставит обновленную информацию о поиске Хиггса». ЦЕРН. 22 июня 2012 г.. Получено 20 ноября 2016.
  45. ^ "Результаты, связанные с бозоном Хиггса, могут стать квантовым скачком". Times LIVE. 28 июня 2012 г.. Получено 4 июля 2012.
  46. ^ ЦЕРН готовится предоставить результаты исследования частиц Хиггса - Australian Broadcasting Corporation - последнее обращение 4 июля 2012 г.
  47. ^ Частица Бога наконец открыта? В новостях о бозоне Хиггса в Cern даже будет фигурировать ученый, в честь которого он назван
  48. ^ Хиггс в пути, теории сгущаются
  49. ^ а б "Последние результаты поиска ATLAS Higgs". Новости ATLAS. ЦЕРН. 4 июля 2012 г. Архивировано с оригинал 7 июля 2012 г.. Получено 4 июля 2012.
  50. ^ а б Коллаборация ATLAS (2012). «Наблюдение избытка событий в поисках стандартной модели бозона Хиггса с помощью детектора ATLAS на LHC». Атлас-Конф-2012-093.
  51. ^ «Эксперименты в ЦЕРНе наблюдают частицу, соответствующую долгожданному бозону Хиггса». Пресс-релиз ЦЕРН. 4 июля 2012 г.. Получено 20 ноября 2016.
  52. ^ а б Коллаборация ATLAS; Абаджян, Т .; Abbott, B .; Abdallah, J .; Абдель Халек, С .; Abdelalim, A.A .; Абдинов, О .; Aben, R .; Abi, B .; Abolins, M .; Abouzeid, O.S .; Abramowicz, H .; Abreu, H .; Acharya, B.S .; Adamczyk, L .; Adams, D.L .; Addy, T.N .; Adelman, J .; Adomeit, S .; Adragna, P .; Adye, T .; Aefsky, S .; Aguilar-Saavedra, J.A .; Agustoni, M .; Aharrouche, M .; Ahlen, S.P .; Ahles, F .; Ахмад, А .; Ahsan, M .; и другие. (2012). «Наблюдение новой частицы в поисках стандартной модели бозона Хиггса с помощью детектора ATLAS на LHC». Письма по физике B. 716 (1): 1–29. arXiv:1207.7214. Bibcode:2012ФЛБ..716 .... 1А. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.08.020.
  53. ^ а б CMS сотрудничество; Хачатрян, В .; Сирунян, А. М .; Тумасян, А .; Adam, W .; Aguilo, E .; Bergauer, T .; Dragicevic, M .; Erö, J .; Fabjan, C .; Friedl, M .; Frühwirth, R .; Гете, В. М .; Hammer, J .; Hoch, M .; Hörmann, N .; Hrubec, J .; Jeitler, M .; Kiesenhofer, W .; Knünz, V .; Krammer, M .; Krätschmer, I .; Liko, D .; Majerotto, W .; Mikulec, I .; Pernicka, M .; Rahbaran, B .; Rohringer, C .; Rohringer, H .; и другие. (2012). «Наблюдение нового бозона с массой 125 ГэВ в эксперименте CMS на LHC». Письма по физике B. 716 (1): 30–61. arXiv:1207.7235. Bibcode:2012ФЛБ..716 ... 30С. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.08.021.
  54. ^ «Бозоны Хиггса: теория и поиски» (PDF). PDGLive. Группа данных по частицам. 12 июля 2012 г.. Получено 15 августа 2012.
  55. ^ Гиллис, Джеймс (23 июля 2012 г.). «Прогон протонов на LHC 2012 продлен на семь недель». Бюллетень ЦЕРН. Получено 29 августа 2012.
  56. ^ а б «Бозон Хиггса ведет себя так, как ожидалось». 3 Новости NZ. 15 ноября 2012 г.
  57. ^ а б Результаты Хиггса в Киото - Персональный веб-сайт Штрасслера по физике элементарных частиц.
  58. ^ Образец, Ян (2012-11-14). «Частица Хиггса выглядит как болотный бозон Стандартной модели, - говорят ученые». Хранитель. Лондон. Получено 15 ноября 2012.
  59. ^ «Человек года 2012». Время. 19 декабря 2012 г.
  60. ^ Кнапп, Алекс. «Открытие бозона Хиггса подтверждено». Forbes. Получено 27 октября 2017.
  61. ^ http://www.slate.com/blogs/trending/2012/09/11/higgs_boson_confirmed_cern_discovery_passes_test.html
  62. ^ https://www.npr.org/2013/01/01/168208273/the-year-of-the-higgs-and-other-tiny-advances-in-science
  63. ^ «Подтверждено: бозон Хиггса действительно существует». Sydney Morning Herald.
  64. ^ "Руководитель AP CERN: поиски бозона Хиггса могут завершиться к середине года". MSNBC. Ассошиэйтед Пресс. 2013-01-27. Получено 20 февраля 2013. Рольф Хойер, директор [CERN], сказал, что уверен, что «к середине года мы будем там». - Интервью AP на Всемирном экономическом форуме, 26 января 2013 г.
  65. ^ Лихорадка частиц - даже не неправильно math.columbia.edu
  66. ^ Т. Аалтонен (CDF и DØ Collaborations) (2010). "Комбинация Tevatron ищет стандартную модель бозона Хиггса в W+W− режим распада ». Письма с физическими проверками. 104 (6): 61802. arXiv:1001.4162. Bibcode:2010PhRvL.104f1802A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.104.061802. PMID  20366812.
  67. ^ «Эксперименты в Фермилабе сужают допустимый диапазон масс для бозона Хиггса». Фермилаб. 26 июля 2010 г.. Получено 26 июля 2010.
  68. ^ Брамфил, Джефф (2011). "Коллайдер, который кричал" Хиггс'". Природа. 473 (7346): 136–7. Bibcode:2011Натура.473..136Б. Дои:10.1038 / 473136a. PMID  21562534.
  69. ^ Баттерворт, Джон (24 апреля 2011 г.). "Хранитель", слухи о Хиггсе в Атласе"". Лондон: Guardian. Получено 7 декабря 2011.
  70. ^ а б Ринкон, Пол (24 июля 2011 г.). «Намеки на бозон Хиггса также были замечены в американской лаборатории». Новости BBC. Получено 13 декабря 2011.
  71. ^ "Комбинированные стандартные модели поиска бозона Хиггса в pp-столкновениях при √s = 7 ТэВ с экспериментом ATLAS на LHC" Записка ATLAS (24 июля 2011 г.) (pdf) Сотрудничество ATLAS. Проверено 26 июля 2011 года.
  72. ^ Гош, Паллаб (22 августа 2011 г.). «Диапазон бозона Хиггса сужается на европейском коллайдере». Новости BBC. Получено 13 декабря 2011.
  73. ^ CDF & D0 Сотрудничество; Сотрудничество; Новые явления Теватрона; Рабочая группа Хиггса (27 июля 2011 г.). «Комбинированные верхние пределы CDF и D0 для производства бозона Хиггса стандартной модели с объемом данных до 8,6 фб-1». arXiv:1107.5518 [hep-ex ].
  74. ^ Брамфил, Джефф (18 ноября 2011 г.). «Хант Хиггс переходит в финал». Новости природы. Получено 22 ноября 2011.
  75. ^ Бозон Хиггса в фокусе, говорят ученые (+ видео). CSMonitor.com (7 марта 2012 г.). Проверено 9 марта 2012 года.
  76. ^ Лемоник, Майкл Д. (22 февраля 2012 г.) Бозон Хиггса: наконец-то найден?. ВРЕМЯ. Проверено 9 марта 2012 года.
  77. ^ Прощай, Деннис (7 марта 2012 г.). "Данные о гипотетической частице, ключе к массе Вселенной". NYT. Получено 7 марта 2012.
  78. ^ О'Хаган, Тони (2012). "Бозон Хиггса - Дайджест и обсуждение" (PDF). Получено 25 декабря 2014.