Что обнаружил самый мощный в мире коллайдер и может еще найти.
«Инновация - это сочетание двух уже существующих вещей и их нового сочетания». - Том Фрестон
В этом смысле Вселенная является - совершенно спонтанно - абсолютным новатором. Ибо все, что существует, было составлено из горячего, плотного, хаотического состояния, в котором когда-то в большом изобилии существовали только фундаментальные, индивидуальные и безмассовые частицы (и античастицы).
История о том, как мы перешли из этого состояния в то, в котором находимся сейчас, в котором мы живем во Вселенной, которая:
- состоит из материи, а не из антиматерии,
- усеян звездами, галактиками, скоплениями и огромными космическими пустотами,
- содержит сотни различных атомных ядер, которые связываются вместе в миллиарды молекулярных конфигураций, и
- породил невообразимую сложность, естественно, в том числе многообразие жизни, возникшей на Земле,
- самая замечательная история, которая когда-либо была рассказана. Это история самой Вселенной.
С учетом всего сказанного, важно признать, что все эти огромные богатства, которые Вселенная преподносит нам, происходят из нескольких простых законов и взаимодействий - сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействий - и семнадцать фундаментальных частиц, которые бывают нескольких разновидностей, если учесть их цветовой заряд и их аналоги-античастицы.
Только с появлением Большого адронного коллайдера (БАК) мы нашли последний и самый неуловимый: бозон Хиггса. Это была огромная международная попытка сделать это, и это была последняя неоткрытая частица в Стандартной модели. Не было дано и того, что она будет существовать, поскольку это единственная частица своего типа: фундаментальный скаляр с нулевым спином. Тем не менее, мы знаем, что Стандартная модель не может быть всей историей Вселенной; есть еще неразгаданные тайны. Будем надеяться, что перезапуск БАК и последующие более высокие энергии помогут нам ответить на некоторые из них.
Итак, как мы сюда попали, и что мы ищем дальше? Я рад объявить, что после успеха нашей последней прямой трансляции от Института Периметра, Starts With A Bang будет вести и вести эксклюзивную прямую трансляцию публичного выступления Джона Баттерворта на тему «Самая разыскиваемая частица».
Джон - фантастический ученый, который работает над экспериментом ATLAS в ЦЕРНе, профессор Университетского колледжа Лондона, страстный научный коммуникатор, и его должно быть интересно слушать и смотреть.
Если хотите предварительный просмотр, вот трейлер доклада, вот Джон говорит о сталкивающихся частицах, а вот Джон говорит о самом открытии Хиггса.
Так как же вы можете одновременно смотреть выступление и быть в курсе живого блога? Обновление пост-беседы: теперь, когда выступление окончено, просто посмотрите его ниже и обратите внимание, что время начала прямой трансляции в блоге соответствует 16:00. разговоров!
www.youtube.com/embed/zaIa7DWK3o8
Начнем живой блог!
Обновление, 15:45: Надеюсь, все хорошо поработали, избежав первоапрельских махинаций, которые я поощряю всем, чтобы избежать всего интернета. Но добро пожаловать в живой блог Института Периметра, где Джон Баттерворт ведет доклад о самой разыскиваемой частице, который, я надеюсь, будет не только о бозоне Хиггса, но и о том, чего физики действительно хотят больше всего: потенциальном открытии частицы, которой нет в наша Стандартная модель!
Скоро узнаем!
Обновление 15:50: Воспоминания о первоначальном объявлении об открытии бозона Хиггса обеими основными коллаборациями (ATLAS и CMS) на Большом адронном коллайдере.
ATLAS был первым, объявив об открытии нового массивного бесзарядного скалярного бозона при 126 ГэВ со значением 4,9 сигма, а CMS - следующим и объявил то же самое при 125 ГэВ со значением 5,0 сигма. Это был переломный момент и первое подтвержденное обнаружение бозона Хиггса. Любопытно, что с этим открытием мы можем вернуться к нашим старым данным и обнаружить, что первый бозон Хиггса, созданный на коллайдере, вероятно, был создан еще в Фермилабе в 1988 году! Но вам нужна статистика, чтобы доказать обнаружение, а мы добрались до нее только в 2012 году.
Обновление 15:55: Приступая к разговору, мы знаем, что существует новая частица с энергией 126 ГэВ (плюс-или- минус 1 ГэВ или около того), но действительно ли это бозон Хиггса? Он должен иметь нулевой спин и точно такие же распады в правильных соотношениях, которые предсказывает стандартная модель. Это должен быть единственный бозон Хиггса, поскольку некоторые варианты предсказывают многие другие. И это не может быть составная частица.
Думаем ли мы, что все это правда? Да, но нам нужен БАК и дополнительные данные, статистика и многое другое, чтобы знать наверняка. Иногда величайшие открытия происходят из-за неожиданной интуиции. Следите за обновлениями.
Обновление 15:58: Также не думайте, что Стандартная модель - это все, что существует. Мы еще многого не понимаем, в том числе почему у нейтрино есть масса (и почему у них такие массы), почему нет сильного CP-нарушения, как в слабом секторе, почему такое большое (6 частей на 10^10) асимметрии материи-антиматерии во Вселенной и почему массы всех частиц намного меньше масштаба Планка. Стандартная модель не объясняет ничего из этого, и - если нам повезет - ответы на эти вопросы также могут появиться или намеки на ответы могут появиться на БАК в ближайшие пару лет.
Обновление 15:59: ВЫ ЕЩЁ НЕ ВОЛНУЛИСЬ?!
Обновление 16:01: Началось!
Будьте активны в сети, задавайте вопросы и используйте хэштеги; так приятно слышать вступление, поощряющее это. Еще лучше услышать, что они проработали звук!
Обновление 16:03: Джон Баттерворт вот-вот начнет; только что был награжден премией Чедвика. Для тех, кто не знает, Чедвик открыл нейтрон, доказав, что существует нечто большее, чем просто протоны и электроны, составляющие атомы и вещество, с которым мы все знакомы. На самом деле это было первое жизненно важное экспериментальное свидетельство, которое увело нас от «атомов» к Стандартной модели.
Обновление 16:05: Изображения БАК, которые он показывает с воздуха, настолько отличаются от изображения на предыдущей записи обладатель энергии (и мой первый работодатель-физик в 1997 г.): Fermilab.
Обратите внимание, что с воздуха не видно, где находится БАК; они приняли решение использовать неиспользуемую землю для строительства Фермилаб, чтобы они могли обозначить присутствие над землей. БАК находится полностью под землей, поэтому нам нужно «нарисовать» воображаемую линию, чтобы визуализировать, где он находится.
Обновление 16:10: Баттерворт говорит о пределах того, насколько энергичной может стать частица, и это определяется только двумя вещами.: магнитное поле, которое вы прикладываете, и размер кольца. Для тех из вас, кто задается вопросом, почему мы не используем электроны вместо протонов, которые были бы отдельными (чистыми) частицами вместо составных частиц (состоящих из кварков и глюонов), если вы получаете частицу, движущуюся с достаточно большой энергией для отношение массы, он начинает спонтанно излучать излучение, когда его изгибает магнитное поле: синхротронное излучение.
Поскольку протоны в 1836 раз тяжелее электронов, на БАК этими эффектами можно пренебречь. Но с оборудованием того же размера и мощности электроны и позитроны будут ограничены энергией примерно в 100 раз меньшей, чем в этом году достигнет БАК.
Обновление 16:14: Интересный факт: большинство протонов, движущихся по этому кольцу, пропускают друг друга, столкновения относительно редки.
Что еще безумнее? Столкновения происходят настолько часто каждые 90 наносекунд , что скорость света означает, что мы физически не можем записать все данные! Все, что мы можем сделать, это сразу отбросить 99,9% данных как «неинтересные» и запустить запись наиболее интересных 0,1%, и даже тогда мы можем записать только около 0,1% этих данных, которые проходят определенные тесты. Итак, сразу же мы отбрасываем 999 999 из каждых 1 000 000 столкновений.
К счастью, мы исследовали «большую часть» того, что очень хорошо получалось на других коллайдерах с более низкой энергией в прошлом. Только самые новые и самые энергичные вещи отодвинут границы физики.
Обновление 16:18: Почему мюоны оставляют такие длинные прямые следы, которых нет у других частиц? Три причины вместе:
- Они долгожители; из всех нестабильных частиц нейтроны живут 15 минут, но мюоны занимают второе место по продолжительности жизни - около 2,2 микросекунды. Это долго, когда вы двигаетесь со скоростью, близкой к скорости света!
- Они тяжелее электронов: в 206 раз тяжелее. (Столько же, сколько костей в теле взрослого человека.) Таким образом, в то время как электроны сильно изгибаются в магнитном поле детектора, мюоны не изгибаются.
- И, наконец, его сечение с веществом мало, в отличие от протонов, нейтронов, пионов и других барионов и мезонов.
Так вот почему вам нужны эти большие детекторы мюонов далеко от точки столкновения.
Обновление 16:25: Просто, но глубоко: зачем идти на высокие энергии с нашими ускорителями?
Потому что для того, чтобы видеть все меньшие и меньшие объекты, требуются все более короткие волны. Точно так же, как ваши глаза хороши для того, чтобы видеть черты лица, но плохо для того, чтобы видеть атомы, низкие энергии хороши для исследования атомной физики, но ужасны для исследования субатомных частиц. Чтобы добраться до мельчайших, самых фундаментальных частиц, нам нужно перейти к более высоким энергиям.
Обновление 16:26: Бозон «Зед». О, Strong Bad, как же я скучаю по твоим шуткам про "zee" и "zed".
Обновление 16:33: Что такое поле Хиггса? Он находит интересную аналогию из физики конденсированного состояния: представьте себе упорядоченный набор магнитных диполей (полюсов север-юг) слева и неупорядоченный, случайный набор справа.
Правая, на удивление, более симметрична: она примерно одинакова со всех сторон. Но есть только определенные направления, на которые похоже то, что слева, и это то, на что больше похоже поле Хиггса: если вы сделаете «пульсацию» в одном бите этого поля, все остальное откликнется на него. В то время как справа это все равно будет выглядеть как случайный беспорядок.
Обновление 16:40: Очень абстрактно приводить сюда диаграммы Фейнмана и квантовую теорию поля, но он пытается объяснить, как вы бозона Хиггса, и тот факт, что если столкнуть электрон и позитрон вместе, они могут взаимодействовать не только электромагнитным образом, но и посредством слабого взаимодействия, в частности, через Z-бозон. (Zee от меня, Zed от канадца.)
Но Z-бозон массивен, а фотон безмассов. Так что же происходит? Если вы столкнетесь с электроном и позитроном при нужной энергии - при массе Z-бозона - вы увидите влияние массивной частицы.
Это та же аналогия, что и в том, как мы пытаемся найти бозон Хиггса, и почему мы ищем «выпуклость» в различных вещах, которые он может произвести.
Обновление 16:42: Таким образом, если вы получаете дополнительный скачок в ваших данных при определенной энергии, вы ожидаете, что будет новая частица! Потребовались годы, чтобы на БАК было собрано достаточно данных, чтобы получить этотвыброс.
Обратите внимание на все другие незначительные отклонения от «предыстории» и на то, сколько данных вам нужно, чтобы создать такую крошечную «выпуклость».
Обновление 16:45: Очень важная часть здесь: Джон Баттерворт говорит, что наиболее убедительной частью информации было то, что CMS - другая Детектор - с совершенно независимой технологией и данными обнаружил тот же сигнал при той же энергии с той же значимостью. Вот как работает наука: вам нужно независимое подтверждение, чтобы убедиться, что эффект является реальным, а не артефактом вашего эксперимента. Вот почему «нейтрино быстрее скорости света» никогда не воспринимались всерьез, потому что это никогда не могли подтвердить независимые группы, но все признают существование этой новой частицы.
Обновление 16:49: Итак, вот где я хотел быть: где мы сейчас?! У нас есть все частицы Стандартной модели, так что же дальше? Он вывешивает эту милую картинку:
Мы не уверены на 100% во многих вещах:
- самодействие Хиггса,
- время жизни бозона Хиггса (очень сложно измерить время жизни 10^-25 с),
- каковы его коэффициенты ветвления (насколько он распадается на верхние кварки, нижние, электроны, нейтрино и т. д.),
- является ли бозон Хиггса составной частицей (не то, чтобы мы могли видеть, но очень трудно это исследовать; мы можем только наложить ограничения),
- и существуют ли множественные частицы Хиггса?
Это последнее предсказание суперсимметрии (SUSY), и если оно имеет отношение к решению проблемы иерархии (почему массы частиц Стандартной модели намного меньше масштаба Планка), мы должны найти по крайней мере, еще один на БАК в течение следующих нескольких лет.
Обновление 16:52: Он упускает из виду один важный момент: когда Хиггс был впервые обнаружен, мы не измеряли его вращение, потому что мы не видели определенных распадов. Мы видели, как она распалась на две частицы со спином=1, но у вас может быть 1 + 1=2 или 1-1=0, поэтому могло случиться так, что эта новая частица (бозон Хиггса?) имела спин=2 или спин=0.. Но впоследствии мы видели, как он распадается на две частицы со спином=½, что может означать ½+½=1 или ½-½=0.
Ну, если один и тот же объект распадается на две частицы со спином=1 и две частицы со спином=½, он может иметь только спин=0, и, следовательно, мы знаем, что он обладает ожидаемыми свойствами!
Обновление 16:55: «Асимметрия материи-антиматерии, темная материя, темная энергия, объединение, проблема иерархии…» нерешенные проблемы, которые, как он знает, должны быть решены. Даст ли БАК убедительные подсказки к любому из них?
Ну, размер БАК представлен кругом, показанным красной стрелкой; предлагаются другие, более крупные (и, следовательно, более энергичные) коллайдеры. Но найдут ли они что-нибудь новое?
Это потенциально ужасно, но новых частиц может не быть на многие порядки величиныэнергии, поэтому Стандартная модель может быть все мы найдем, даже если построим ускоритель размером с планету Земля!
Обновление 16:59: Мы закончили вовремя, и теперь вопросы и ответы. Первый: может ли БАК производить темную материю? Он говорит только о возможности SUSY, которая даст вам «недостающую энергию», что похоже на нейтрино. Но если бы вы увидели «выпуклость» в вашем отсутствующем энергетическом спектре (по сравнению с тем, что вы предсказываете только для нейтрино), это было бы вашим доказательством.
Обновление 17:02: Каково происхождение электрического заряда? Этот подходит! Он может говорить с вами о сохранении электрического заряда, но почему он квантуется? Почему он дискретный? Почему у электронов заряд «-1», а у кварков дробный заряд? И почему - при тех же правилах - нет магнитных зарядов? Он не приводит «самый верный» ответ, который у нас есть: мы не знаем
Обновление 17:03: Доказательств существования антивещества на самом деле подавляющее из всех частиц стандартной модели, у которых есть античастицы, то есть все фермионы (кварки, заряженные лептоны, нейтрино), мы на самом деле непосредственно обнаружили все предсказанные античастицы.
И это все для разговора и вопросов и ответов! Спасибо Джону Баттерворту за отличный доклад; честно говоря, он довел нас до сегодняшних пределов наших знаний, я просто хочу, чтобы их было больше!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!