Til sidst opdager fysikere berømte Higgs Boson

MEYRIN, SCHWEIZ - Den lange ventetid er forbi. I dag rapporterede fysikere, der arbejder med verdens største atomknusere her på det europæiske partikelfysiklaboratorium, CERN, at de har opdaget den længe søgte Higgs boson - den sidste manglende bit i deres standardmodel af grundlæggende partikler og kræfter og nøglen til deres forklaring på, hvordan alle de andre grundlæggende partikler får deres masse.

Opdagelsen opfylder en 48 år gammel forudsigelse og markerer en signal intellektuel præstation. Men selv som fysikere fejrer, rejser opdagelsen bekymringer blandt nogle om, at der måske ikke forbliver nogen ny fysik, der kan opdages med atomknuseren. For partikelfysik kan opdagelsen af ​​Higgs være slutningen af ​​vejen.

Dataene kommer fra Large Hadron Collider (LHC), en 27 kilometer lang underjordisk partikelaccelerator, der cirkler under den fransk-schweiziske grænse nær Genève. LHC smadrer protoner sammen med enorm energi til at sprænge til eksistens nye og flygtige subatomære partikler. Protonerne kolliderer inden i to store partikeldetektorer, kaldet ATLAS og CMS, der jager Higgs. Eventuelle Higgs-bosoner, der oprettes i dem, bør henfalde til bestemte kombinationer af partikler, der er synlige for detektorerne. I dag præsenterede begge ATLAS- og CMS-holdene deres seneste data til Higgs-søgningen på et specielt seminar på CERN. Og begge hold ser i det væsentlige definitive signaler.

For eksempel ser de ca. 3000 forskere, der arbejder på CMS-detektoren, tydelige tegn på, at Higgs henfalder til to fotoner. Fra energien fra de to fotoner kan fysikere udlede massen af ​​deres formodede forælderpartikel. Og når CMS-forskere skitserer masserne af de udledte partikler, ser de en klar top oven på en baggrund produceret af tilfældige fotonpar (se figur). Denne top signaliserer tilstedeværelsen af ​​en Higgs-lignende partikel med en masse på 125 giga-elektron volt (GeV), eller ca. 133 gange protonens masse, som Joseph Incandela, en fysiker ved University of California, Santa Barbara, og talsmand for CMS-teamet fortalte et pakket auditorium på CERN.

CMS-forskere ser også bevis for, at Higgs henfalder i et par partikler kaldet W-bosoner eller et par partikler kaldet Z-bosoner, rapporterede Incandela. Disse massive partikler transporterer den svage atomkraft på nøjagtigt den samme måde som fotoner overfører den elektromagnetiske kraft. Inkluderet henfald i endnu flere kombinationer af velkendte partikler, efterlader dataene lille tvivl om, at den Higgs-lignende partikel er der. Chancerne for, at tilfældige statistiske udsving kan give sådanne signaler, er bare et hår, der er højere end det vilkårlige niveau på 1 til 3, 5 millioner, som partikelfysikere klipper til for en officiel opdagelse den såkaldte 5-sigma-standard.

ATLAS-teamet ser en lignende top i massegruppen for Higgses, der forfaldt til fotonpar, rapporterede Fabiola Gianotti, fysiker ved CERN og talsmand for ATLAS-eksperimentet. Og ATLAS-forskere ser også, at Higgs forfalder i Z-bosoner og andre kombinationer af partikler. Samlet opfylder ATLAS's signaler bare 5-sigma opdagelsesstandarden, rapporterede Gianotti og tjente øjeblikkelig bifald.

Ved afslutningen af ​​seminaret hilste fysikere resultaterne med en langvarig ovation og kæmper med godkendelse. ”Jeg tror, ​​vi har det, ” sagde CERNs generaldirektør Rolf Dieter Heuer. "Du er enig?" Peter Higgs, den 83-årige teoretiker fra University of Edinburgh i Det Forenede Kongerige, der forudsagde bosonens eksistens i 1964, og som var klar til begivenheden, sagde: "Jeg vil gerne takke eksperimenterne. Jeg gjorde ikke ' Jeg tror, ​​jeg ville se dette i min levetid. "

Fysikere er stadig nødt til at teste, om den observerede partikel nøjagtigt har de egenskaber, som standardmodellen forudsiger den skal, understreger John Ellis, en teoretiker ved King's College London. For eksempel skal forskere sammenligne de relative hastigheder, hvormed Higgses nedbrydes til forskellige kombinationer af partikler, da disse satser er forudsagt af teori. Men det faktum, at partiklen blev opdaget gennem de forudsagte forfald i første omgang antyder, at den ikke kan være for vildt forskellig fra standardmodellen Higgs, erkender Ellis.

Hvis det virkelig er Higgs-boson, vil opdagelsen opfylde en forudsigelse, der blev gjort for flere årtier siden af ​​Higgs, selvom andre udviklede nogle af de samme grundlæggende ideer på omtrent samme tid. Det ville være det nyeste i en håndfuld dybe forudsigelser fra partikelfysikere. For eksempel forudsagde teoretikere i 1970 eksistensen af ​​en partikel kaldet charmerkvarken; to eksperimenter opdagede uafhængigt partiklen i 1974, som de modtog Nobelprisen i fysik 2 år senere. I 1968 forudsagde teoretikere eksistensen af ​​W- og Z-bosoner; i 1983 blev disse partikler også opdaget. I dette tilfælde vandt teorien bag forudsigelsen Nobelprisen i 1979, og opdagelsen vandt den i 1984.

Forudsigelse og opdagelse af Higgs boson er lige så vigtig som W og Z, siger Stuart Raby, en teoretiker ved Ohio State University, Columbus. ”Det er bestemt på lige fod, ” siger han. "Det er bestemt lige så grundlæggende."

Nu hvor standardmodellen for partikelfysik er komplet, er et nøglespørgsmål, om nye partikler ligger inden for rækkevidde af LHC eller en hvilken som helst atomkraftsvinder med højere energi, der måtte komme efter det. Fysikere siger, at konceptuelle huller i standardmodellen kraftigt antyder, at teorien er ufuldstændig. I standardmodellen burde interaktion mellem Higgs og de andre partikler for eksempel tvinge massen af ​​Higgs til at skyrocket til en værdi, der er en billion gange større. Alligevel sker det ikke. Så de fleste fysikere har mistanke om, at der er nye partikler derude, der på en eller anden måde modvirker ballonering af Higgs-massen.

Men vil sådanne partikler have tilstrækkelig lave masser til at blive opdaget med nogen tænkelig menneskeskabt atomknusere? "Der er absolut ingen garanti, " siger Steven Weinberg, en teoretiker ved University of Texas, Austin, der delte Nobelprisen 1979 for teorien bag W og Z. "Mit mareridt, og det er ikke bare mig, men meget af os [inden for partikelfysik], er at LHC opdager Higgs boson og intet andet, ”siger Weinberg. "Det ville være som at lukke en dør."

Men de fleste fysikere siger, at de er optimistiske, at nu, hvor LHC har opdaget Higgs, vil andre mere overraskende opdagelser følge. For øjeblikket er opdagelsen af ​​Higgs en drøm.

* Historien er revideret for at korrigere året, hvor Nobelprisen i fysik hædrede teorien bag W- og Z-bosonerne fra 1972 til 1979.