Higgs Boson

Higgs Boson (nebo BEH) Obrázek v Infoboxu. Události kandidátů Higgsova bosonu při srážkách protonů na LHC . Nahoře, v experimentu CMS , se rozpad dvou fotonů zeleně. Níže, v experimentu ATLAS , rozpad na čtyři miony červeně. Obecné vlastnosti
Klasifikace elementární částice
Složení základní
Rodina boson
Skupina elektroslabé Higgsovo pole
Symbol H 0
Fyzikální vlastnosti
Hmotnost

125,38 ± 0,14 GeV (CMS 2020)

125,35  ±  0,15  GeV (CMS 2019)
124,97  ±  0,24  GeV (ATLAS 2018)
125,03+0,26
−0,27( stat )+0,13
−0,15( sys )  GeV  c −2 (CMS 2014)
125,36 ± 0,37 (stat) ± 0,18 (sys)  GeV c −2 (ATLAS 2014)
Elektrická nabíječka 0  ° C
Barevný náboj 0
Roztočit 0
Parita +1
Život 1,56 × 10 −22  s ( standardní model )
Historický
Předpověď François Englert a Robert Brout
Peter Higgs
G. Guralnik , Carl Richard Hagen a Thomas Kibble (1964)
Objev 4. července 2012 (inzerát)
15. března 2013 (potvrzení)

Higgsův boson , také známý jinými jmény jako Beh bosonu nebo God částice , je elementární částice , jejíž existenci, nezávisle postuloval v roce 1964 by François Englert a Robert Brout , podle Peter Higgs a Gerald Guralnik , Carl Richard Hagen a Thomas granulí , pomáhá vysvětlit lámání na sjednocené elektroslabé interakce do dvou interakcí přes Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-granule mechanismu a tím vysvětlit, proč některé částice hmoty a jiné ne. Jeho existence byla experimentálně potvrzena v roce 2012 díky použití LHC a v roce 2013 vedla k udělení Nobelovy ceny za fyziku Françoisovi Englertovi a Peteru Higgsovi .

Boson Higgs kvantový z Higgs pole , dává hmotnost bez vynulování bosons měřidla na slabé interakce ( W a Z bosonu ), propůjčením vlastnosti odlišné od těch bosonu na elektromagnetické interakce , na foton .

Tato elementární částice představuje jeden ze základních kamenů standardního modelu částicové fyziky . Znalost jeho vlastností může také orientovat výzkum mimo standardní model a připravit cestu pro objev nové fyziky , jako je supersymetrie nebo temná hmota .

The 4. července 2012„ CERN na konferenci oznamuje, že s úrovní spolehlivosti 99,999 97% (5 σ ) identifikoval nový boson v masové oblasti řádově 125–126 GeV c −2 , který se zdá být kompatibilní s úrovní  bosonu  Higgsův boson. Oznámení je následováno,17. září 2012Podle publikace dvou článků v časopise Physics Letters B . The15. března 2013„CERN potvrzuje, že se vší pravděpodobností jde skutečně o Higgsův boson.

Symbol

Symbol pro Higgsův boson je H 0 .

Popis

Standardní model částicové fyziky předpovídá pouze existenci jediného Beh boson: je označována jako „standardní Higgsova bosonu“ . Z teorií za standardním modelem , jako supersymetrie , umožnit existenci několika bosonů tento typ údajů o hmotnosti a různé vlastnosti .

Experimentální výzkum

Hledání skalárního bosonu (neboli Higgsova bosonu) je jednou z priorit LHC , následného urychlovače částic LEP v CERN , který funguje od roku10. září 2008. Stav výzkumu vprosince 2011neumožňuje dospět k závěru o existenci Higgsova bosonu, ale během semináře pořádaného v CERNu je podporováno, že jeho vlastní energie, pokud existuje, musí podle experimentů ATLAS pravděpodobně ležet v rozmezí 116 - 130  GeV a 115 - 127 GeV podle údajů CMS . LHC nebo Tevatron ( protonový antiprotonový urychlovač ) mohl objevit Higgsův boson, který vyhovuje standardnímu modelu, nebo pět Higgsových bosonů (tři neutrální a dva nesoucí elektrické náboje) v závislosti na predikci supersymetrického modelu .  

V očekávaném oficiálním oznámení má CERN 4. července 2012, potvrdila médiím existenci, s dostatečnou pravděpodobností 5  σ jistoty (odpovídá 99,999 9%), částice, která vykazuje vlastnosti shodné s těmi, které se očekávají od Higgsova bosonu. K definitivnímu potvrzení, které nezpochybňuje velmi pravděpodobnou povahu tohoto objevu, je třeba změřit další vlastnosti, zejména rychlost a způsoby rozpadu této částice. Tato identifikace tedy ještě neznamená, že je nutně objeven Higgsův boson; pravděpodobně to bude trvat ještě několik let výzkumu, než se to podaří.

Dne 14. března 2013 vydal CERN tiskovou zprávu, ve které naznačil, že nově objevený boson „vypadá čím dál víc“ jako Higgsův boson, i když ještě není jisté, zda jde o Higgsův boson standardního modelu .

The 28. srpna 2018Fyzici CERN oznamují, že pomocí detektorů Atlas a CMS detekovali rozpad bosonu na pár spodních kvarků, čímž potvrzují standardní model.

Zásada

Existence skalárního bosonu (Higgs) je příliš krátká na to, aby ji bylo možné přímo detekovat: můžeme jen doufat, že pozorujeme jeho produkty rozpadu, nebo dokonce produkty rozpadu těchto. Události zahrnující obyčejné částice mohou navíc produkovat signál podobný tomu, který produkuje Higgsův boson.

Částice lze navíc v detektoru pozorovat pouze při energiích větších nebo rovných vlastní hmotnosti . Je navíc nevhodné hovořit o hmotě pro takovou částici, protože v modelu hmota již není vnitřní charakteristikou částic, ale měřítkem jejich interakcí s Higgsovým polem .

A konečně, složitost jevů podílejících se jak na výrobě, tak na detekci těchto bosonů vede k úvahám spíše z hlediska statistiky než z hlediska formální 100% identifikace bosonu.

Aby bylo možné uplatnit objev ve fyzice částic, musí být pravděpodobnost chyby menší než 0,00006%, což odpovídá intervalu spolehlivosti 5  σ . Z takového statistického přístupu tedy vyplývá, že k dosažení těchto úrovní pravděpodobnosti dojde během experimentů k velmi velkému počtu kolizí.

Nástroje a experimenty

Přímá demonstrace existence Higgsova bosonu vyžaduje použití specifických detektorů s urychlovači částic . Následující experimenty se pokoušejí nebo pokoušeli detekovat Higgsův boson:

na LEP ( elektron - pozitronový urychlovač ) ALEPH , DELPHI , L3 a OPAL . Při hledání Higgsova bosonu selhal LEP kvůli své relativně nízké energii. LEP fungoval od roku 1989 do roku 2000. na Tevatronu (proton-antiprotonový urychlovač) DØ a CDF . Navzdory své maximální energii sedmkrát nižší než u LHC umožňuje Tevatron pro srážky menší hluk pozadí a použití srážek protonů a antiprotonů by mohlo mít za následek, že u protonových urychlovačů nedojde ke konkrétním událostem / protonům, jako je LHC. Tevatron fungoval od roku 1983 do roku 2011. na LHC ( proton-protonový urychlovač ) ATLAS a CMS . LHC funguje od roku 2009.

Jiné nástroje, zejména lineární urychlovače elektronů a pozitronů, jako je International Linear Collider ( ILC ) a Compact Linear Collider ( CLIC ), které jsou v současné době ve fázi studia, by mohly usnadnit identifikaci Higgsova bosonu a lepší pochopení mechanismů zapojen.

Experimentální návrhy

Nějakou dobu se předpokládalo, že Higgsův boson byl detekován na LEP v roce 2000 . Statistická významnost však byla příliš nízká, aby bylo možné tuto demonstraci zajistit. Studie provedené v roce 2002 na LEP umožnily dospět k závěru, že je 8% pravděpodobnost, že pozorované události lze vysvětlit bez zapojení Higgs.

Mezi CMS a ATLAS experimenty v LHC oznámila v prosinci 2011 pozorovat koherentní přemíry kolem 124 až 126  GeV c -2 . Tyto překročení, méně než trojnásobek směrodatné odchylky , nejsou však dostatečně statisticky významné, aby s jistotou potvrdily objev Higgsova bosonu.

Oblasti vyloučení

Minulé a současné zkušenosti vedou k vyloučení této klidové hmoty Higgsova bosonu z určitých intervalů:

Čistá energie Higgsova bosonu se v roce 2012 odhaduje na (125,3 ± 0,6)  GeV c −2 .

Kromě několika stovek GeV / c² je existence standardního Higgsova bosonu teoreticky zpochybněna.

Původ hmoty

Bylo položeno několik otázek týkajících se mimo jiné mechanismu a množství bosonů . Abychom odpověděli na tyto otázky, představujeme v teorii elektroslabiny pojem lámání symetrie .

Symetrie a narušení symetrie

Pravidelnosti v chování částic se nazývají symetrie a úzce souvisí se zákony zachování . Symetrie také souvisí s konceptem invariance: pokud změna provedená ve fyzickém systému neprodukuje žádný pozorovatelný účinek, systém se říká, že je invariantní, což znamená symetrii (viz Noetherova věta ).

Elektroslabé sjednocení je založeno na konceptu, že síly jsou generovány výměnou bosonů. Když říkáme, že existuje síla mezi dvěma fermiony (půlčíselná rotace), znamená to také, že si vyměňují bosony. Odtud musíme pochopit, jak bosony přenášející základní síly získávají hmotnost. Jak v případě elektroslabého sjednocení získají bosony W ± a Z ° hmotnost, když foton ne?

Tyto gauge symetrie vyžadují přenašeče síly (měřidlo boson) jsou nehmotné. Aby se Salam , Glashow a Weinberg vyhnuli problému hmotnosti bosonů, museli vymyslet mechanismus, který rozbije symetrii měřidla a umožní W ± a Z ° získat hmotu. Takové mechanismy byly vyvinuty v jiných kontextech různými teoretiky: Yoichiro Nambu , Jeffrey Goldstone , Sheldon Glashow, Peter Higgs a Philip Warren Anderson .

Cílem je postulovat existenci nového pole, přezdívaného Higgsovo pole .

Higgsovo pole

Na rozdíl od všech ostatních známých polí, jako je elektromagnetické pole , je Higgsovo pole skalární pole a má ve vakuu konstantní nenulovou hodnotu. Higgsovo pole by se lišilo od ostatních polí v tom, že při nízké teplotě (energii) by byl prostor „raději“ vyplněn Higgsovými částicemi než ne. W ± a Z ° bosony interagují s tímto polem (na rozdíl od fotonu) a pohybují se vesmírem, jako by se pohybovali v tlusté „melasě“. Tímto způsobem získávají efektivní hmotnost. Při vysoké teplotě (energii) jsou interakce v Higgsově poli takové, že prostor již není naplněn touto Higgsianovou melasou (trochu jako by teplota melasu fluidizovala), W ± a Z ° ztrácejí svoji hmotnost a symetrie mezi W ± , Z ° a fotonem již není porušena, je „obnovena“. Říká se, že je to zjevné. Hmotnost fermionu nebo bosonu by proto byla pouze projevem této interakce částic s Higgsovým polem, ve kterém se „koupou“.

Higgsovo pole zachovává symetrii při vysoké energii a vysvětluje přerušení symetrie při nízké energii. Je zodpovědný za množství elektroslabých bosonů, ale také interaguje s fermiony (kvarky a leptony), které tak získávají „hmotu“. Nejlehčí jsou neutrina , o nichž se donedávna věřilo, že mají nulovou hmotnost; pak přichází elektron o hmotnosti 0,511  MeV  c −2 . Na samém vrcholu stupnice se nachází top kvark , který je se svými 175 GeV  c −2 zdaleka nejtěžší elementární  částicou .

Zbytkové otázky

Elementární částice (bosony, fermiony) získávají hmotu kvůli Higgsovu poli, ale proč každá částice získává jinou hmotu, nebo dokonce nezískává hmotu vůbec, jako v případě fotonu? Proč je síla afinity částic s Higgsovým polem - nazývaná vazba - tak odlišná od částice k částice, a jak tedy vysvětlit tuto hierarchii hmot? Dnes neznáme odpovědi na tyto otázky a samotná teorie Higgsova bosonu na ně nemůže odpovědět.

Koktejlová metafora

Fyzik základních částic David J. Miller přirovnal boson a Higgsův mechanismus k koktejlu, který spojil členy politické strany.

Higgsovo pole je srovnáváno se skupinou lidí, kteří zpočátku rovnoměrně zaplňují obývací pokoj. Když do obývacího pokoje vstoupí známá politická osobnost, přitahuje kolem sebe aktivisty, což jí dává významnou „masu“. Toto shromáždění odpovídá Higgsovu mechanismu a je to on, kdo připisuje hmotu částicím.

Není to boson, který přímo dodává hmotu částicím: boson je projevem Higgsova pole a Higgsova mechanismu, který sám o sobě dodává hmotu částicím. To je v této metaforě srovnatelné s následujícím fenoménem: vnější osoba z chodby šíří fámy na lidi poblíž dveří. Stejným způsobem se tvoří dav militantů, který se jako vlna šíří po místnosti a sděluje informace: tento dav odpovídá Higgsovu bosonu.

Pozorování Higgsova bosonu by proto bylo velmi silným znamením existence Higgsova mechanismu, ale mohlo by existovat, i když boson sám neexistuje.

Hmotnost obvyklého materiálu

Pouze 1% hmotnosti obvyklé hmoty lze považovat za způsobené Higgsovým bosonem. Ve skutečnosti je obvyklá hmota tvořena atomy, které se samy skládají z elektronů a nukleonů (protony a neutrony). Hmotnost elektronů je však velmi nízká a 99% hmotnosti nukleonů pochází z vazebné energie (silnou silou) mezi kvarky, které jsou samy také velmi lehké.

Názvy

Higgs se v žádném případě prohlašovat otcovství, někteří, jako François Englert , se domnívají, že to je více důležité pojmenovat tuto částici „boson BEHHGK“, pro Brout , Englert , Higgs , Hagen , Guralnik a granule , někdy zjednodušeně v „Beh boson“ pro Brout, Englert a Higgs (druhý název přijatý pro 47 je Rencontres de Moriond z částicové fyziky v La Thuile v roce 2012), nebo nazývat „skalární bosonovou hmotu“ nebo „bosonovou spontánní lámání symetrie (BSS)“.

"Náš článek se objevil v Physical Review Letters z 31. srpna 1964, kdy byl Higgsův článek pouze předložen." A tento cituje náš text. Takže máme přednost. Co Peter Higgs snadno uznává. Řekněme, že došlo k společnému objevu, a to nezávislým, ale doplňkovým způsobem. Matematický přístup byl jiný. Neznali jsme se. Tuto částici jsme začali nazývat „Higgsův boson“ a nezměnili jsme se, zatímco vědci vědí, že se jedná o „Brout-Englert-Higgsův boson“ a pole BEH. Raději to nazývám ještě jinak, to znamená „skalární boson“ a „skalární pole“, což lépe popisuje strukturu tohoto bosonu. "

- François Englert, rozhovor v La Libre Belgique

Označení „Bůh částice“ a „Bůh částice“ jsou dva překlady přezdívky „  Bůh částice  “ . Tato přezdívka je ve skutečnosti modifikací uloženou vydavatelem knihy Leona Ledermana , který napsal „  The Goddamn Particle  “ (slovo od slova „ta zatracená částice“, ve francouzštině „zatracená částice“ nebo „ta zatracená částice“). Tato jména, široce používaná v médiích, jsou fyziky obecně odsouzena.

Poznámky a odkazy

  1. CERN 2019
  2. (v) Spolupráce CMS , „  Přesné stanovení hmotnosti Higgsova bosonu a studií kompatibility spojovacích prvků se standardním modelem  “ [PDF] na cds.cern.ch (přístup 29. srpna 2014 )
  3. (in) ATLAS Collaboration , „  Měření hmotnosti Higgsova bosonu z kanálů a s detektorem ATLAS pomocí kolizních dat 25 fb-1 pp  “ , arXiv ,15. června 2014( Bibcode  2014arXiv1406.3827A , arXiv  1406.3827 , číst online [PDF] , přístup 29. srpna 2014 )
  4. „  Spolupráce ATLAS a CMS představují pokrok jejich Higgsova výzkumu  “, tisková zpráva z CERNu ,13. prosince 2011( číst online )
  5. Konference CERN 4. července 2012. Výsledky experimentu CMS s 5σ významností na di-gama kanálech a čtyřmi leptony
  6. (in) François Englert a Robert Brout , „  Broken Symetry and the Mass of Gauge Vector Mesons  “ , Physical Review Letters , sv.  13, n o  9,31. srpna 1964, str.  321-321 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.13.321 , Bibcode  1964PhRvL..13..321E , číst online [PDF] , přístup k 28. srpnu 2014 )
  7. (in) Peter W. Higgs , „  Broken Symetries and the Masses of Gauge Bosons  “ , Physical Review Letters , sv.  13, n o  16,19. října 1964, str.  508-509 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.13.508 , Bibcode  1964PhRvL..13..508H , číst online [PDF] , přístup k 28. srpnu 2014 )
  8. (in) Gerald S. Guralnik , Carl R. Hagen a Thomas WB Kibble , „  Global Conservation Laws and massless Particles  “ , Physical Review Letters , sv.  13, n o  20,16. listopadu 1964, str.  585-587 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.13.585 , Bibcode  1964PhRvL..13..585G , číst online [PDF] , přístup 29. srpna 2014 )
  9. „  Často kladené otázky: The Higgs!“  », Bulletin CERN , č .  28-29,Červenec 2012( číst online )
  10. (in) „  Nobelova cena za fyziku v roce 2013  “ na webu nobelprize.org (přístup 29. srpna 2014 )
  11. „  Higgsův boson, záhada fyziky v procesu řešení  “, FranceTVinfo ,14. prosince 2011( číst online )
  12. „  Higgsův boson  “ na CERN.ch ,15. prosince 2011.
  13. „  Experimenty CERN pozorují částice, jejíž vlastnosti jsou kompatibilní s charakteristikami dlouho očekávaného Higgsova bosonu  “, Bulletin CERN ,2. července 2012( číst online ).
  14. (in) Georges Aad et al. ( Spolupráce ATLAS ), „  Pozorování nové částice při hledání standardního modelu Higgsova bosonu s detektorem ATLAS na LHC  “ , Physics Letters B , sv.  716, n o  1,17. září 2012, str.  1-29 ( DOI  10.1016 / j.physletb.2012.08.020 , Bibcode  2012PhLB..716 .... 1A , arXiv  1207.7214 , číst online [PDF] , přístup 29. srpna 2014 ).
  15. (en) Sergei Chatrchyan a kol. ( Spolupráce CMS ), „  Pozorování nového bosonu o hmotnosti 125 GeV s experimentem CMS na LHC  “ , Physics Letters B , sv.  716, n o  1,17. září 2012, str.  30-61 ( DOI  10.1016 / j.physletb.2012.08.021 , Bibcode  2012PhLB..716 ... 30C , arXiv  1207.7235 , číst online [PDF] , přístup 29. srpna 2014 ).
  16. „  Nové výsledky naznačují, že částice objevené v CERNu jsou Higgsovým bosonem  “ , na press.web.cern.ch (tisková kancelář CERN) ,tisková zpráva ze dne 14. března 2013(zpřístupněno 29. srpna 2014 ) .
  17. (en) „  Experimenty ATLAS a CMS představují Higgsův stav vyhledávání  “ , v CERNu ,13. prosince 2011.
  18. „  Velmi pravděpodobný objev Higgsova bosonu: jaké důsledky?“  » , Na Techno-Science.net
  19. (in) „  Experimenty CERN pozorují částice v souladu s dlouho hledaným Higgsovým bosonem  “ , v CERNu .
  20. „  Nové výsledky naznačují, že částice objevené v CERNu jsou Higgsovým bosonem  “, tisková kancelář CERN ,14. března 2013( číst online ).
  21. Higgsův rozpad na kvarky b konečně pozoroval publikaci CERN, 28. srpna 2018
  22. Higgsův boson chycen při rozpadu zpráv MSN 29. srpna 2018
  23. Higgsův boson: původ masy kvarků je jasnější, Futura Sciences 30. srpna 2018 .
  24. Životnost: 10–23 sekund. Svět podle Étienne Klein , francouzská kultura, 10. 11. 2012.
  25. Paul Colas a Boris Tuchming : „  Kdo chytí Higgsa ?“  », Výzkumný Files , n o  23,Květen-červenec 2006, str.  20-27
  26. „  Je velmi pravděpodobné, že Higgsův boson existuje  “ , na linternaute.com ,červen 2006
  27. „  Jaký je významný výsledek pro Higgsův boson?“  » , Na Médiapart ,13. prosince 2011
  28. Podle konvencí platných ve fyzice částic vyžaduje oznámení objevu pět standardních odchylek, což odpovídá pravděpodobnosti 99,999 94%, tři standardní odchylky (pravděpodobnost 99,73%) umožňující uzavřít pouze „k “ pozorování ”
  29. Pracovní skupina LEP pro vyhledávání Higgs Boson , konference ICHEP'02, Amsterdam, červenec 2002.
  30. (in) Tevatron experimentuje s odložením nejnovějších výsledků při hledání Higgsova bosonu .
  31. Hypotetický inflaton , forma hypotetické hmoty odpovědné za kosmickou inflaci , by také bylo skalární pole zvané „prvotní skalární pole“
  32. (in) „  Osobní David J. Miller Page  “ na High Energy Group , University College London
  33. (in) „  Kvazipolitické vysvětlení Higgsova bosona  “ ,7. září 2010
  34. Achintya Rao , „  Proč bych se měl starat o Higgsův boson?  ” , Veřejný web CMS , CERN,2. července 2012(zpřístupněno 18. července 2012 )
  35. F. Englert, Dossier de La Recherche , květen 2011, s.  30 .
  36. (in) Valerie Jamieson, "  Co volat částice dříve známý jako Higgs  " v New Scientist ,20. března 2012
  37. (in) F. Englert a R. Brout , „  Broken Symetry and the Mass of Gauge Vector Mesons  “ , Phys. Rev. Lett. , sv.  13, n o  9,31. srpna 1964, str.  321-323
  38. F. Englert, Dossier de La Recherche , květen 2011, s.  28 .
  39. Guy Duplat , „  Boson by mu měl dát Nobelovu cenu  “, La Libre Belgique ,4. července 2012( číst online )
  40. Forbes Proč to nazýváme Bohem Particle
  41. (in) Robert Evans, „  Higgsův boson: vědci Proč nenávidět, že tomu říkáte„ božská částice  “ , National Post ,14. prosince 2011( číst online ).

Dodatky

Bibliografie

Související články

externí odkazy