Сменить фон сайта
Новое - из глубины
Сайт Центра и Исследовательской Творческой Группы (ИТГ) «Солярис»
  (Облегчённая версия)
Страница загружена 09 Июля 2020 года (четверг) 21:41:22 
.
АКТУАЛЬНАЯ МЫСЛЬ: «Шахматы - это не развлечение, а сложная система со своими Законами»
.
Вход/регистрация
Войти

Регистрируясь на сайте,
Вы соглашаетесь
c Правилами участия в деятельности сайта Соляриса


Что даст вам регистрация на сайте?

  • Быстрый просмотр всех новых событий на сайте
  • Участие в дискуссиях на форуме Соляриса
  • Возможность добавлять материалы
  • Отправка сообщений другим пользователям
  • Вход на все сайты системы Ucoz без регистрации
  • И многое другое...

Зарегистрироваться!


Главное меню



Активность на сайте

Новое на сайте
 


Поиск по сайту

Наш опрос
Слышали ли вы когда-нибудь о Солярисе?
Всего ответов: 33

Важные даты
12 Апреля 2015Поздравляем с праздник... (2)
28 Сентября 2014112 лет со дня рождени... (0)
30 Августа 2014129 лет со дня полёта ... (0)




Общероссийский рейтинг школьных сайтов


.
Новостной материал

Категория: Новости науки
Опубликовал: Sol · Дата и время публикации: 05 Июля 2012 года (четверг) 02:20:44
Просмотров: 3524 · Комментариев: 1
Рейтинг по пятибалльной шкале: 0.0 (количество проголосовавших: 0)

Объявлено об открытии частицы, очень похожей на бозон Хиггса

Одно из событий рождения хиггсовского бозона и его распада на два фотона, зарегистрированных детектором CMS. Изображение из доклада 4 июля. 

4 июля 2012 года, на научном семинаре Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS на Большом Адронном Коллайдере (БАК) по поиску бозона Хиггса за 2011 и первую половину 2012 года. Объявлено, что оба детектора (ATLAS и CMS) наблюдали новую частицу с массой 125 - 126 ГэВ/c² (обычно физики пишут просто ГэВ) с уровнем статистической значимости 5 сигма.

Наиболее вероятное значение массы бозона Хиггса равно примерно 126,5 ГэВ согласно данным  ATLAS, и 125,3±0,6 ГэВ согласно данным коллаборации CMS.

Степень статистической достоверности результата принято указывать в количестве так называемых сигм, которые характеризуют размах распределения вероятностей. Чем больше сигм, тем меньше вероятность того, что событие уйдет за пределы распределения случайным образом. Например, для 3 сигм такая вероятность составляет примерно 0.3%, то есть случайно такое возможно примерно в трех случаях из тысячи. Результатом, достойным доверия, в научном сообществе договорились считать только тот результат, который соответствует 5 сигм и больше, что соответствует вероятности ошибки меньше 0.000001

Найденная частица очень похожа по своим свойствам на бозон Хиггса, но по некоторым параметрам она не совсем точно соответствует ожидаемому. Предполагается, что данная частица – бозон и у неё, вероятно, нулевой спин. Это самая тяжелая частица из всех известных, за исключением топ-кварка. Она более, чем в 100 раз тяжелее протона.

Для справки

  • масса покоя электрона - 0,511 МэВ или 0,000511 ГэВ;
  • масса покоя протона - 938,3 МэВ или 0.9383 Гэв;
  • масса покоя нейтрона - 939,55 МэВ или 0,93955 ГэВ;
  • масса покоя топ- или t-кварка - 171,4 Гэв  

Комптоновская длина волны (размер) хиггсовского бозона составляет 10-18 м.

Для окончательного утверждения о существовании или несуществовании бозона Хиггса требуется больший объём данных, получение на БАК которых ожидается в последующие на несколько лет.

Ключевыми будут следующие измерения:

  • проверка нулевого электрического заряда частицы по суммарному заряду его продуктов распада;
  • проверка спина и четности частицы; в Стандартной модели бозон Хиггса имеет нулевой спин и положительную четность (то есть является истинным скаляром); спин и чётность можно будет проверить по угловому распределению продуктов распада; текущие результаты пока не исключают и экзотический вариант, что это резонанс со спином 2 (спин 1 исключен потому, что наблюдается распад на два фотона; частица со спином 1 так распадаться не может). Проверить спин частицы можно по угловому распределению продуктов распада; официальные результаты на этот счёт пока не представлены, однако данные за 2011 год указывают скорее на спин нуль, чем на спин два;
  • главная особенность хиггсовского бозона состоит в специфическом характере связи с остальными частицами: чем больше масса фундаментальных частиц, тем сильнее с ними взаимодействует хиггсовский бозон; поэтому главным аргументом в пользу обнаружения хиггсовского бозона будет изучение всех доступных каналов распада и сравнение их вероятностей друг с другом, а также с теоретическими расчётами.

О наличии сигнала от бозона Хиггса, распадающегося на фотоны, в районе массы 126 ГэВ с уровнем статистической значимости 2,3 сигма было объявлено ещё 13 декабря 2011 года в на конференции в ЦЕРНе. Одновременно было заявлено об исключении массы хиггсовского бозона свыше 270 Гэв, поскольку такой тяжелый бозон Хиггса должен был распадаться на W- и Z-бозоны с последующим распадом на лептоны и нейтрино, а чувствительность детектора ATLAS к такого рода событиям очень высокая.

Однако, учёные не стали, в погоне за быстрой сенсацией, объявлять об открытии бозона Хиггса, решив перепроверить свои результаты в 2012 году. Коллайдер был выключен на зиму 2011/2012 г.г. (по официальной версии - на обслуживание, по неофициальной - из-за высокой стоимости электроэнергии в это время года). И только 14 марта 2012 года было вновь завершено охлаждение всех магнитов, и в коллайдере появились первые пучки. Энергию пучков решено увеличить по сравнению с прошлым годом, и 16 марта протоны были впервые разогнаны до рекордной энергии 4 ТэВ (столкновения же двух пучков происходили с энергией 8 ТэВ на протон). 5 апреля были начаты первые столкновения протонных пучков на данной энергии. В течение апреля, мая и первой половины июня 2012 года шёл активный набор статистики, результаты которого были обнародованы 4 июля.

За два дня до доклада в ЦЕРНе, 2 июля 2012 года коллаборации D0 и CDF кольцевого ускорителя-коллайдера Тэватрон (он находится в национальной ускорительной лаборатории им.Энрико Ферми в городке Батавия штата Иллинойс, недалеко от Чикаго, США и до своего недавнего закрытия был вторым после БАК крупнейшим коллайдером в мире) заявили, что по результатам анализа данных ускорителя имеется некоторый избыток, который может быть интерпретирован как вызванный бозоном Хиггса с массой в диапазоне 115 - 135 ГэВ со статистической значимостью 2,9 стандартных отклонения, что меньше порога в 5 сигма, необходимого для того чтобы заявить об открытии частицы. Руководитель коллаборации D0 Дмитрий Денисов пояснил РИА Новости, что после «переобработки» всех данных, собранных на Теватроне за последние десять лет его работы, с новыми алгоритмами ученые увидели события образования и распада бозона Хиггса. Этот результат, по его словам, потребует подтверждения другими экспериментами, в том числе на БАК, но «мало у кого здесь в Фермилабе есть сомнения». «Мы на Теватроне знаем, как открывать частицы. Мы открыли топ-кварк, шесть новых барионов, процесс самых быстрых переходов между материей и антиматерией и много других новых процессов. То, что мы видим в наших данных по Хиггсу, полностью напоминает мне все предыдущие открытия - все указания, в различных каналах и независимо для двух экспериментов в Фермилабе, CDF и D0, все указывает на то, что бозон Хиггса существует», - сказал Денисов. Он также добавил, что большой вклад в этот результат внесли и российские ученые - их в эксперименте D0 работает около 100.

По мнению многих физиков, произошедшее, в случае его окончательного подтверждения, станет наиболее значимым прорывом в физике микромира за последние 30-40 лет.

Во-первых, это не просто рядовое открытие еще одной новой частицы (новых адронов в последние годы было открыто предостаточно, в том числе и на БАК). Это открытие по-настоящему нового типа материи. До этого физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны, кварки и т. д.), либо с частицами - переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны, тяжелые W- и Z-бозоны). Но хиггсовский бозон не является ни тем, ни другим; это «кусочек» хиггсовского поля, которое является совсем иной субстанцией и занимает совсем иное место в устройстве нашего мира.

Во-вторых, это один из редких примеров «открытия на кончике пера», то есть обнаружения нового свойства нашего мира сначала в теории, а затем экспериментально. В физике частиц теория, как правило, следует за экспериментом, объясняет полученные результаты. Очень редко происходит так, что вначале теоретики, опираясь на косвенные намеки и математическую стройность, конструируют совершенно новую теорию, словно из ничего, и лишь затем в работу включаются экспериментаторы, доказывающие, что эта теория действительно относится к нашему миру. Вся Стандартная модель, и открытие хиггсовского бозона как завершающий ее элемент, как раз такого типа.

Бозон Хиггса (синонимы – хиггсон, хиггс и др.) – это последний недостающий элемент современной теории микромира, так называемой Стандартной модели (СМ) - теоретической конструкции, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах общей теории относительности (ОТО). Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

Бозон Хиггса в Стандартной модели отвечает за массы других элементарных частиц. Считается, что всё пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с ним. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса являются тяжелыми, а слабовзаимодействующие - лёгкими. Однако, Стандартная модель не может объяснить, почему одни частицы сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а другие слабо.

Согласно принципам Стандартной модели, в некоторый момент времени после Большого взрыварождения нашей Вселеннной частицы приобрели массу под действием хиггсовского поля, сформированного бозонами Хиггса. Без этого поля не могло бы произойти образование атомов, а частицы, не имеющие массу, просто разлетелись бы по космическому пространству. По большому счету, именно хиггсовское поле послужило толчком развития нашей Вселенной. Неуловимые бозоны Хиггса, если верить теории, существуют везде. Через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы, молекулы, ткани и целые живые организмы.

История поиска бозона Хиггса

Интересно, что на поиски бозона Хиггса ученые потратили больше всего времени. Прошло 48 лет с момента предположения до момента его обнаружения на практике. Открыть все остальные частицы Стандартной модели удалось куда быстрее:

Первые серьезные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже ХХ и ХХI веков на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) в ЦЕРНе, который давал суммарную энергиею сталкивающихся частиц до 209 ГэВ на частицу. Эти эксперименты стали воистину лебединой песней замечательной установки, на которой с беспрецедентной точностью были определены массы и времена жизни тяжелых векторных бозонов W+, W и Z0.

Стандартная модель позволяла предсказать каналы рождений и распадов хиггсовского бозона, но не давала возможности вычислить его массу (которая, к слову, возникает из его способности к самодействию). По самым общим оценкам, она не должна была быть меньше 8-10 ГэВ и больше 1000 ГэВ. К началу сеансов на LEP большинство физиков полагало, что, скорее всего, диапазон составляет 100-250 ГэВ. Многочисленные эксперименты один за другим исключали возможные диапазоны масс бозона Хиггса. Эксперименты на LEP подняли нижний порог до 114,4 ГэВ. Многие специалисты считали и считают, что если бы LEP проработал дольше и процентов на десять увеличил энергию сталкивающихся пучков (что было технически возможно), бозон Хиггса удалось бы зарегистрировать. Однако руководство ЦЕРН не захотело отсрочить запуск Большого адронного коллайдера, который предстояло соорудить в этом же туннеле, и в конце 2000 года LEP был закрыт.

Следующий этап поисков бозона Хиггса проходил на Тэватроне (Фермилаб, недалеко от Чикаго, США) с энергией столкновения частиц до 1,8 Тэв. Эксперименты на детекторах CDF и D0 Тэватрона к марту 2012 года поместили бозон между 115 и 152 ГэВ. 1 октября 2011 года после 28 лет работы Тэватрон, который до недавнего времени был самым мощным ускорителем в мире, закрывается. За 2 дня до конференции в ЦЕРНе, 2 июля 2012 года исследователи, работавшие на Тэватроне, подвели итоги своих поисков в виде следующего графика:

По вертикальной оси здесь откладывается отношение сечения рождения бозона Хиггса, исключаемого экспериментом, к сечению, предсказываемому Стандартной моделью. Сплошной чёрной линией обозначена реальная опытная информация, а пунктиром — то, как отношение сечений, согласно расчётам, могло бы выглядеть при полном отсутствии полезных сигналов. Поскольку физики ранее установили, что бозон Хиггса должен быть «лёгким», график ограничен относительно небольшими массами в 100 и 200 ГэВ.

Когда чёрная кривая опускается ниже единицы, отмеченной чёрной горизонтальной линией, определённое в эксперименте максимальное сечение рождения начинает уступать минимально допустимому модельному, а это означает, что хиггсовский бозон в этих областях масс появляться не может. На графике видна пара таких участков: 100–103 и 147–180 ГэВ. Следовательно, на уровне доверительной вероятности в 95% существование бозона с массой, попадающей в эти диапазоны, исключается. Для удобства на графике также обозначены участки, исключённые в экспериментах БАК (ATLAS и CMS) и LEP. Можно, однако, заметить, что область, исключаемая по пересечению пунктирной линии с горизонталью (то есть в предположении об отсутствии сигнала и бозона Хиггса, ответственного за этот сигнал), охватывает намного более широкие диапазоны 100–120 и 139–184 ГэВ. Налицо существенное расхождение между экспериментальными данными и расчётами в интервале 115–140 ГэВ. Статистическая значимость расхождения составляет 2,5 стандартного отклонения. Таким образом, вероятность того, что рождение и распад «лёгкого» бозона Хиггса на Теватроне всё же наблюдались, велика, но не дотягивает до принятого в физике уровня в 5σ, соответствующего открытию.

Следующие циклы поисков проводили в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере, в результате чего верхняя граница массы бозона Хиггса была сдвинута до 130 ГэВ. Наконец, в 2012 году БАК вышел на режим работы с энергией столкновения частиц до 8Тэв (что пока является лишь 57% от максимальной расчётной энергии для БАК – 14 Тэв), и первые исследования таких столкновений были подведены 4 июля 2012 года.


Перед физиками тем временем встает ключевой вопрос, над которым они будут, по-видимому, работать как минимум ближайшее десятилетие: является ли этот хиггсовский бозон стандартным или нет? Главная задача Большого адронного коллайдера - обнаружить Новую физику за пределами Стандартной модели, которая может проявиться уже на тех энергиях, на которые БАК выйдет в ближайшие годы. И хиггсовский бозон тут является не целью, а средством.

Если будет четко показано, что свойства бозона Хиггса отличаются от предсказаний Стандартной модели, это даст мощную поддержку всей физике элементарных частиц, как теоретическим, так и экспериментальным исследованиям.

Если же окажется, что свойства бозона Хиггса во всех деталях совпадают с предсказаниями Стандартной модели, это будет означать, что никаких выводов о более глубоком устройстве нашего мира сделать нельзя. Это максимально пессимистичный сценарий развития событий, который физики всё чаще называют своим «кошмаром». Широко распространено мнение, что при таком развитии событий не будет выделено финансирование на международный линейный электрон-позитронный коллайдер ILC, и развитие физики элементарных частиц на время застопорится.


P.S. 11 июля 2012 г. Физики-теоретики предложили несколько альтернативных объяснений результатам, полученным на БАК.

Физики из США рассматривают вариант, согласно которому обнаруженный при анализе данных сигнал может быть не сигналом самого бозона, а суперпозицией («смесью») нескольких частиц. Как, например, состояние частицы нейтрино описывается суперпозицией нескольких базисных ароматов — тау, мюонного и электронного. В частности, самое лучшее согласование с данными наблюдений дает «смесь» сразу трех частиц. При этом сами авторы отмечают, что в статистику «в общем» лучше вписывается бозон Хиггса, передает Lenta.ru.

Группа европейских физиков предлагает в качестве альтернативы «нестандартный» бозон Хиггса - частицу, поведение которой невозможно объяснить в рамках Стандартной модели. В своих рассуждениях они использовали то, что, согласно собранным данным, сигнал в канале распада на гамма-фотоны выше предсказанного. Дело в том, что физики не регистрируют сам бозон, а изучают результаты его распада. Так как в квантовой механике все основано на вероятности, то существует несколько вариантов (каналов) распада частицы. Один из таких каналов - превращение бозона Хиггса в два гамма-фотона. Сами исследователи пишут, что будут обновлять собственный препринт по мере появления новой статистики.


Бозон Хиггса в народном хозяйстве (почти шутка)

Поскольку бозоны Хиггса ответственны за массу частиц, идея варьировать напряженность хиггсовских полей, чтобы менять массу предметов, на первый взгляд кажется вполне здравой. Скажем, можно будет оснастить самолеты какими-нибудь хиггс-нейтрализаторами, чтобы сделать их легче и сэкономить топливо. Или вовсе придумать летающие машины без крыльев. А может, даже замахнуться на космические корабли! Увы, игра не стоит свеч. Практически вся масса атома сосредоточена в протонах и нейтронах ядра. Масса каждой из этих частиц обобщённо называемых нуклонами) чуть меньше 940 МэВ, в то время как входящие в них кварки в сумме имеют массу максимум 12 МэВ (т.е., не больше, чем 1,5% от массы нуклонов). Массы обоих нуклонов практически полностью обеспечиваются глюонными полями, а не входящими в них кварками. Поэтому, даже уменьшив вдвое массы кварков, мы мало чего добьемся. К тому же единственный мыслимый путь к манипулированию хиггсовскими полями требует очень высоких энергий, эквивалентных нагреву до квадриллиона (1015) градусов. Так что намного проще и дешевле будет разрабатывать новые сверхлегкие материалы на основе углепластиков. А с бескрылыми летающими машинами придется подождать.

Новости от 1 августа 2012 года

1 августа в архиве препринтов одновременно появились подробные статьи коллабораций ATLAS и CMS, касающиеся поиска хиггсовского бозона. Если месяц назад обе группы сообщили об открытии бозона Хиггса на основе предварительных данных, то сейчас обработка результатов была доведена до конца и в отдельных случаях слегка улучшена. Таким образом, эти данные представляют собой «официальные» результаты Большого адронного коллайдера по изучению бозона Хиггса по состоянию на начало августа 2012 года.

Как в статье коллаборации ATLAS, так и в статье CMS подробно описывается методика отбора и анализа данных, затем приводятся детали поиска в каждом из каналов распада, а в конце даны результаты объединения по всем каналам.

Главное отличие от результатов месячной давности: ATLAS завершил анализ еще одного канала распада бозона Хиггса (на WW-пару) и также видит в нём сигнал от хиггсовского бозона при той же массе. Из-за этого резко подросла статистическая значимость наблюдаемого пика: по данным ATLAS локальная статистическая значимость сейчас составляет 5,9σ, а глобальная 5,3σ. У коллаборации CMS числа чуть поскромнее: локальная значимость 5,0σ, глобальная 4,6σ.

Обе группы также выдали свои официальные результаты измерения массы найденного бозона. Если результат CMS остался тем же, что и месяц назад, 125,3 ± 0,6 ГэВ, то значение массы, измеренное ATLAS, слегка уменьшилось и составляет теперь 126,0 ± 0,5 ГэВ, приблизившись тем самым к данным CMS. Эти два результата согласуются друг с другом в пределах погрешностей. Отметим, кстати, что такая высокая точность (погрешность всего полпроцента!) при первом же измерении новой частицы — довольно редкое явление в экспериментальной физике элементарных частиц.

В ближайшее время на нашем сайте будет размещена статья о роли бозона Хиггса в Стандартной модели и современной космологии, а также о Новой физике, которая может прийти на смену Стандартной модели. Ссылка на неё будет дана на этой страничке. Следите!


(по материалам http://elementy.ru/, http://www.ria.ru/science/, http://www.popmech.ru/, http://ru.wikipedia.org/, http://victorpetrov.ru/http://www.rosbalt.ru/style/2012/07/11/1009710.htmlhttp://www.popmech.ru/article/10607-most-v-skryityiy-mir/http://www.abitura.com/modern_physics/bac.htmhttp://www.pereplet.ru/pops/nikitin/higgs/hwin.html)




Комментарии
 
1 Сатурн1   (25 Июля 2012 20:25:38) [Материал]
Прочитал!!!!!! Потрясающая статья.

Имя *:
Email:
Все смайлы
Код *:

Все права принадлежат Исследовательской Творческой Группе «Солярис» © 2003-2020 гг. н.э.
Сайт создан в системе uCoz Сайт создан в системе uCoz-->