Higgs Bozonu'ndan 10 Yıl Sonra Fizik İçin Sıradaki Büyük Şey Ne?

4 Temmuz 2012'de CERN'deki bilim adamları, ilk olarak 1960'larda önerilen temel bir parçacık olan Higgs bozonunun gözlemini doğruladılar. Bozonun keşfi çok önemli bir olaydı, çünkü fizikçilerin, parçacıklara kütle veren bozonla ilişkili alanı araştırmaya bir adım daha yaklaştıkları anlamına geliyordu.

Ancak 2012'den beri parçacık fiziği başka bir sismik olay yaşamadı . Önemli keşifler yapıldı - müonun manyetik alandaki davranışına ilişkin ölçümler alındı , W bozonunun kütlesi daha kesin olarak ölçüldü ve yeni parçacıklar keşfedildi - ancak Higgs'in doğrulaması kadar şaşırtıcı bir şey olmadı.

Ancak karamsar değiliz: Şu anda atom altı evreni anlamamızda bir sonraki büyük sıçramayı sağlayabilecek birçok büyüleyici deney var. Bu yüzden birkaç fizikçiye bu atılımın nerede olabileceğini düşündüklerini sorduk. Aşağıdaki yanıtlar özetlenmiştir ve netlik için hafifçe düzenlenmiştir.

Paul Padley

Rice Üniversitesi'nde fizikçi ve CERN'deki CMS deneyine katkıda bulunan

Fizikteki bir sonraki büyük şey, karanlık maddenin daha iyi anlaşılması olacak. Bir dizi tesis devreye girecek ve karanlık maddenin doğasını bugüne kadar elde edilenden çok daha iyi keşfetmemizi sağlayacak. Örneğin, Yüksek Parlaklık-LHC, incelememiz gereken Higgs bozonlarının sayısını bir büyüklük sırasına göre artıracak ve onların özelliklerini muazzam bir kesinlikle inceleyebileceğiz.

Standart Model tahminlerinden herhangi bir sapma bizi ilgili yeni fiziğin yönüne işaret edeceğinden, bu da bize evreni kaplayan karanlık maddeyi keşfetmek için yeni bir pencere verecektir. Kozmik Mikrodalga Arka Plan Aşaması 4 (CMB-S4) gibi diğer yeni tesisler de benzer bir zaman diliminde faaliyet gösterecek. Evreni kaplayan karanlık madde hakkında şimdiye kadarki en iyi resmimizi çizmek için bu farklı tesislerden elde edilen sonuçları birleştirmek mümkün olacak.

"Fizikteki bir sonraki büyük şey, karanlık maddenin daha iyi anlaşılması olacak."

Michael Turner

Chicago Üniversitesi'nde teorik kozmolog

İşte en az Higgs kadar iyi olan beş olasılık.

1) Karanlık madde parçacığının keşfi. Atomların (herhangi bir biçimde) açıklayabileceğinden (> 50 sigma) 5 kat daha fazla madde olduğu hava geçirmez bir durumumuz var. En hafif süpersimetri parçacığı ve axion gibi iyi adaylarımız ve bir keşif yapma kabiliyetine sahip deneylerimiz var. Karanlık madde sorunu neredeyse 100 yıldır bizimle ve çözülmeye hazır. Olduğunda bir gizemi kapatacağız, yeni bir madde biçimi keşfedeceğiz ve Evrenin ilk mikrosaniyesini incelemek için yeni bir kapı açacağız. Daha ne isteyebilirsiniz ki!

2) Kozmik Mikrodalga Arka Planının kutuplaşmasında şişirme ile üretilen yerçekimi dalgalarının imzasının keşfi. “B-modu” kutuplaşma imzası keşfedilir ve onaylanırsa, bu bize kozmolojideki en eski kalıntı olmanın yanı sıra, enflasyonun ne zaman gerçekleştiğini de söyleyecektir. (Tespit edilirse, bu yerçekimi dalgaları Evren 10^-36 saniye yaşlıyken üretilmiş olurdu.) Bu kolay bir iş değil, ancak deneyler/deneyciler buna bağlı: sinyal SPK'da bir nanoKelvin seviyesidir. (sıcaklığı 2.76 K olan).

3) Hubble tutarsızlığının gerçek olduğunun teyidi. Yani, bugün doğrudan ölçülen genişleme hızı, 400.000 yılda ölçülen (kozmik mikrodalga arka plan ölçümleri) ve mevcut kozmolojik paradigmamız (Lambda CDM) kullanılarak ileriye doğru tahmin edilene eşit değildir. Lambda CDM'de bir şey eksikse her iki ölçüm de doğru olabilir.

4) CERN'de süpersimetrinin keşfi. Yepyeni bir parçacık dünyası ve süper sicim teorisi için ilk büyük ev koşusu.

5) Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevinde (LIGO) beklenmedik bir şey. Bildiğimiz ve söylemekten hoşlandığımız gibi, en dönüştürücü olan LIGO veya teleskop veya hızlandırıcı gibi yeni bir tesiste beklenmedik keşif. LIGO olağanüstü bir başarı elde etti, ancak keşfettiği tüm olaylar tahmin edilen olaylardı: iki kara deliğin, iki nötron yıldızının ve bir kara delik ile bir nötron yıldızının birleşmeleri. Bir sürprize ne dersiniz? (örneğin, 1960'ların ortalarındaki pulsarlar veya Kuasarlar gibi)

Başka bir yerde (örneğin Venüs, Jüpiter veya Satürn'ün uydusu veya bir ötegezegenin atmosferinde) yaşam belirtilerinden bahsetmeyeceğim bile. Bu olacak, tek soru ne zaman ve nerede.

“...bir gizemi kapatacağız, yeni bir madde biçimi keşfedeceğiz ve Evrenin ilk mikrosaniyesini incelemek için yeni bir kapı açacağız. Daha ne isteyebilirsiniz ki!”

Freya Blekman

Hamburg Üniversitesi'nde parçacık fizikçisi ve CMS ve FCC-ee işbirliklerine katkıda bulunan bir kişi

Yani bu aynı zamanda, Standart Model Higgs bozonu ile uğraşırken içinde olmadığımız, içinde bulunduğumuz zorlu bir durum. Standart Model Higgs bozonu ile temelde güzel bir yapbozunuz vardı ve bu tek parçayı kaçırıyordunuz. Parçanın şeklini bir nevi biliyordunuz ve sonra kutuya baktınız ve parçanın şeklini buldunuz ve onu içine koydunuz. Şimdi elimizde 3 boyutlu veya muhtemelen 2 boyutlu yapboz parçalarıyla dolu bir kutu var. Gerçekten emin değilsin. Ve sadece 'evet, orada bir şeyler olmalı' dediler. İyi eğlenceler.'

Standart Model'e göre, Higgs bozonunun ne sıklıkla etkileşime girdiği veya ayrıldığı - bu iki şey parçacık fizikçileri için birbirinin yerine geçebilir - bu bir bakıma Higgs'in diğer parçacığının kütlesine bağlıdır. Bu, (tüm bu parçacıkların kütlesini biliyorsanız) ne sıklıkta yapılması gerektiğini tahmin edebileceğiniz anlamına gelir. Bir Higgs bozonu yaptığınızda, genellikle Higgs bozonu bu parçacıkları yapmalıdır. Ve bu, geçen yıl kontrol ettiğimiz türden şeyler: Higgs bozonunun Z bozonlarına bozunduğunu görmek, Higgs bozonunun W bozonlarına bozunduğunu görmek, onun Tau leptonlarına, B kuarklarına bozunduğunu görmek. , eğer öyleyse üst kuarklarla etkileşime girer. Son zamanlarda müonlara dönüşebileceği - bu tür şeylerin tümü, tutarsız bir şey bulma umuduyla Standart Model'in iç tutarlılığının testleridir.

Birkaç heyecan verici karanlık madde deneyi yeniden çevrim içi hale geliyor. Bir şey görürlerse, [LHC] seçimimizi değiştirebilir, böylece bunu tutarlı bir şekilde yeniden üretip üretemeyeceğimizi kontrol edebiliriz. Ve bunun nedeni, bu parçacık detektörlerinin gerçekten bu konuda çok iyi olmasıdır: Ne aradığınızı bildikten sonra, bu parçacıkları bir nevi yalıtmak için bir algoritma bulmak çok kolaydır.

Xenon deneyinden ve LUX-Zeplin deneyinden bahsediyorum. Her ikisi de son yıllarda yükseltildi ve şimdi tekrar çevrimiçi oluyorlar. Bu deneyler büyük ksenon tanklarıdır (bu yüzden hepsinin adında X vardır) ve hepsi Dünya'nın karanlık madde içinde hareket ettiğini ve deneyin Dünya üzerinde durduğunu umuyor ve o zaman karanlık madde Ksenon atomu ve o atomun etrafa sıçradığını algılayabilirler.

Bu tür deneylerin çığır açan, her beş yılda bir Nobel Ödülü kazanan bir şey üretmesi beklentisi gerçekçi değil. Bu, bir şeyler planlamanız gereken ve analiz edilmesi son derece zor olan devasa veri kümelerine ihtiyaç duyduğunuz uzun vadeli bir bilimdir.

"Standart Model Higgs bozonu ile, temelde güzel bir yapbozunuz vardı ve bu tek parçayı kaçırıyordunuz... Şimdi elimizde 3B veya muhtemelen 2B yapboz parçalarıyla dolu bir kutu var. Gerçekten emin değilsin.

Patrick Koppenburg

Nikhef'te parçacık fizikçisi ve CERN'deki LHCb deneyine katkıda bulunan biri

Şu anda, yepyeni bir LHCb dedektörü ("LHCb Yükseltme I" olarak anılır) ile LHC'nin yeniden başlatılmasına hazırlanıyoruz, bu nedenle tüm heyecan, yeni dedektörün yanı sıra veri işleme zincirini de çalıştırmaktır. üzerinde çalışmak.

Bizim için asıl amaç, b kuarkları içeren parçacıklardaki “tat anormalliklerini” saptamak olacaktır. Bunların Standart Model ile tutarsızlık göstermesi beni çok heyecanlandırıyor: Elektronlara kıyasla müon çiftlerine dönüşen çok az b kuark var gibi görünüyor. Bu çalışmaya 10 yıl önce LHCb'de başladım, bu yüzden çok yakından izleyeceğim. Önümüzdeki 10 yıl içinde toplayacağımız muazzam miktarda veri bize bunu gösterecek.

Eğer bu doğruysa, (en azından) bir yeni bozonla ilişkili yeni bir doğa kuvveti gerektirir. Bilinen Z'ye benzer bir Z' bozonu veya leptoquarks (veya her ikisi) gibi tamamen farklı bir şey olabilir. Her iki durumda da, bu parçacık fiziğinde bir devrim olurdu.

Bir sonraki soru, bu yeni parçacıkların LHC'de üretilip üretilemeyeceğidir. ATLAS ve CMS işbirliklerinin Mart ayındaki Moriond konferansında gösterdiği verilerde bazı “atışlar” var. Bunlar, tat anormalliklerine neden olan yeni parçacıkların ilk işaretleri olabilir. Ancak deneyimler, bu tür tümseklerin daha fazla veri ile ortadan kalktığını göstermiştir. Öyleyse görelim.

LHC bu yeni bozonları üretemeyecek kadar düşük enerjiye sahipse, başka bir makineye ihtiyacımız var. Bu, Geleceğin Dairesel Çarpıştırıcısının (FCC) kaba kuvveti ve 100 km'si ve LHC'den 7 kat daha büyük olan enerjisi olabilir. Ya da çok daha küçük ama daha zorlu bir müon çarpıştırıcısı. Anormalliklere neyin sebep olduğuna bağlı olarak (hala daha fazla veriyle incelemeden kurtulacaklarını umuyorlar), bir müon çarpıştırıcısı ideal araç olabilir: Müonlarla ilgili bir sorunumuz varsa, bunu bulmak için müonları kullanalım.

"ATLAS ve CMS işbirliklerinin gösterdiği verilerde bazı 'çarpmalar' var... Bunlar, tat anormalliklerine neden olan yeni parçacıkların ilk işaretleri olabilir."

David Toback

Texas A&M Üniversitesi'nde fizikçi ve CDF işbirliğinin sözcüsü

Fizikte önümüzdeki 10 yıl içinde fizikte iki büyük potansiyel atılım görüyorum. Birincisi, Fermilab'daki CDF deneyinin W-bozonunun kütlesinin beklentilerden 7 standart sapma uzakta olduğu yönündeki yakın tarihli gözlemiyle , Parçacık Fiziğinin Standart Modelindeki bu potansiyel kırılmaya dünya çapında bir odaklanma olacaktır. Bu ölçümü yapmak son derece zor, ancak LHC, ATLAS ve CMS deneylerinin önde gelen rakipleri inanılmaz derecede güçlü dedektörlere ve çok sayıda veriye sahip.

Sonuç onaylanırsa ve Standart Model tahmininde bir değişiklik olmazsa, bu, doğada keşfedilmesi ve sonra anlaşılması gereken bazı yeni temel parçacık(lar) veya kuvvet(ler) olduğu anlamına gelmelidir. İdeal olarak, böyle bir keşif, evreni dolduran karanlık maddeyi anlamak için bir ipucu sağlayacaktır.

Onlarca yıldır fizikçiler ve gökbilimciler temelde karanlık maddenin temel parçacıklardan oluştuğunu varsaydılar. Gelecek nesil karanlık madde deneyleri çevrimiçi hale geliyor ve önümüzdeki 10 yıl içinde, eğer doğa böyleyse (ve kozmolojiyi hesaba katan mevcut en iyi tahminler doğruysa), bireysel karanlık madde parçacık etkileşimlerini gözlemlemek için yeterli duyarlılığa sahip olması bekleniyor. ). Eğer yapmazlarsa, bu, karanlık maddenin doğası ve evrenimizde nasıl var olduğu hakkındaki tahminlerimizde temel bir değişimin işareti olacaktır.

Her iki durumda da, bu iki alan arasında, evreni dolduran temel parçacıklar hakkındaki anlayışımız önümüzdeki 10 yıl içinde kökten değişme şansına sahip veya doğa ona karşı çok cimri olduğu için çok farklı şekillerde anlamaya çalışacağız. sırlar.

LHC'nin karanlık maddeyi keşfedip keşfedemeyeceği belli değil. UMUT, karanlık madde parçacıkları üretebilmesidir (eğer varsa), ancak bu, protonlar arasındaki çarpışmalarda üretebilmelerini gerektirir. Eğer öyleyse, bir şansımız var. Diğer bir olasılık ise LHC'nin bozunarak karanlık madde parçacıklarına dönüşen parçacıklar üretebilmesidir. Bu süpersimetri umuduydu , ama bu gerçekleşmedi. Onları üretebiliyorlarsa, umut çok sayıda çarpışma ve harika dedektörler, onları keşfedebiliriz. Karanlık madde parçacıkları üretemiyorlarsa ya da bu çok nadirse... o zaman oyunda değillerdir. Her iki şekilde de yapmak ilginç bir deney, ancak keşfedilmemiş bölgeleri keşfediyor. Tamamen yapmaya değer, ancak yüksek riskli yüksek ödül.

Benim kişisel tahminim, özel bir derin yeraltı dedektörü ile tespit edilecekleri. Samanyolu'nun karanlık maddeyle dolu olduğundan oldukça emin olduğumuz için, eğer karanlık madde bir parçacıksa, o zaman Dünya'dan ücretsiz olarak akması gerektiği (tıpkı nötrinolar gibi) oldukça güvenli bir bahis olduğunu düşünüyorum. Bu nedenle, soru, CDMS veya LZ gibi karanlık madde dedektörlerinin bir etkileşimi gözlemlemek için yeterince büyük veya yeterince hassas olup olmadığıdır (yine, etkileşime girdiklerini varsayarsak).

"Evreni dolduran temel parçacıklar hakkındaki anlayışımız, önümüzdeki 10 yıl içinde temelden değişme şansına sahip."