Natuurkundigen hebben voor het eerst het zeldzame verval van het Higgs-deeltje waargenomen. Waarom is het belangrijk?

Ontdekking van het Higgs-deeltje in de Large Hadroncollider (LHC) op CERN in 2012 was een belangrijke mijlpaal in de deeltjesfysica. Dit komt omdat het Higgs-deeltje of "God-deeltje" verantwoordelijk is voor het mechanisme voor het verschijnen van massa's in sommige andere elementaire deeltjes en de juistheid van het standaardmodel bevestigt. De ontdekking van dit ondeelbare deeltje heeft geleid tot een beter begrip van het universum, en de afgelopen tien jaar hebben natuurkundigen het Higgs-deeltje bestudeerd, in een poging de verschillende manieren waarop het is ontstaan ​​en vervallen te bepalen. Dus volgens het Standaardmodel kan het Higgs-deeltje met een massa van ongeveer 125 miljard elektronvolt vervallen tot een Z-boson en een foton, maar andere modellen van elementaire deeltjes voorspellen een andere afbraaksnelheid. Dit betekent dat zeldzame gevallen van het verval van het God-deeltje - een waarvan wetenschappers zeer recent hebben waargenomen - ons begrip van het universum kunnen veranderen.

Het eerste bewijs van het zeldzame verval van het Higgs-deeltje is indirect bewijs voor het bestaan ​​van deeltjes buiten het standaardmodel.

De moderne deeltjesfysica is gebaseerd op standaard modelbeschrijft de elektromagnetische, zwakke en sterke interactie van alle bekende elementaire deeltjes.

De inhoud

• 1 Higgsveld
• 2 Hoe het Higgs-deeltje te detecteren?
  • 2.1 Eigenschappen van het Higgs-deeltje
• 3 De desintegratie van het "deeltje van God"
• 4 Het zeldzame verval van het Higgs-deeltje
• 5 Hoe beïnvloedt deeltjesfysica ons leven?

Higgs-veld

Laten we beginnen met de basis:De kwantumveldentheorie stelt dat alle deeltjes, al dan niet roterend, lokale excitaties of fluctuaties zijn binnen "kwantumvelden". Deze velden spelen een belangrijke rol bij het handhaven van de natuurwetten. Het elektromagnetische veld, het zwaartekrachtveld, het elektronenveld, het Higgs-veld zijn allemaal velden die de ruimte doordringen.

Bovendien is er een kwantumveld voor elk van de 12 bekende materiedeeltjes, evenals velden voor alle vier de fundamentele interacties. Dat blijkt uit de huidige beschrijving van de natuur elk deeltje is een golf in een veld. Het meest opvallende voorbeeld is licht, dat tegelijkertijd zowel een golf in een elektromagnetisch veld als een stroom deeltjes, fotonen genaamd, kan zijn. En in het geval van het Higgs-deeltje komt het veld op de eerste plaats.

Volgens de theorie gaan absoluut alle deeltjes waaruit atomen bestaan ​​door het Higgs-veld dat de ruimte van het heelal vult.

Higgs-veld is een veld dat zorgt voor spontaan brekensymmetrieën van elektrozwakke interacties als gevolg van het breken van vacuümsymmetrie. Het kwantum van dit veld is het Higgs-deeltje, genoemd naar de Britse natuurkundige Peter Higgs.

Het Higgs-veld werd voor het eerst voorgesteld in 1964.als een nieuw soort veld dat het hele heelal vult en massa geeft aan alle elementaire deeltjes. Dit betekent dat de deeltjes geen eigen massa hebben, ze verwerven deze door interactie met het Higgs-veld. En hoe sterker deze interactie, hoe zwaarder het deeltje wordt. Fotonen hebben bijvoorbeeld geen interactie met dit veld en hebben dus geen massa.

Hoe het Higgs-deeltje te detecteren?

Het is interessant dat het gemakkelijk te nemen en te "ontdekken" ishet Higgs-deeltje kan nergens zijn - het kan ontstaan ​​door deeltjes tegen elkaar te duwen. Als gevolg van de botsing wordt het Higgs-deeltje getransformeerd - of "vervalt" - in andere deeltjes die kunnen worden gedetecteerd met behulp van detectoren.

De Large Hadron Collider (LHC) versnelt protonen tot bijna lichtsnelheid en botst ze tegen elkaar, waardoor een cascade van snel rottende deeltjes ontstaat.

Het probleem is dat het Higgs-deeltjekomt voor bij ongeveer één op de miljard botsingen bij de LHC. Zorgvuldige statistische analyse van enorme hoeveelheden gegevens onthulde een zwak signaal van dit ongrijpbare deeltje in 2012.

Het Higgs-deeltje is een scalair deeltje, wat betekent dat het geen spin heeft (niet roteert)

4 juli 2012 ATLAS en CMS samenwerkingkondigde de ontdekking van een nieuw deeltje aan. Hoewel de ontdekking van het God-deeltje het standaardmodel versterkte, hield het onderzoek daar niet op. Bovendien houdt een van de belangrijkste ontdekkingen sinds 2012 verband met de waarneming van het uiterst zeldzame verval van het Higgs-deeltje.

Eigenschappen van het Higgs-deeltje

Volgens CERN is de massa van het Higgs-deeltje 125 miljard elektronvolt. Dit betekent dat het God-deeltje 130 keer zo zwaar is als een proton, niet geladen is en dat wel heeft nul draaien is het kwantummechanische equivalent van impulsmoment. Het Higgs-deeltje is het enige elementaire deeltje zonder spin.

Meer over het onderwerp: Wat is het Higgs-deeltje en waarom wetenschappers het wilden ontdekken

Het Higgs-deeltje is niet zomaar ergens te vinden. Maar het kan worden gecreëerd door deeltjes met bijna lichtsnelheden tegen elkaar te duwen.

Onderzoekers geloven dat het Higgs-deeltjebestond in het vroege universum met hoge energieën, en daarom vervalt het te snel. Daarom was het mogelijk om het te identificeren door het verval van deeltjes te observeren, wat duidde op een deeltje zonder spin en overeenkwam met theoretische voorspellingen voor het "ontbrekende boson".

Interessant feit
fundamentele deeltjes zoals elektronen enquarks krijgen veel massa door interactie met het Higgs-veld (zelfs het Higgs-deeltje zelf krijgt massa door interactie met het Higgs-veld). Tegelijkertijd halen protonen, die uit quarks bestaan, het grootste deel van hun massa uit de energie die hun bestanddelen bij elkaar houdt.

De desintegratie van het "deeltje van God"

Volgens het standaardmodel, als de bosonmassaHiggs is ongeveer 125 miljard elektronvolt, dan vervalt het Higgs-deeltje in een Z-boson (elektrisch neutrale drager van de zwakke kracht) en een foton (drager van de elektromagnetische kracht) met een waarschijnlijkheid van slechts 0,15%. Kortom, dit verval is een ongelooflijk zeldzame gebeurtenis en de waarneming ervan kan indirect bewijs worden van het bestaan ​​van deeltjes die verder gaan dan het standaardmodel.

En sinds andere theorieën die de standaard uitbreidenmodel een andere vervalsnelheid voorspellen, levert het meten van de snelheid waardevolle informatie op over zowel de fysica van elementaire deeltjes als de aard van het Higgs-deeltje.

Het Higgs-deeltje is het laatste deeltje in het standaardmodel dat experimenteel is ontdekt.

In andere theorieën is het Higgs-deeltje dat bijvoorbeeld nietvervalt direct in een Z-boson en een foton. In plaats daarvan gaat het verval door een tussenliggende "cyclus" van "virtuele" deeltjes die verschijnen en verdwijnen zonder te worden opgemerkt. Deze virtuele deeltjes kunnen nieuwe, nog onontdekte deeltjes bevatten die interageren met het Higgs-deeltje.

Mis het niet: neutrinodetectie en hoe het de mysteries van het universum kan ontrafelen

Zeldzaam verval van het Higgs-deeltje

Dat verklaarden onderzoekers van CERN in mei 2023voor het eerst het verval van het Higgs-deeltje waargenomen, niet in een paar b-quark-b-antiquark, of in een paar fotonen, of in twee paar elektron-positron (anti-elektron) en/of muon-antimuon (als gebeurt meestal), maar in een Z-boson en foton.

Aanvaringsgegevens gebruiken op de BolshoiBij de Hadron Collider hebben natuurkundigen van ATLAS en CMS uitgebreid gezocht naar het verval van het Higgs-deeltje in een Z-deeltje en een foton. Beide zoekopdrachten gebruikten vergelijkbare strategieën, waarbij het Z-boson werd geïdentificeerd door zijn verval in elektronenparen of muonen, zwaardere versies van elektronen. Dit Z-boson-verval vindt ongeveer 6,6% van de tijd plaats. Tijdens de zoektocht gebruikten natuurkundigen ook geavanceerde methoden voor machinaal leren.

Zie ook: Natuurkundigen krijgen steeds meer bewijs van het bestaan ​​van een nieuwe, onbekende natuurkracht

In een nieuwe studie combineerden ATLAS en CMSdatasets verzameld tijdens eerdere experimenten tijdens de tweede lancering van de LHC, die plaatsvond tussen 2015 en 2018. Het resultaat van gezamenlijke inspanningen was eerste bewijs van het verval van het Higgs-deeltje in een Z-deeltje en een foton.

Kandidaatgebeurtenissen van ATLAS (links) en CMS (rechts) voor een Higgs-deeltje dat vervalt in een Z-deeltje en een foton, waarbij een Z-deeltje vervalt in een paar muonen.

Elk deeltje heeft een speciale relatie met het bosonHiggs, waardoor de zoektocht naar zeldzaam Higgs-verval een hoge prioriteit krijgt. Door individuele resultaten van ATLAS en CMS zorgvuldig te combineren, hebben we een stap voorwaarts gezet in het ontrafelen van een ander mysterie van het Higgs-deeltje”, vertelde Pamela Ferrari, natuurkundecoördinator van ATLAS, aan verslaggevers.

Het bestaan ​​van nieuwe deeltjes kan renderensignificante invloed op het zeldzame verval van het Higgs-deeltje. Bovendien stelt een nieuwe studie het standaardmodel op de proef. Experimenten om te zoeken naar zeldzame gevallen van het verval van het Higgs-deeltje zijn gepland voor 2029, na de voltooiing van de modernisering van de LHC.

Wil je altijd op de hoogte zijn van het laatste nieuws uit de wereld van wetenschap en hightech? Abonneer je op ons kanaal in Telegram - zo mis je zeker niets interessants!

Hoe beïnvloedt deeltjesfysica ons leven?

Verbazingwekkend genoeg is de ontdekking van het Higgs-deeltje dat welnog maar het begin van de reis. Onderzoekers hopen dat ze in de toekomst kunnen begrijpen of het deeltje van God uniek is, of het kan verklaren hoe het heelal is ontstaan ​​en wanneer materie zegevierde over antimaterie. Bovendien kunnen natuurkundigen door de eigenschappen en het verval van het Higgs-deeltje te bestuderen mogelijk nieuwe deeltjes en zelfs mysterieuze donkere materie ontdekken.

Maar wat verrassend is, is dat het Higgs-deeltje dat ook heeftzal ons leven blijven beïnvloeden op manieren die u zich misschien niet had kunnen voorstellen. Dit is een deel van het antwoord op de vraag waarom wij - en alles waarmee we omgaan - massa hebben, nieuwsgierig zijn naar de structuur van het heelal en zijn evolutie.

Kandidaat-gebeurtenis voor het verval van het Higgs-deeltje in een Z-boson en een foton
De ATLAS-samenwerking

Op zoek naar dit ongrijpbare deeltje hebben natuurkundigen gecreëerdde ongelooflijke kracht van deeltjesversneller- en detectortechnologie, die heeft geleid tot vooruitgang in de gezondheidszorg en de ruimtevaart.

Stelt u zich eens voor hoe onzehet idee van het universum als wetenschappers het bestaan ​​van deeltjes ontdekken die niet door het standaardmodel worden voorspeld. Lees meer over de vraag of de wereld echt op het punt staat de "nieuwe fysica" te ontdekken waar we het hier over hadden, we raden aan het te lezen!