Квантовые открытия: как исследования бозона Хиггса расширяют границы науки

Кэтрин Лени из ЦЕРН комментирует последние результаты работы коллаборации ATLAS и их последствия для теоретической и экспериментальной физики.

Бозон Хиггса — это центральная часть головоломки в физике частиц, которая лежит в основе нашего понимания массы и фундаментальных сил Вселенной. Последние измерения, проведенные коллаборацией ATLAS, позволяют глубже изучить эту неуловимую частицу и уточнить наше понимание ее свойств и взаимодействий.

Понимание бозона Хиггса расширяет наши представления о стандартной модели физики частиц и открывает путь к исследованию глубоких тайн, таких как темная материя, дисбаланс материи и антиматерии и происхождение самой Вселенной.

Инновационная платформа побеседовала с Кэтрин Лени из ЦЕРН, чтобы обсудить последние результаты и их последствия для теоретической и экспериментальной физики.

Последние измерения, проведенные коллаборацией ATLAS, и их значение

Подход ЦЕРН к пониманию бозона Хиггса включает в себя всесторонние и высокоточные измерения его свойств и взаимодействий. Такая тщательность позволяет нам выявить любую потенциально возможную новую физику. Хотя новая физика не может быть обнаружена напрямую, любые новые частицы, взаимодействующие с бозоном Хиггса, будут влиять на его поведение, создавая наблюдаемые эффекты.

В ходе недавнего измерения массы мы успешно уменьшили неопределенность. Однако мы постоянно сталкиваемся с двумя основными типами неопределенности, которые мешают совершенным измерениям.

Первый — это статистическая неопределенность, которая возникает из-за ограниченного числа бозонов Хиггса, полученных в наших данных. Чем больше бозонов Хиггса мы наблюдаем, тем ближе мы можем подойти к определению их истинного значения.

В качестве иллюстрации рассмотрим подбрасывание монеты. Если вы подбросите ее четыре раза и получите три головы и одну решку, вы не сможете сделать окончательный вывод о том, справедлива ли монета. Однако если бы вы подбросили ее миллион раз, то получили бы гораздо более четкое представление о ее справедливости. Второй источник неопределенности связан с нашими знаниями о других измерениях в детекторе, которые влияют на общую точность конечного измерения.

В нашем последнем измерении массы Хиггса мы сосредоточились на распаде бозона Хиггса на два фотона.

Согласно уравнению Эйнштейна, E=mc2, масса и энергия принципиально эквивалентны. Поэтому, чтобы точно определить массу бозона Хиггса, мы должны измерить энергию частиц, на которые он распадается и которые улавливает наш детектор.

Были предприняты значительные усилия для повышения точности измерений энергии фотонов в калориметрах — секциях детектора, где происходит взаимодействие фотонов. Улучшив эти измерения и уменьшив связанные с ними неопределенности, мы значительно улучшили наши измерения массы бозона Хиггса, эффективно уменьшив систематическую составляющую неопределенности в четыре раза по сравнению с нашими предыдущими результатами.

Весь наш проект был сосредоточен на постоянном совершенствовании, особенно в рамках нашей программы по физике. Например, мы усовершенствовали наши методы идентификации распылений частиц, возникающих при распаде кварков красоты, также известных как нижние кварки. Эти процессы печально известны своей сложностью, но мы добились значительных успехов, в частности, применив новые методы машинного обучения. Это значительно улучшило нашу способность отличать эти распыления частиц от других, которые не происходят от распадов донных кварков.

В результате мы усовершенствовали многие из наших анализов, что позволило нам отобрать больше событий, связанных с бозоном Хиггса, и исключить те, которые могут быть похожи на них, но не являются результатом распадов донных кварков. Это улучшение отражается на всем комплексе измерений и положительно сказывается на всех наших результатах. В конечном счете, это способствует более четкому и полному пониманию целей нашего исследования.

Что такое бозон Хиггса и почему его взаимодействие так интересно

Бозон Хиггса — это уникальная частица в стандартной модели физики частиц. Он является единственной частицей такого рода и играет важнейшую роль во Вселенной. Без бозона Хиггса ничто не обладало бы массой, и Вселенная в том виде, в котором мы ее знаем, не существовала бы.

Изучение бозона Хиггса позволяет получить ценные сведения, которые выходят за рамки простого измерения частицы. Например, он может пролить свет на формирование Вселенной. В моменты, последовавшие за Большим взрывом, все было безмассовым и хаотичным. Однако в ходе процесса, известного как нарушение электрослабой симметрии, электромагнитные и слабые силы разделились. В этот момент появился бозон Хиггса, который начал взаимодействовать с другими частицами, придавая им массу.

Это взаимодействие позволило сформировать атомы, звезды, галактики и в конечном итоге Землю. Измерив бозон Хиггса с высокой точностью, мы, по сути, открываем портал в раннюю Вселенную, что помогает нам понять, как эти фундаментальные процессы развивались с течением времени.

В настоящее время мы не имеем полного представления о событиях, произошедших сразу после Большого взрыва. Хотя у нас есть теории и предсказания об этих событиях, они не объясняют ключевых явлений, таких как асимметрия материи и антиматерии, наблюдаемая во Вселенной.

Существующая теория делает некоторые предсказания о том, как возникла эта асимметрия, но они не очень хорошо согласуются с другими наблюдениями, в частности с тем, почему сегодня материя преобладает над антиматерией.

Кроме того, у нас до сих пор нет четкого понимания темной материи и темной энергии. Однако разумно предположить, что темная материя может получить свою массу благодаря взаимодействию с бозоном Хиггса или с еще не открытой частицей, связанной с ним. Исследуя свойства бозонов Хиггса, мы можем обнаружить возможность взаимодействия с ними новых частиц темной материи.

Эту концепцию можно сравнить с падением камешка в пруд. Вы можете не увидеть сам камешек, но вы заметите рябь, указывающую на то, что что-то произошло. Хотя мы можем и не знать, что именно скрывается под поверхностью, эффект может дать значительное представление.

Значение этих результатов для физики частиц и других областей

Мы достигли того момента, когда наши открытия о бозоне Хиггса могут быть использованы в различных областях, в частности космологами, изучающими раннюю Вселенную. Одно из конкретных измерений, на котором мы сосредоточились, — это взаимодействие бозона Хиггса с самим собой, поскольку это может иметь решающее значение для углубления нашего понимания формирования и стабильности Вселенной.

Возможно, что наша Вселенная не совсем стабильна и существует в метастабильном состоянии. В этом контексте она может казаться нам стабильной, но может существовать более глубокое, более благоприятное состояние — состояние с более низким потенциалом, — которое является предпочтительным. Переход в это состояние потребует такого процесса, как квантовое туннелирование. Если бы такой переход произошел, то возникла бы интригующая концепция распада вакуума.

Эта концепция предполагает, что мы могли бы туннелировать из нашего текущего состояния, которое является локальным минимумом, в более глубокий минимум. Если это произойдет, Вселенная, по сути, испарится, что приведет к изменениям и сбоям в законах физики, как мы их знаем. Наши результаты помогут прояснить, в каком из этих сценариев мы на самом деле живем.

Обновленные методы анализа и конкретные методики и технологии коллаборация ATLAS для достижения точных измерений

При измерении массы Хиггса внимание было сосредоточено на улучшении обнаружения энергии фотонов. Значительный прогресс был достигнут в совершенствовании наших низкоуровневых измерений взаимодействий частиц, что повышает нашу способность с большей точностью идентифицировать различные частицы, такие как тау-лептоны, мюоны и нижние кварки.

Еще одной важной областью совершенствования является наша триггерная система. В БАК происходит около 40 миллионов протон-протонных столкновений в секунду. Учитывая огромный объем генерируемых данных, регистрировать каждое столкновение нецелесообразно. В результате мы должны быстро определить, какие события стоит сохранить, а какие следует отбросить, сократив количество регистрируемых событий с 40 миллионов до тысячи.

Этот шаг очень важен, поскольку любое отброшенное событие будет навсегда потеряно и повлияет на наши будущие анализы. Мы запускаем многочисленные алгоритмы машинного обучения в реальном времени в детекторе и изучаем возможность использования нейронных сетей в аппаратном обеспечении для улучшения нашей программы усовершенствованной физики.

На этапе окончательного анализа мы продолжаем использовать машинное обучение, чтобы лучше отличать события Хиггса от похожих событий, которые вносят фоновый шум. Машинное обучение также используется для оценки фона в ранее сложных областях, что позволяет нам более эффективно экстраполировать данные и точно определять места возникновения событий с бозоном Хиггса.

Трудности, связанные с анализом данных предыдущих запусков

Самый последний набор результатов основан на данных, собранных во время второго запуска Большого адронного коллайдера (БАК), который проходил с 2015 по 2018 год. Большинство наших выводов основаны на этом наборе данных, поскольку он значительно больше. Более высокая энергия столкновений, использованная в этом запуске, означает, что мы получаем бозоны Хиггса с большей скоростью, чем раньше. Бозон Хиггса был измерен при энергии 7 ТэВ в 2011 году, снова при энергии 8 ТэВ в 2012 году, а затем при энергии 13 ТэВ с помощью данных, собранных во время второго запуска. Однако наступает момент, когда усилия, необходимые для объединения различных наборов данных, перевешивают преимущества, тем более что теперь мы имеем гораздо больше событий, связанных с бозоном Хиггса.

На человеческом уровне одна из самых серьезных проблем, с которыми мы сталкиваемся, — это сотрудничество. Эксперименты, в которых участвует команда из 3 000 человек, настолько масштабны, что ни один человек или страна не могут справиться со всем самостоятельно. Именно поэтому каждый человек, участвующий в совместной работе, указан в качестве автора в каждой статье. Невозможно отделить вклад в измерение бозона Хиггса от многочисленных процессов, которые способствовали этому измерению.

С самого начала мы держали в контрольной комнате специальную сменную бригаду, которая была доступна круглосуточно. Если возникают какие-либо проблемы, наши специалисты всегда на связи и готовы ответить даже в 4:00 утра, обеспечивая оперативное решение проблем для максимального сбора данных.

Кроме того, значительные усилия уходят на обработку этих данных, реконструкцию результатов и постоянное совершенствование методов. Координация этих задач и обеспечение их успешного выполнения — выдающееся достижение.

Будущие эксперименты и измерения для дальнейшего изучения свойств бозона Хиггса

В настоящее время мы находимся на третьем этапе работы Большого адронного коллайдера, который начался в 2022 году и должен завершиться в середине 2026 года. Цель этого этапа — получить набор данных, примерно в два раза превышающий размер нашей предыдущей коллекции. На всех этапах проекта были реализованы различные улучшения, и планируется внести дополнительные усовершенствования для уточнения наших измерений.

Постоянное совершенствование технологии детекторов частиц имеет решающее значение в преддверии следующего этапа работы БАК. В 2026 году мы вступим в период длительной остановки для подготовки к модернизации всех экспериментов БАК. После этой остановки в 2030 году начнет работу БАК высокой светимости (HL-LHC).

В настоящее время на установке происходит около 60 одновременных протон-протонных столкновений, но планируется увеличить это число до 140, а в перспективе — до 200. Для такого увеличения требуются очень сложные детекторы, способные точно отделять результирующие распыления частиц от отдельных взаимодействий.

Основной целью модернизации является достижение точных измерений самовзаимодействия бозона Хиггса. Большее количество одновременных столкновений дает больше возможностей для наблюдения интересных взаимодействий, однако они также требуют увеличения скорости, с которой мы можем считывать данные. Эффективное разделение происхождения частиц и управление радиационным облучением — важнейшие задачи, которые необходимо решить. Предстоящая интеграция высокосветосильных модернизаций призвана повысить скорость считывания данных при сохранении надежных возможностей отбора событий.

Наша задача — определить, чего мы хотим добиться, как достичь этих целей и как эти стратегии согласуются с различными ограничениями, а именно с тем, что является финансово и технически осуществимым.

Мы находимся в середине процесса под названием «Европейская стратегия», который охватывает всю Европу и похож на американскую инициативу Snowmass. В рамках Европейской стратегии мы регулярно обновляем прогнозы относительно наших возможностей по измерению ключевых явлений, в частности хиггсовских взаимодействий, и используем их для принятия решений о будущем нашей области. Более глубокое понимание этих взаимодействий жизненно важно, поскольку мы стремимся к достижению наших целей к завершению работы БАК с высокой светимостью.

Наша проблема заключается в том, что последние достижения сделали наши предыдущие прогнозы устаревшими. Мы считаем, что можем добиться значительно лучших результатов, чем ожидалось, поэтому пересмотр этих прогнозов каждые несколько лет крайне важен.

Будущий круговой коллайдер (FCC) в настоящее время обсуждается в качестве потенциального следующего шага. Эта инициатива также будет осуществляться в ЦЕРНе с использованием БАК. Текущий процесс включает в себя серию небольших ускорительных цепочек, подающих энергию в сам БАК, который выступает в качестве заключительного этапа для достижения необходимых высоких уровней энергии, подобно последнему этапу эстафеты.

Если проект FCC получит дальнейшее развитие, то он будет представлять собой кольцо диаметром около 100 км, простирающееся под Женевским озером и доходящее почти до Анси. Это, несомненно, будет грандиозное мероприятие, и сейчас мы пытаемся понять, какие выводы можно будет сделать и как оно будет развиваться на основе текущей работы БАК.

После открытия бозона Хиггса встает важнейший вопрос о том, как мы можем использовать это открытие для более непосредственного поиска новой физики. Например, мы изучаем потенциальных партнеров бозона Хиггса и разработали комплексную программу поиска, ориентированную на эти более тяжелые бозоны Хиггса. Кроме того, мы изучаем экзотические распады самого бозона Хиггса, которые могут привести к получению новых частиц. Этот подход особенно актуален в контексте темной материи. Мы знаем, что темная материя существует, и некоторые ее частицы обладают массой, что указывает на то, что в этой области есть аспекты, которые мы не до конца понимаем. Используя бозон Хиггса в качестве инструмента для поиска новой физики, мы можем исследовать интригующие возможности.

Когда БАК был запущен, целью было открытие бозона Хиггса. В то время мы не знали ни его массы, ни его внешнего вида, ни того, будет ли это один бозон Хиггса или несколько вариантов. Стандартная модель предполагала существование одного бозона Хиггса, однако у нас было много причин подозревать, что Стандартная модель может не давать полной картины. Поэтому мы исследовали все возможные пути для обнаружения бозона Хиггса. С момента его открытия поиск дополнительных бозонов Хиггса остается активным и продолжает развиваться наряду с нашими текущими исследованиями.

Ранее ученые сообщили о распаде бозона на фермионы.

На фото: Первая торцевая крышка внутреннего детектора ATLAS после полной установки в криостат с жидким аргоном. Источник: Claudia Marcelloni, CERN.

26.01.2025


Подписаться в Telegram



Хайтек

От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP

В НИЯУ МИФИ создали онлайн-сервис —...

CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее

Передовая роботизированная система CARMA II ус...

Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности
Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности

Ученые из Санкт-Петербургского государств...

MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+
MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+

Инженеры из MIT придумали, как сдела...

Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры
Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры

Сотрудники лаборатории 3D-печати функциональны...

Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов
Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов

Ученые Томского политехнического университета ...

Свет из земли: как глина превратилась в дисплей
Свет из земли: как глина превратилась в дисплей

Мир дисплеев скоро изменится благодаря новым м...

В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии
В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии

В Национальном исследовательском ядерном униве...

Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям
Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям

Комментирует профессор Майя Вергниори, которая...

Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов
Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов

Катайский насосный завод, который находится в&...

Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»
Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехническог...

Science Advances: Ученые сумели подключить электроды к клеткам
Science Advances: Ученые сумели подключить электроды к клеткам

Исследователям из Университета Линчепинга...

Small Methods: Сублимация кристаллов диарилэтена — контроль над формой
Small Methods: Сублимация кристаллов диарилэтена — контроль над формой

Фотомеханические материалы из фотохромных...

Квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году
Квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году

Квантовые датчики находятся в авангарде т...

Стало известно, зачем ЕС инвестирует 24 млн евро в полупроводники
Стало известно, зачем ЕС инвестирует 24 млн евро в полупроводники

Европейский союз предпринимает решительные шаг...

В МИФИ создали интеллектуальную систему контроля работы 3D-принтеров
В МИФИ создали интеллектуальную систему контроля работы 3D-принтеров

Сотрудники Снежинского физико-технического инс...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Платиновая корона и танец молекул: как газы меняют структуру материала
Платиновая корона и танец молекул: как газы меняют структуру материала
PRSBBS: Почему макаки чешутся перед плохими решениями
PRSBBS: Почему макаки чешутся перед плохими решениями
13 миллиардов лет назад: как темная материя управляла галактиками
13 миллиардов лет назад: как темная материя управляла галактиками
Луна, птицы и бактерии: как наука стала главным героем дня в Казани
Луна, птицы и бактерии: как наука стала главным героем дня в Казани
День науки в КАИ: двигатели, стартапы и квантовые технологии
День науки в КАИ: двигатели, стартапы и квантовые технологии
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир
От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир

Новости компаний, релизы

Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
Три представительницы Республики Татарстан стали победителями Всероссийского конкурса Знание.Лектор
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN
В Калуге обсудили меры поддержки молодых учёных региона
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске