Открытие бозона хиггса. Нуруева Р. проект 1121-1. Открытие бозона Хиггса
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Филиал государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования Московской области (университет (Дубна)-Дмитровский институт непрерывного образования (Филиал ДИНО государственного университета(Дубна) Специальность: Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта Исследовательский проект по дисциплине: ФизикаТема: Открытие бозона Хиггса Форма обучения очная Выполнил студент: 1 курса, группы 1121-1 Нуруев Руслан Уланович Руководитель: Нагиева Арина Арифовна Дмитров 2022г. СОДЕРЖАНИЕ
Введение Июль 2012 года. Сотни ученных собрались выслушать отчет о частицах, на поиск которых потратили 20 лет и 10 миллиардов евро. Для которой построили подземный туннель в двадцать семь км, и которая просуществовала одну йоктосекунду (1/1000000000000000000000000) Ученный Питер Хиггс, теорию которую он создал 50 лет назад, оказалась правдой. Масса Бозона Хиггса решит сможем ли мы найти частицы темной материи или существуют другие вселенные. А в нашей мы не откроем больше ничего нового. По мнению учёных, Бозон Хиггса поможет понять сущность строения мира. Показать, что весь мир состоит из мельчайших частиц и почему эта частица нужна современной физике. Эта частица со спином 0 играет фундаментальную роль в стандартной модели (СМ): она ответственна за нарушение электрослабой симметрии, что позволяет калибровочным бозонам W и Z приобрести массу; более того, она придает фермионам их характерные массы посредством взаимодействия юкавского типа с хиггсовским полем. Цель проекта: Описать открытие и исследование Бозона Хиггса. Задачи проекта: изучить материал по данной теме. исследование и описание эксперимента открытия Бозона Хиггса. сделать выводы. Методы и средства: теоретические - (изучение литературы, Интернет-ресурсов по соответствующей теме); практические - (изучение научных исследований и экспериментов). Глава-1 Бозон Хиггса. Определение Бозона Хиггса. Итак, в Швейцарии нашли последнюю недостающую частицу, которую пророчили еще 50 лет назад, а последние 20 лет за ней охотились - это Бозон Хиггса, но мало кто понимает, зачем он нужен. Бозон Хиггса - это финальный элемент под названием “Стандартная модель”. Что такое стандартная модель? Можно привести хорошее сравнение, стандартная модель - это код нашей вселенной. Если компьютерный код - это единицы и нули, то код нашей вселенной выглядит вот так:  Рисунок 1.1-Стандартная модель Это универсальный код ко всему на свете. Все что мы знаем на сегодняшний день. Все люди, воздух, вода, небо, планеты, солнце, тепло которое вы ощущаете, картинки в инстаграме, галактики, черные дыры, ваша собака, ее лай, вообще все звуки и запахи. Самая знаменитая формула E=mc2 говорит, что масса и энергия - это одно и тоже. То есть на языке физики я это чуть больше 5 квинтиллионов Дж = 60 кг. 59, 265г. Из этого энергия, которая связывает частицы в моем теле и не дает им разлететься в разные стороны. А вот остальные 735 грамм это и есть частицы. И вот эту массу им дает поле Хиггса с помощью бозонов Хиггса. Частицы движутся сквозь них и вязнут как ложка в меде. Вспомните как тяжело бегать по песку, такое чувство будто у вас увеличилась масса. Так же и частицы пробираются сквозь поле Хиггса, получая таким образом массу. Чем больше вязнешь, тем больше масса. Все пространство пронизано полем Хиггса. Поэтому, где бы не появилась частица, поле Хигса всегда подскажет ей её массу. Именно так частицы понимают кто они есть. Другими словами, без поля Хиггса электрон сомневался бы, что он электрон. Вы уже знаете: мы состоим из клеток; клетки из молекул; молекулы из атомов; атом из электронных оболочек и маленького ядра в центре; ядро из протонов и нейтронов. И вот здесь кончается школьная физика, но нам нужно опуститься дальше, глубже. Итак, протоны и нейтроны состоят из кварков, склеенных глюонами. Те 59 кг внутри меня - это и есть пружинки глюонов, которые скрепляют 700 гр моих кварков. Они – элементы Стандартной модели. Вся материя сегодня, всё абсолютно, состоит только из этих частиц. Нейтрино образуются на Солнце. А вот остальные: прелестные, странные, очарованные кварки, мюоны и тау были материей только в момент зарождения Вселенной. Сейчас их нет, но их можно получить в коллайдерах. А вот бозоны - эти частицы определяют, как материи между собой взаимодействуют. Они, как посыльные, скачут между фермионами и сообщают, что им делать друг с другом. Глюон отвечает за сильное взаимодействие, мощнейшую силу в природе. Она как клей склеивает кварки внутри протонов и нейтронов. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие. Это радиоволны, видимый свет всех цветов, радиация и сила отталкивания молекул. W Бозон и Z Бозон переносят слабое взаимодействие. Они отвечают за радиоактивный распад и термоядерную реакцию в центре Солнца, например. А вот частица, которая свяжет всё остальное воедино - Бозон Хиггса. Одна частица, чтобы править всеми! Как она будет выглядеть? Представьте шарик, как в школе. Представили? Можете забыть об этом. Фермионы, бозоны и прочие элементарные частицы вообще нельзя представить, нельзя унюхать, нельзя потрогать, нельзя увидеть, ничего нельзя сделать. Это магия, говорить о которой мы можем только на языке математических уравнений. Получение «частицы бога». Эту частицу СМИ прозвали “частицей бога”. Получить ее в чистом виде невероятно сложно. Она существует в мире всего одну септиллионную долю секунды (1/1000000000000000000000000). Чтобы поймать ее и построили большой адронный коллайдер. Место нахождение которого как я и говорил находится в Швейцарии. Идея за этим проста - разбить протоны и посмотреть что из этого получиться. Все начинается с баллона с водородом (H2), как у сварщиков. Но нам нужен не он, а его протоны. Для этого атомы водорода ионизируют. То есть просто отрывают от них электроны. Затем их запускают в линейный ускоритель. Это по сути большой электромагнит который играет роль первой ступени ракеты. Их запускают пучками по 30 см. (банчими). Затем протоны запускают в бустер, который ускоряет их до 91% от скорости света. Потом синхротрон, где они разгоняются до 99,9% от скорости света. Затем супер синхротрон разгоняет их еще сильнее. И наконец банчи выпускаю в главное кольцо длинной 27 км. Это на 7 км. больше, чем кольцевая линия московского метро. Только вместо поездов здесь разгоняют банчи протонов и там они разгоняются на 99,99999999997% от скорости света. Это максимальная скорость, которую когда-либо получал человек. 27 км. трубы набитой магнитами. Одни магниты ускоряют частицы, каждый раз давая им магнитный пинок и изгибают их, чтобы заставить их вращаться по кольцу. А другие удерживают протоны вместе, не давая им разлететься. По сути, вся труба - это большой магнит. Пучки в трубе летят в противоположные стороны, чтобы потом столкнуться в одной точке и разбиться, устроив мощнейшее ДТП со времен большого взрыва. Контакт человека с частицей. Что произойдет если засунуть голову в трубу адронного коллайдера и встретиться с таким пучком энергии? Благодаря одному случаю, мы знаем что! Все начинается с у-70 - самый большой ускоритель частиц в ссср.  Рисунок 1.2-Большой ускоритель частиц У-70 40 лет назад физик Анатолий Бугорский случайно засунул туда голову. Пучок частиц попал ему в затылок, прошел через мозг и среднее ухо и вышел через нос. Ученный оглох на левое ухо и начал страдать от эпилепсии, однако, интеллект не пострадал. Он до сих пор жив и работает на русском ускорителе. В большом адронном коллайдере энергии в 200 раз больше, так что голову просто разорвет в клочья. Фотоаппарат для большого взрыва. И так мы разогнали частицы и устроили мощнейший взрыв. Что же дальше? Фотографировать. Но нам понадобиться необычный аппарат. Это главная часть коллайдера, детекторы. Это огромные фотоаппараты, которые регистрируют квантовую магию. Основных детекторов в коллайдере 4: ATLAS – самый большой, длинной в 46 м. и на котором зафиксирован Бозон Хиггса. ALIS - на котором создают большой взрыв в миниатюре. LHCb - где изучают вопрос почему пир и антимир не симметричны. CMS - компактный мюонный соленойд. Устройство детекторов. Они как пятиэтажные швейцарские часы, каждая деталь который четко отрабатывает свою функцию. Пиксельные и трековые детекторы отслеживают путь частиц, вылетающих при столкновении, колориметры останавливают частицы и поглощают их, чтобы измерить энергию. Наконец, снаружи стоят огромные пластины для мюонов – частиц, которые прошивают вообще все вокруг. Все это нужно, чтобы частицы, летящие со скоростью света, устроили самое красивое шоу. Детекторы – это не только мощный фотоаппарат, это ещё и машина времени. Alice, позади меня переносит нас на 14 млрд лет назад. В то время, когда атомы ещё не сформировали молекулы, да и самих атомов не было. Благодаря ей мы знаем что в 0.000000000001 с. после «большого взрыва» не было даже протонов, нейтронов и атомов. Их содержимое плавало отдельно. Вселенная была заполнена кварбленной плазмой. Внутри нее достигается температура в 9 триллионов градусов. Это в 1000 раз жарче чем солнце. Так было при «большом взрыве» 14 млрд лет назад, так происходит и сейчас здесь. Другого такого места во Вселенной мы не знаем. Но чтобы достичь такой температуры, протонов уже не хватит, нужно что-то потяжелее. Здесь сталкивают ядра свинца – самого тяжелого из стабильных элементов. И если в CMS сталкивают легковушки, то тут сталкивают грузовики. Но откуда столько частиц? Дело в том, что на квантовом уровне происходит нечто странное: внутри при такой энергии появляются частицы, которых не было изначально. Представьте, что вы сталкиваете два арбуза, а получаете апельсины, яблоки и даже фейхоа. В этом и суть квантовой механики. При этом законов физики это не нарушает. Масса остаётся прежней. Было 10 кг арбуза – стало 10 кг других фруктов. Каждый раз вылетает разный фрукт, поэтому нужно сталкивать много раз, чтобы получился джекпот. Таких столкновений в секунду происходит миллионы. Глава-2. Первое наблюдение новой нейтральной частицы. 2.1.Июль 2012 г.: открытие бозона Хиггса. В 2012 г. энергия столкновения протонов в системе центра масс LHC была увеличена с 7 до 8 ТэВ. Соответственно, сечение рождения бозона Хиггса для mH около 125 ГэВ должно было увеличиться на 27 %. В предшествующем разделе обсуждалось, что поиски бозона Хиггса выполнены на установках ATLAS и CMS с экстраординарной точностью во всех диапазонах масс с концентрацией особого внимания на области малых масс, где данные при 7 ТэВ показали интригующее превышение над фоном. Анализы ATLAS и CMS были выполнены «вслепую»: перед проведением анализа в кинематической области поиска сигнала критерии отбора оптимизировались на контрольном наборе данных и моделировании Монте-Карло. Исследования были выполнены на начальной статистике 5 фб−1, полученной в экспериментах при √s = 8 ТэВ и объединенной полным набором со статистикой 5 фб−1, записанной при 7 ТэВ. Краткий обзор основных результатов, которые привели к открытию новой нейтральной частицы с массой около 125 ГэВ, представлен в следующих разделах. Детали анализа данных доступны в оригинальных статьях ATLAS и CMS (позднее коллаборация CMS опубликовала расширенную версию статьи по этому анализу). 2.2. Измерение массы. Для измерения массы бозона Хиггса ATLAS и CMS выбрали модельно-независимый подход. Наилучшие результаты получены комбинацией измерений в двух каналах с высоким разрешением: H → γγ и H → ZZ(∗) → llll. В них сигнал бозона Хиггса выглядит в массовом распределении как узкий пик над гладким фоном с характерным экспериментальным разрешением 1,5–2 ГэВ. Поэтому информация о массе может быть извлечена без предположений о вероятности рождения и распада бозона Хиггса. Предполагается, что в очень узкой области эффекты интерференции с фоновыми процессами СМ малы. Более грубые измерения массы могут быть получены с использованием H → WW∗, H → τ τ и H → bb. Чтобы измерение величины mH не полностью зависело от предсказанных СМ вероятностей распада и рождения, масштабные коэффициенты сигнала основных процессов рождения ggH.  Рисунок 2.1-Измерение массы Рисунок 2.2-Измерение массы Профиль логарифмической функции правдоподобия в каналах H → γγ, H → ZZ(∗) → llll и их комбинации на ATLAS. Допускается независимое варьирование интенсивности сигнала в обеих модах распада. б) Зависимость тестовой статистики q(mH) = −2Δln L от массы бозона mH для конечных состояний H → γγ и H → ZZ(∗) → llll по отдельности и в комбинации на CMS ttH→ γγ, VBF, V H → γγ и pp → H → ZZ(∗) → llll учтены как независимые, неограниченные параметры. Предполагалось, что во всех каналах сигнал представляет собой одиночное, узкое состояние с массой mH Наиболее вероятное значение mH и соответствующие погрешности получены аппроксимацией комбинированной тестовой статистики q(mH) с тремя масштабными коэффициентами взаимодействия сигнала и со всеми другими мешающими параметрами. На рис. 2.2 показаны результаты, полученные в обоих экспериментах. Они согласуются в пределах ошибок (2,0σ на ATLAS и 1,6σ на CMS). Коллаборация CMS измерила массу mH = 125,02+0,26 −0,27(стат.) +0,14 −0,15(сист.) ГэВ, а измерения ATLAS показали mH = (125,36 ± 0,37(стат.) ± 0,18(сист.)) ГэВ. Недавно CMS и ATLAS объединили свои измерения. Результаты получены одновременной аппроксимацией пиков распределений по реконструированной инвариантной массе в двух каналах с высоким разрешением. Объединенные измерения массы бозона Хиггса дают mH = (125,09 ± 0,24) ГэВ = (125,09 ± ± 0,21(стат.) ± 0,11(сист.)) ГэВ, что соответствует точности порядка 0,2 %. В полной погрешности доминирует статистический вклад, в то время как систематические ошибки в основном связаны с неопределенностями масштаба энергии импульса, а также c разрешением фотонов и лептонов. Заключение. В проекте была поставлена цель описать открытие и исследование бозона Хиггса. В 2012 г. в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН была открыта новая незаряженная частица с массой mH = (125,09 ± 0,21(стат.) ± 0,11(сист.)) ГэВ, чьи свойства на сегодняшний день полностью совпадают (в пределах теоретических и экспериментальных погрешностей) с предсказанными СМ для бозона Хиггса с соответствующей массой. Вся доступная в настоящее время информация подтверждает гипотезу, что открыто фундаментальное скалярное поле, которое проникает во все уголки нашей Вселенной. После открытия этой новой частицы СМ закончена и все ее главные параметры могут быть экспериментально измерены. Таким образом, эта теория может быть полностью подтверждена или опровергнута современными и будущими прецизионными измерениями. Это беспрецедентная ситуация в физике высоких энергий, открывающая новые направления исследований в попытке понять материю и Вселенную. В этом контексте крайне важно выявить истинную природу нового бозона и ответить на открытые вопросы, которые уже поставлены: единственна ли эта новая частица или существуют другие подобные партнеры? она элементарна или имеет структуру? точно ли это бозон Хиггса, или малая аномалия ее свойств укажет на существование новой физики за рамками СМ? Реализация научной программы, разрабатываемой для ответа на эти вопросы, потребует большого количества данных при максимально возможной энергии столкновений на LHC. Эти данные позволят осуществить поиск новых явлений на масштабе энергий в несколько тераэлектронвольт и измерить константы связи частицы с массой 125 ГэВ с элементарными фермионами и бозонами с точностью в несколько процентов. Этот новый набор результатов прольет свет на глубину природы новой частицы, что даст важную информацию для определения стратегии создания новых установок в рамках исследований по физике элементарных частиц. Список литературы 1. В. А. Ацюковский. Критический анализ основ теории относительности. 1996. 2. Дж. Бернстейн. Спонтанное нарушение симметрии// Сб. Квантовая теория калибровочных полей. 1977. 3. Н. Н. Боголюбов, Д. В. Ширков. Квантованные поля. 1980. 4. А. А. Богуш. Введение в калибровочную полевую теорию электросиловых взаимодействий. 2003. 5. В. Г. Веретенников, В. А. Синицын. Теоретическая механика и дополнения к общим разделам. 1996. 6. В. И. Денисов, А. А. Логунов. Существует ли в общей теории относительности гравитационное излучение? 1980. 7. Ellis J., Gaillard M. K., Nanopoulos D. V. A Historical Profile of the Higgs Boson. KCL-PH-TH-2012-04, LCTS-2012-01, CERN-PH-TH-2012-009, LBNL, UCB-PTH-12-01, ACT-1-12, MIFPA-12-01. 2012. 8. Tonelli G. The Seven Months That Changed Physics: The Discovery of the Higgs Boson and Its Implications for High Energy Physics / Europhys. News. 2012. V. 43, No. 5. P. 20–25. 9. А. Д. Долгов, Я. Б. Зельдович. Космология и элементарные частицы. / УФН, 1980, т.130. 10. В. И. Елисеев. Введение в методы теории функций пространственного комплексного переменного. 1990. |