Nobelpriskandidat: Peter Higgs under sitt besøk i CERN i 2008, her foran CMS-detektoren. Partikkelen som ble spådd av ham i 1964, er i ferd med å bli oppdaget Foto: Maximilien Brice / CERN
Den nye partikkelen har omtrent 133 ganger massen til et proton og er den første store oppdagelsen av høyenergi partikkelfysikk på nesten 20 år. Talsmennene for CMS og ATLAS Fabiola Gianotti og Joe Incandela rapporterte i morges på CERN-forskningssenteret i Genève om den nåværende dataanalysen. Den statistiske betydningen er nok for en oppdagelse, men hvorvidt den egentlig handler om Higgs-partikkelen, kan ennå ikke si definitivt. Dette vil avklare ytterligere målinger de kommende månedene. Nåværende Peter Higgs, som hadde spådd bosonens eksistens i 1964, tørket øynene fra følelsens tårer. Og CERN-sjef Rolf Heuer utbrøt selvsikkert:? Som lekmann vil jeg si: Vi har det !? Higgs-partikkelen er den siste manglende byggesteinen i standardmodellen av elementære partikler. Og det er kvantet? en slags begeistret tilstand? av et grunnleggende felt, Higgs-feltet, som gjennomsyrer hele universet. Elementærpartiklene, som har en masse, får dette gjennom interaksjon med Higgs-feltet. Betydningen av Higgs-partikkelen er tilsvarende stor: vi skylder til slutt vår eksistens.

Store forventninger

Higgs-partikkelen kan ikke observeres direkte. Den er veldig massiv og ekstremt kortvarig, noe som betyr at den forfaller umiddelbart. Men dens forfallprodukter avslører det. Forutsatt at du har målt nok av disse forfallene til å komme med en statistisk signifikant uttalelse. For dette er det imidlertid nødvendig å først produsere nok Higgs-partikler. Og for å måle forfallene? noe som kompliserer det faktum at det ikke bare er én type forfall, men veldig mange. Hvor ofte Higgs-partikkelen brytes ned til hvilke produkter på hvilken måte er forutsagt veldig nøyaktig av standardmodellen av elementære partikler. Til syvende og sist opererer LHC-detektorene dermed søppel og søk i steinsprut. På den annen side er søket etter den ordspråklige nålen i en høystakk selvfølgelig barns lek. Men nå er det produsert godt over 100 000 Higgs-partikler på LHC. Nok forfallskandidater så for den ekstremt komplekse og sofistikerte dataanalysen.

Allerede i fjor fant fysikerne bevis på et signal ved energier på rundt 125 gigaelektronvolt, noe som indikerte eksistensen av Higgs-partikkelen. (Energienhetens elektron volt blir også brukt av partikkelfysikere for å indikere massen, som ifølge Albert Einstein tilsvarer energien: 125 gigaelektron volt tilsvarer omtrent massen på 133 protoner eller ett jodatom.) Den statistiske betydningen var imidlertid fortsatt for lav å komme fra? indikasjoner? eller til og med fra? oppdagelse? å snakke. Selv en senere kombinert evaluering av alle data var under tre sigma standardavvik, kriteriet for "note". Men siden den gang har datamengden mer enn doblet seg? forventningene var tilsvarende høye. utstilling

Forklaring: I partikkelfysikk foregår deteksjonen av en ny partikkel vanligvis i to trinn, siden målingene er basert på statistikk. Forskerne angir derfor sannsynligheten for et riktig resultat som en såkalt betydning for hvert av resultatene deres. Enheten er sigma, oppkalt etter den greske bokstaven for S. Den første fasen ("bevis", tegn) nås når signalet til partikkelen viser en sannsynlighet på 99, 75 prosent. Dette tilsvarer en betydning av 3 sigma. Fra andre trinn, en "oppdagelse", snakker forskerne med en betydning av 5 sigma. Det er en feilsannsynlighet på bare 0, 000057 prosent.

På årets største partikkelfysikk-konferanse, den 36. internasjonale konferansen om høyenergifysikk (ICHEP 2012) i Melbourne, Australia, de siste dataene fra de to store detektorene ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) og CMS (Compact Muon Solenoid ) på den største partikkelakseleratoren i verden, Large Hadron Collider (LHC) ved CERNs forskningssenter nær Genève. CERN-forelesningssalen var også vert for det etterlengtede seminaret, som ble sendt til Melbourne og også streamet live over hele verden via livestream på internett. Dette gjør ICHEP 2012 til den første globale konferansen for å bygge bro over hele kontinenter, sa generaldirektør RERN Heuer i innbydende til tiden klokka 9 CEST. "Det er en global hendelse og viser at vi samarbeider rundt om i verden."

Det ene trikset: CMS

Da startet CMS-talsmann Joe Incandela sin rapport. Som var basert på intensivt arbeid fra hundrevis av fysikere? og mange søvnløse netter. Incandela oppsummerte analysen av data som ble målt i fjor og siden mars 2012 til to uker siden. CMS, som ATLAS og de andre detektorene på LHC, registrerer hva som skjer når protoner kolliderer i nær lyshastighet og eksploderer i et fyrverkeri. I prosessen lages en hel serie partikler. Blant dem, i henhold til den teoretiske forventningen, er det alltid Higgs-partikler.

LHC har allerede generert flere protonkollisjoner i år enn i hele 2011 (en integrert lysstyrke på 5, 3 inverse femtobarns (fb -1 ) vs. 5.1 fb -1 ) en betydelig større sentrum av massenergi (8 mot 7 teraelektronvolt). Denne enorme kraften, sammen med effektivt globalt samarbeid i dataanalyse, er grunnen til at de foreløpige resultatene allerede er kunngjort. Noen ganger overlapper 30 til 50 kollisjonshendelser samtidig? en stor utfordring for analysen, men også en flott ytelse av maskinen. I mellomtiden har hun allerede målt standardmodellen av elementære partikler til en prosent. Og dataene stemmer perfekt med de teoretiske forventningene.

CMS har studert de fem viktigste forfallskanalene til Higgs boson. tre
tilveiebringe par bosoner (fotoner, Z- eller W-partikler) og to par fermioner
(bunnkvarker eller tau leptoner). De tre første er de mest følsomme. Fotonene (gamma quanta) og Z-partiklene gir spesielt gode data for Higgs-massen, W-partiklene som forfaller til et elektron eller muon (og i nøytrinoer) gir et mer nøyaktig signal, men som er vanskeligere å oppdage. CMS har foreløpig ikke registrert nok data til et signal i bunn- og tau-kanalene. I gamma-, Z- og W-kanalene oppdaget CMS et signal med en statistisk signifikans på 4, 1, 3, 2 og 1, 5 sigma ved en energi på 125 gigaelektronvolt. Kombinert for alle fem kanaler gir dette en signalbetydning på 4, 9 sigma for eksistensen av en partikkel med massen 125, 3 pluss / minus 0, 6 gigaelektronvolt.

Hvis du begrenser deg til gamma- og Z-kanalene, er betydningen til og med 5.0 sigma? kriteriet for et funn i partikkelfysikk. Det betyr at sannsynligheten for ikke å gjøre en målefeil eller ha oppdaget et rent tilfeldig signal er større enn 99.99993 prosent. Dette tilsvarer en sannsynlighet på 1, 74 millioner til 1. Da Incandela viste dette antallet, brøt det ut applaus i hørselssalen i CERN.

Dataanalysen ble? Blind? det betyr ikke fra begynnelsen at det bare angår visse regioner i Dataroom, for ikke å gi etter for selvbedrag. Og to uavhengige team fra CMS var involvert i analysene, noe som muliggjorde gjensidig kontroll. “Resultatene er fremdeles foreløpige?” Understreket Incandela. Men implikasjonene er veldig betydningsfulle.

Det andre trikset: ATLAS

Deretter tok talskvinnen for ATLAS-teamet mikrofonen, Fabiola Gianotti. Hun snakket også om den utmerkede ytelsen til LHC og det verdensomspennende samarbeidet med forskerne, den utmerkede kvaliteten på dataene og den ekstraordinære hastigheten på analysene. Og i likhet med Incandela, presenterte hun en kombinert dataanalyse av målingene 2011 og 2012 basert på omtrent en firekilots protonkollisjoner. ATLAS registrerte enda mer enn CMS (ca. 5, 9 fb -1 ).

Så langt har ATLAS-teamet kun fokusert på to forfallskanaler i 2012-dataene: på den ene siden forfallet av den antatte Higgs-partikkelen til to fotoner (fotonkanal), på den andre siden i fire leptoner? Elektroner eller muoner (Z-kanal). I begge kanaler kan Higgs-massen rekonstrueres veldig presist fra forfallsproduktene. I fotonkanalen forekommer flere forfall, men "undergrunnen"? Andre prosesser er også relativt store (selv om de er godt forstått i teorien og derfor kan utelukkes). I Z-kanalen er det mye mindre forfall, men den urovekkende bakgrunnen er nesten fullstendig fraværende. I begge forfallskanalene fant forskerne et signal med omtrent samme masse: 126, 5 gigaelektron volt. I fotonkanalen er betydningen 3, 6 sigma (eller 4, 5, hvis man ikke vurderer den såkalte "look other" -effekten, det vil si spesifikt kandidatområdet). Kanal er 3, 4 sigma. Kombinasjonen av disse og andre kanaler ga en statistisk signifikans på 5, 0 sigma. Igjen avbrøt applaus foredraget. ? Vi observerer i våre data klare signaler om en ny partikkel, med en betydning av 5 sigma, i masseområdet rundt 126 gigaelektronvolt?, Oppsummerte Fabiola Gianotti.

Stående ovasjoner og tårer fra omrøreren

Lytterne i CERN-auditoriet så vel som i Melbourne (allerede ventet på kveldskonferansens bankett) var litt slitne etter dusinvis av Powerpoint-lysbilder i tillegg til å være begeistret for den utmerkede kvaliteten på dataene. Et historisk øyeblikk av partikkelfysikk.

Da snakket CERN-sjef Rolf Heuer igjen. Som lekmann vil jeg si: Vi har det !? Tordnende applaus, endelig til og med stående ovasjoner.

Det er tydelig at snakk om Higgs 'oppdagelse? fremdeles kan ikke være en vitenskapelig uttalelse!

Fra fysikkens synspunkt er Higgs-partikkelen ennå ikke oppdaget! Men det hadde ingen sagt. Og Heuer satte det i perspektiv: ”Vi har et funn! Det er en partikkel som er kompatibel med Higgs boson. Men vi begynner akkurat å si det. Men vi kan være veldig optimistiske.? Og han la vekt på: "I dag er en historisk milepæl. Det var en global innsats, og det er en global suksess.

Publikum ble allerede møtt med respekt av applaus da han nærmet seg seminaret, inkludert den skotske fysikeren Peter Higgs, som hadde spådd eksistensen av Higgs-partikkelen i 1964. Da han så de 5 sigma-dataene, kom tårer i munnen i øynene hans. Senere takket han ATLAS- og CMS-teamene for det flotte arbeidet og gratulerte dem med suksessen. Men han la også vekt på at det ikke var aktuelt for ham å svare på spørsmålet om partikkelens eksistens. Og han sa: "Jeg trodde ikke det ville skje i løpet av min levetid."

Også i publikum var Fran ois Englert, Gerald Guralnik og Carl Richard Hagen, som sammen med den allerede avdøde Robert Brout og den fraværende Tom Kibble også i 1964 (og til dels uavhengig av Higgs) eksistensen av Higgs-feltet har mistenkt. De uttrykte også sin glede med korte uttalelser.

Et grunnleggende felt i universet

På en times times pressekonferanse svarte Heuer, Gianotti, Incandela og CERNs forskningsdirektør Sergio Bertolucci på spørsmål fra en rekke journalister. "Vi har lyktes med å kunngjøre, " understreket Heuer nok en gang. "Vi har oppdaget en ny partikkel, sannsynligvis Higgs boson. Jeg tror vi fant den siste manglende delen av standardmodellen. Men reisen er ikke over ennå.? Og han gjentok at fra et strengt vitenskapelig synspunkt kan Higgs-partikkelen ennå ikke anses oppdaget. Til og med den nå publiserte CERN-pressemeldingen snakker forsiktig bare om observasjonen av "en partikkel som er forenlig med det ettertraktede Higgs-bosonet". Pressemeldingene til ATLAS og CMS er også forsiktige.

Men det reduserer ikke resultatene for dagen. "Som lekmann, vil jeg si at vi oppdaget det, " sa Heuer igjen. Som vitenskapsmann må jeg spørre: hva er det? Vi fant en boson. Men hva slags ?? Og han la vekt på at med oppdagelsen av Higgs-partikkelen for første gang i vitenskapshistorien, ville et grunnleggende skalarfelt oppdages (et slikt felt beskrives bare med verdier i rommet, lik temperaturfordelingen i et rom, men ikke med retningsvektorer - alle kjente felt, noen elektromagnetiske, har også slike vektorstørrelser).

Ingen godsicles

Å forestille seg Higgs-feltet er ikke mulig. Og hvem av? Guds partikler? si, bruker en helt feil metafor. Ordet tilskrives fysikens nobelprisvinner Leon Lederman da det taker tittelen på en populærvitenskapelig bok, men det var en oppfinnelse av forlaget hans? han snakket bare om den "forbannede partikkelen" fordi den er så vanskelig å finne, og ikke hadde noen religiøse intensjoner. Higgs forsvarer seg også mot begrepet. På den ene siden er han ateist, på den andre siden er han redd for at "guds partikler" ville fornærme religiøse mennesker.

Så Higgs boson er en veldig jordisk ting. Eller rettere sagt et universelt, fordi Higgs-feltet er overalt. Men hvordan skal man forstå det?

Kanskje hjelper en analogi: du kan sammenligne Higgs-feltet med en jevn, urørt snøoverflate. Å hoppe over dem uten å legge igjen et avtrykk ville være som en masseløs partikkel, for eksempel et foton, som skynder seg gjennom Higgs-feltet som den ikke samhandler med. Sakte partikler som kvarker og elektroner, derimot, samhandler med feltet og får dermed deres masse? som en turgåer som synker dypt ned i snøen med støvlene. I denne analogien er de individuelle snøflakene Higgs-partiklene. I denne forbindelse oppstår det legitime og faktisk veldig viktige spørsmålet om det bare er en type Higgs-partikkel eller flere forskjellige, og om disse er elementære eller består av mer grunnleggende komponenter som en snøfnugg av iskrystaller.

Fortsatt mye jobb!

Dataanalysen fortsetter på full hastighet for ATLAS og CMS. Planlagt er allerede i slutten av måneden en første publikasjon. Ved siden av i den samme utgaven av en journal. Selv om de to lagene konkurrerer med hverandre, samarbeider de også og kontrollerer og støtter hverandre. Hvis bare ett eksperiment fant Higgs-partikkelen og det andre ikke, ville fysikerne ha et stort problem.

Heuer kunngjorde også at i går ble beslutningen tatt om å kjøre LHC ved 8 teraelcond i to til tre måneder lenger, før han ble lagt ned i knapt to år som planlagt, til service og overhaling, og for de 14 teraelectronvolts For å forberede massemassen som den ble utviklet for. "Vi ønsker å få så mye data vi kan før, men da trenger LHC en pause."

Hvis alt går etter planen, vil det være klart allerede høsten i år om standardmodellen Higgs-partikkel eksisterer eller ikke. CERNs generaldirektør Rolf-Dieter Heuer lovet dette i fjor i et intervju med bild der wissenschaft. Og på en konferanse i mars var Heuer enda mer selvsikker: LHC er allerede hjemme hjemme rett ved Higgs-søket.

Sterk tysk deltakelse

At observasjonen av denne enorme, ennå ukjente partikkelen ved LHC allerede med for? Funn? Betydelig betydning kan rapporteres, er en etterlengtet, stor og fortjent suksess for de deltagende instituttene og forskere over hele verden !?, fornøyd Siegfried Bethke, direktør ved Max Planck Institute for Physics i München.

Han er en av de mer enn 700 tyske forskerne som er involvert i ATLAS og CMS (inkludert rundt 400 juniorforskere). Betydelige deler av begge detektorene ble utviklet og bygd i Tyskland. Forskere fra Tyskland bidrar også til operasjonen og datainnsamling og analyse. Karlsruhe Institute of Technology (KIT), den tyske Electron Synchrotron DESY i Hamburg, Max Planck Institute for Physics og 16 universiteter er alle viktige noder i LHC Computing Grid. Dette lagrings- og datanettverket muliggjør analyse av enorme mengder LHC-data. Under tysk ledelse har og er det blitt utviklet detektorteknologier som kan brukes langt utenfor partikkelfysikk.

Higgs, Higgs, Hurra!

De nye dataene er en stor grunn til å være lykkelige. Men ingen klar oppdagelse. Selv et krystallklart signal, som det nå begynner å dukke opp, ved 125 til 126 Gigaelektronenvolt, er fremdeles ikke noe bevis på Higgs-partikkelen. Dette krever også data om andre forfallsprosesser som ATLAS og CMS ennå ikke har tilstrekkelig. I tillegg må fysikere studere atferden til Higgs-kandidaten, så vel som dens egenskaper. For eksempel, med mindre det er klart at dets spinn (indre vinkelmoment?) Er 0, er det ikke bevist at det er den etterlengtede partikkelen som gir andre inerte partikler deres inerte masse.

Men ventetiden kommer snart til en slutt. "Om det virkelig er en Higgs-partikkel, vil vi sannsynligvis kunne si til høsten, " sa Thomas Müller i intervjuet Bild der Wissenschaft. Müller er fysikkprofessor ved Institute for Experimental Nuclear Physics ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og medlem av CMS-teamet. Fordi vi også trenger data om koblinger, spinn og fermioniske forfallskanaler. For øyeblikket har vi ikke slike målinger tilstrekkelig.

"Backstage, vi diskuterte hvordan vi vil kommunisere det, " forklarer Müller. ? Enten fra? Observasjon?, ? Skilt? eller? funn? er også et spørsmål om semantikk, "kommenterer han. "Det er klart at vi med stor sannsynlighet har oppdaget et signal som verken er en tilfeldighet eller en målefeil.

Dermed har LHC nå kommet inn i virkelig nytt fysisk territorium. Etter å ha "oppdaget" hele den kjente standardmodellen for elementære partikler de første månedene, og dermed bekreftet de utallige data fra forgjengerne, begynner nå en ny epoke.

Fortsatt mange overraskelser mulig!

Så det er fortsatt mulig at LHC oppdaget en ny boson, men det er ikke Higgs-bosonet til standardmodellen? eller kanskje ikke en Higgs-boson. Og hvis det blir bekreftet at den nye partikkelen har et spinn (en type momentum) på 0, noe som gjør den veldig forskjellig fra de kjente bosonene (som fotoner, W og Z-partikler), fordi de har en spinn på 1, er fremdeles ikke bevist å være standard Higgs. Det kan være andre Higgs-partikler. Så sier den minimale supersymmetriske utvidelsen av standardmodellen? en fortsatt spekulativ hypotese? foran eksistensen av fem forskjellige Higgs-partikler. De neste månedene blir spennende, med overraskelser kan forventes.

Hva er det neste?

De neste månedene vil bli preget av grundig dataanalyse, nye modellberegninger og fremfor alt ytterligere målinger. Virksomhet som vanlig ved LHC og det verdensomspennende teamet av fysikere.

Først må signalet bekreftes ved 125 gigaelektronvolt, det vil si at den statistiske betydningen må være enda bedre. Det er bare et spørsmål om tid, når alt går så bra med LHC og detektorene. Faktisk har forskere allerede i dag mer data enn de kunne forestille seg i Melbourne. ? I løpet av de to siste ukene har ATLAS og CMS registrert mange flere forfall. Hvis de også blir evaluert, er vi kanskje allerede over fem sigma ?, sier Thomas M ller med hensyn til 4.9 sigma fra CMS-dataanalysen.

Så kommer karakteriseringen av partikkelen: Hvilke egenskaper har den, hvordan oppfører den seg? Først når dette er tilstrekkelig kjent, vil det være klart om Higgs-bosonen virkelig står bak den. Thomas M ller er trygg på :? Jeg vedder på en månedslønn for mange år siden at standardmodellen Higgs eksisterer i dette massespekteret. Det går bare for godt sammen, naturen ser ut til å ha liten fantasi for overraskelser.?

Neste gasspedal

"Det ville også være veldig interessant å måle Higgs-potensialet selv, " sier M ller. ? Dette handler om selvkoblingen av partikkelen. Dette kan studeres i hendelser der det ble opprettet en virtuell Higgs-boson som ga ut en ekte Higgs-boson. Men LHC kan ikke finne ut av det, vi trenger en ny lineær akselerator for det.

Det eksisterer allerede planer for slike akseleratorer. International Linear Collider (ILC) har kommet så langt i styret og i forkant av komponentdeler at byggingen kunne begynne umiddelbart hvis finansieringen ble sikret. Konseptet til Compact Linear Collider (CLIC) er enda mer krevende, men ikke fullt så avansert. Hvilken akselerator som følger eller supplerer LHC, når og hvor, er ennå ikke bestemt. Men så snart Higgs-dataene er mer nøyaktige, blir planene deretter innstilt. For en detaljert undersøkelse av Higgs-egenskapene med et skreddersydd instrument er det neste hovedmålet med høyenergi-elementær partikkelfysikk.

science.de? === R diger Vaas Forfatteren er fysikkredaktør av bild der wissenschaft. Hans siste bok, Hawking's Cosmos, forklarer ganske enkelt. Fra Big Bang til Black Holes er en lettfattelig introduksjon til moderne kosmologi og partikkelfysikk.

science.de

Anbefalt Redaksjonens