https://frosthead.com

Hvordan Higgs Boson ble funnet

Redaktørens notat: 8. oktober 2013 vant Peter Higgs og Francois Englert Nobelprisen i fysikk for deres arbeid på Higgs boson. Nedenfor forklarer vitenskapskolumnisten Brian Greene vitenskapen bak oppdagelsen.

Fra denne historien

[×] STENGT

ATLAS-detektoren, et av to eksperimenter for å få øye på den unnvikende Higgs-boson i partikkeloppbrudd ved CERNs Large Hadron Collider, veier så mye som hundre 747 jetfly og rommer mer enn 1800 kilometer kabel. (Claudia Marcelloni / CERN) Compact Muon Solenoid på Large Hadron Collider fanger partikler i handlingen. (Michael Hoch / CERN) Tilbake til tegnebrettet: Fysiker Peter Higgs skraver sin berømte ligning og beskriver kilden til en partikkelmasse. Det ville ta et halvt århundre å bevise sannhet. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) Teamet samarbeider med ATLAS-detektoren, ett av to eksperimenter for å få øye på den unnvikende Higgs-boson i partikkelopprydding. (Claudia Marcelloni / CERN) Før installasjonen bodde deler av CMS-detektoren i et vaskerom på CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) Magneten i CMS-detektoren produserer et magnetfelt som er 100 000 ganger så sterkt som jordens. (Gobin / CERN) Et nærbilde av CMS-detektoren - ett av to eksperimenter for å oppdage signaturer av Higgs boson. (Gobin / CERN) Selv om Higgs-bosonet ser ut for kort til å bli oppdaget direkte, kan fysikere ved CMS utlede sin eksistens ved å studere dusjen av partikler som er igjen etter proton-proton-kollisjoner. (T. McCauley, L. Taylor / CERN)

Fotogalleri

Relatert innhold

  • Kunst og vitenskap kolliderer i oppdagelsen av Higgs Boson

En kjent historie i fysikkens annaler forteller om en 5 år gamle Albert Einstein, syk i sengen, som fikk et leketøyskompass fra faren. Gutten ble både forvirret og fascinert av de usynlige kreftene på jobb, og omdirigerte kompassnålen til å peke nordover når hvileposisjonen ble forstyrret. Den erfaringen, sa Einstein senere, overbeviste ham om at det var en dyp skjult orden for naturen, og tvang ham til å bruke livet sitt på å prøve å avsløre den.

Selv om historien er mer enn et århundre gammel, møtte den conundrum unge Einstein gjenklang med et sentralt tema i samtidens fysikk, et som er essensielt for den viktigste eksperimentelle bragden innen de siste 50 årene: oppdagelsen, for et år siden i juli, av Higgs boson.

La meg forklare.

Vitenskap generelt, og fysikk spesielt, søker mønstre. Strekk en fjær dobbelt så langt, og kjenn dobbelt på motstanden. Et mønster. Øk volumet en gjenstand opptar mens du holder massen fast, og jo høyere den flyter i vann. Et mønster. Ved nøye å observere mønstre, avdekker forskere fysiske lover som kan uttrykkes i språket i matematiske ligninger.

Et tydelig mønster er også tydelig når det gjelder et kompass: Flytt det og nålen peker nordover igjen. Jeg kan tenke meg en ung Einstein som tenker at det må være en generell lov som bestemmer at suspenderte metalliske nåler skyves nordover. Men ingen slik lov eksisterer. Når det er et magnetfelt i et område, opplever visse metallgjenstander en kraft som justerer dem langs feltets retning, uansett hvilken retning det skjer. Og jordas magnetfelt skjer mot nord.

Eksemplet er enkelt, men leksjonen er dyp. Naturens mønstre gjenspeiler noen ganger to sammenvevd trekk: grunnleggende fysiske lover og miljøpåvirkninger. Det er naturens versjon av natur versus pleie. Når det gjelder et kompass er det ikke vanskelig å demontere de to. Ved å manipulere den med en magnet, konkluderer du lett at magnetens retning bestemmer nålens retning. Men det kan være andre situasjoner der miljøpåvirkninger er så gjennomgripende, og så utover vår evne til å manipulere, ville det være langt mer utfordrende å gjenkjenne deres innflytelse.

Fysikere forteller en lignelse om fisk som undersøker fysikkens lover, men så vant til deres vannrike verden klarer de ikke å vurdere dens innflytelse. Fisken sliter mektig med å forklare den milde svaiingen av planter så vel som sin egen bevegelse. Lovene de til slutt finner er sammensatte og uhåndterlige. Da har en strålende fisk et gjennombrudd. Kanskje reflekterer kompleksiteten enkle grunnleggende lover som utspiller seg i et komplekst miljø - en som er fylt med en tyktflytende, ukomprimerbar og gjennomgripende væske: havet. Først blir den innsiktsfulle fisken ignorert, til og med latterliggjort. Men sakte innser også de andre at miljøet deres, til tross for det, har en betydelig innvirkning på alt de observerer.

Skjærer lignelsen nærmere hjemmet enn vi kanskje trodde? Kan det være andre, subtile, men gjennomgripende trekk ved miljøet som vi hittil ikke har klart å kaste oss inn i vår forståelse? Funnet av Higgs-partikkelen av Large Hadron Collider i Genève har overbevist fysikere om at svaret er et rungende ja.

For nesten et halvt århundre siden prøvde Peter Higgs og en håndfull andre fysikere å forstå opprinnelsen til et grunnleggende fysisk trekk: masse. Du kan tenke på masse som et objekts heft eller, litt mer presist, som motstanden den gir mot å få bevegelsen endret. Trykk på et godstog (eller en fjær) for å øke hastigheten, og motstanden du føler gjenspeiler massen. På mikroskopisk nivå kommer godstogets masse fra dets bestanddeler molekyler og atomer, som i seg selv er bygget av grunnleggende partikler, elektroner og kvarker. Men hvor kommer massene av disse og andre grunnleggende partikler fra?

Da fysikere på 1960-tallet modellerte oppførselen til disse partiklene ved å bruke ligninger forankret i kvantefysikk, møtte de på et puslespill. Hvis de forestilte seg at partiklene alle var masseløse, klikket hvert begrep i likningene til et perfekt symmetrisk mønster, som tipsene til en perfekt snøfnugg. Og denne symmetrien var ikke bare matematisk elegant. Det forklarte mønstre tydelig i eksperimentelle data. Men - og her er puslespillet - visste fysikere at partiklene hadde masse, og da de endret likningene for å forklare dette, ble den matematiske harmonien bortskjemt. Likningene ble komplekse og uhåndterlige og verre, inkonsekvente.

Hva å gjøre? Her er ideen fremsatt av Higgs. Ikke skyve partikelenes masse ned i halsen til de vakre likningene. Hold i stedet ligningene uberørte og symmetriske, men vurder at de fungerer i et særegent miljø. Se for deg at all plassen er jevn fylt med et usynlig stoff - nå kalt Higgs-feltet - som utøver en dragkraft på partikler når de akselererer gjennom det. Trykk på en grunnleggende partikkel i et forsøk på å øke hastigheten, og ifølge Higgs, vil du føle denne dragkraften som en motstand. Med rette kan du tolke motstanden som partikkelens masse. For en mental tåhold, tenk på en ping-pong-ball som er nedsenket i vann. Når du trykker på ping-pong-ballen, vil den føles mye mer massiv enn den gjør utenfor vannet. Dets interaksjon med det vannige miljøet gir effekten av masse. Så med partikler nedsenket i Higgs-feltet.

I 1964 sendte Higgs et innlegg til et fremtredende fysikkjournal der han formulerte denne ideen matematisk. Avisen ble avvist. Ikke fordi det inneholdt en teknisk feil, men fordi forutsetningen om et usynlig noe som gjennomsyrer rom, samhandler med partikler for å gi deres masse, vel, det hele virket bare som massevis av gjennomarbeidede spekulasjoner. Redaktørene av tidsskriftet anså det som «uten åpenbar relevans for fysikk.»

Men Higgs holdt ut (og hans reviderte artikkel dukket opp senere samme år i et annet tidsskrift), og fysikere som tok seg tid til å studere forslaget, innså etter hvert at ideen hans var et genialt slag, en som tillot dem å ha kaken og spise den også . I Higgs 'skjema kan de grunnleggende ligningene beholde sin uberørte form fordi det skitne arbeidet med å skaffe partikelenes masser er relatert til miljøet.

Selv om jeg ikke var rundt for å være vitne til den første avvisningen av Higgs forslag i 1964 (vel, jeg var rundt, men bare knapt), kan jeg bevitne at vurderingen hadde endret seg på midten av 1980-tallet. Fysikalsamfunnet hadde for det meste fullt kjøpt inn ideen om at det var et Higgs-felt som gjennomsyret plass. Faktisk tok jeg på et kandidatkurs som dekket det som er kjent som standardmodellen for partikkelfysikk (kvantelikningene fysikere har samlet for å beskrive stoffets partikler og de dominerende kreftene som de påvirker hverandre), presenterte professoren Higgs felt med en slik sikkerhet at jeg lenge ikke ante at det ennå ikke var etablert eksperimentelt. Noen ganger skjer det i fysikken. Matematiske ligninger kan noen ganger fortelle en så overbevisende fortelling, de kan tilsynelatende utstråle virkeligheten så sterkt at de blir forskanset i det virkelige fysiske fagmiljøet, selv før det foreligger data som bekrefter dem.

Men det er bare med data at en kobling til virkeligheten kan smides. Hvordan kan vi teste for Higgs-feltet? Det er her Large Hadron Collider (LHC) kommer inn. Slynger seg hundre meter under Genève, Sveits, krysser den franske grensen og tilbake igjen, er LHC en nesten 17 kilometer lang sirkulær tunnel som fungerer som et løpebane for knusende sammen partikler av materie. LHC er omgitt av rundt 9000 superledende magneter, og er hjemsted for strømmende horder av protoner, som sykler rundt i tunnelen i begge retninger, som magnetene akselererer til bare sky for lysets hastighet. I slike hastigheter pisker protonene rundt tunnelen rundt 11.000 ganger hvert sekund, og når de blir regissert av magnetene, inntar millioner av kollisjoner med et øyeblikk. Kollisjonene produserer på sin side fyrverkeri-lignende sprayer av partikler, som mammutdetektorer fanger opp og registrerer.

En av de viktigste motivasjonene for LHC, som kostet i størrelsesorden 10 milliarder dollar og involverer tusenvis av forskere fra flere titalls land, var å søke etter bevis for Higgs-feltet. Regnestykket viste at hvis ideen stemmer, hvis vi virkelig er fordypet i et hav av Higgs-feltet, så skulle de voldsomme partikkelkollisjonene være i stand til å fusse feltet, omtrent som to sammenstøtende ubåter ville fnise vannet rundt dem. Og så ofte bør jiggelen være helt riktig å flikke av en flekk av åkeren - en liten dråpe av Higgshavet - som vil fremstå som den ettertraktede Higgs-partikkelen.

Beregningene viste også at Higgs-partikkelen ville være ustabil og desintegrere til andre partikler i en minuscule brøkdel av et sekund. Innenfor malstrømmen av kolliderende partikler og bølgende skyer av partikkelrester, ville forskere bevæpnet med kraftige datamaskiner søke etter Higgs 'fingeravtrykk - et mønster av forfallsprodukter diktert av ligningene.

I de tidlige morgentimene 4. juli 2012 samlet jeg meg med rundt 20 andre stalwarts i et konferanserom på Aspen Center for Physics for å se live-strømmen av en pressekonferanse på Large Hadron Collider-anleggene i Genève. Rundt seks måneder tidligere hadde to uavhengige team av forskere som var tiltalt for å samle og analysere LHC-dataene kunngjort en sterk indikasjon på at Higgs-partikkelen hadde blitt funnet. Ryktet som nå flyr rundt i fysikkmiljøet var at lagene til slutt hadde tilstrekkelig bevis for å spille en endelig påstand. Kombinert med det faktum at Peter Higgs selv hadde blitt bedt om å ta turen til Genève, var det rikelig motivasjon til å holde seg oppe klokka 3 for å høre kunngjøringen live.

Og da verden kom til å lære raskt, var beviset på at Higgs-partikkelen hadde blitt oppdaget sterke nok til å krysse oppdagelsesgrensen. Med Higgs-partikkelen nå offisielt funnet, brøt publikum i Genève ut i vill applaus, og det samme gjorde vår lille gruppe i Aspen, og uten tvil dusinvis av lignende samlinger over hele kloden. Peter Higgs tørket bort en tåre.

Med et år med etterpåklokskap, og tilleggsdata som bare har tjent til å gjøre saken for Higgs sterkere, er det slik jeg vil oppsummere funnens viktigste implikasjoner.

For det første har vi lenge visst at det er usynlige innbyggere i verdensrommet. Radio- og tv-bølger. Jordens magnetfelt. Gravitasjonsfelt. Men ingen av disse er permanente. Ingen er uforanderlige. Ingen er enhetlig til stede i hele universet. I denne forbindelse er Higgs-feltet fundamentalt annerledes. Vi tror dens verdi er den samme på jorden som i nærheten av Saturn, i Orion-nebulaene, i hele Andromeda-galaksen og overalt ellers. Så langt vi kan si, er Higgs-feltet uutslettelig påtrykt det romlige stoffet.

For det andre representerer Higgs-partikkelen en ny form for materie, som hadde vært mye forventet i flere tiår, men aldri hadde blitt sett. Tidlig på 1900-tallet innså fysikere at partikler, i tillegg til deres masse og elektriske ladning, har et tredje definerende trekk: spinnet deres. Men i motsetning til toppen av et barn, er en partikkelsnurr et iboende trekk som ikke endres; den får ikke fart eller sakker over tid. Elektroner og kvarker har alle den samme spinnverdien, mens rotasjonen av fotoner - partikler av lys - er det dobbelte av elektroner og kvarker. Ligningene som beskriver Higgs-partikkelen, viste at den - i motsetning til andre grunnleggende partikkelarter - ikke skulle ha noe spinn i det hele tatt. Data fra Large Hadron Collider har nå bekreftet dette.

Å etablere eksistensen av en ny form for materie er en sjelden prestasjon, men resultatet har resonans på et annet felt: kosmologi, den vitenskapelige studien av hvordan hele universet begynte og utviklet seg til den formen vi nå er vitne til. I mange år ble kosmologer som studerte Big Bang-teorien stymmet. De hadde samlet en robust beskrivelse av hvordan universet utviklet seg fra et delt sekund etter begynnelsen, men de klarte ikke å gi noe innblikk i hva som drev plass til å begynne å utvide seg i utgangspunktet. Hvilken kraft kunne ha utøvd et så kraftig utadgående dytt? For all sin suksess utelatt Big Bang-teorien smellet.

På 1980-tallet ble en mulig løsning oppdaget, en som ringer en høy Higgsian-bjelle. Hvis et område i rommet er jevn forurenset med et felt der partikkelformede bestanddeler er spinnløse, avslører Einsteins tyngdekrappe (den generelle relativitetsteorien) at det kan genereres en kraftig frastøtende kraft - et smell, og det er en stor. Beregninger viste at det var vanskelig å realisere denne ideen med Higgs-feltet selv; den doble plikten med å tilveiebringe partikkelmasser og bensinere smellet viser en betydelig belastning. Men innsiktsfulle forskere innså at ved å stille et andre “Higgs-lignende” felt (som hadde samme forsvinnende spinn, men ulik masse og interaksjoner), kunne de dele byrden - det ene feltet for masse og det andre for det frastøtende skyv - og tilby et overbevisende forklaring på smellet. På grunn av dette har teoretiske fysikere i mer enn 30 år undersøkt kosmologiske teorier der slike Higgs-lignende felt spiller en vesentlig rolle. Tusenvis av tidsskriftartikler er skrevet for å utvikle disse ideene, og milliarder av dollar er brukt på observasjoner i dype rom for å søke - og finne - indirekte bevis på at disse teoriene nøyaktig beskriver universet vårt. LHCs bekreftelse på at minst et slikt felt faktisk eksisterer, setter dermed en generasjon kosmologisk teoretisering på et langt fastere grunnlag.

Til slutt, og kanskje viktigst, er oppdagelsen av Higgs-partikkelen en forbløffende triumf av matematikkens makt for å avsløre universets virkning. Det er en historie som er blitt lagt opp igjen i fysikk flere ganger, men hvert nytt eksempel spennende akkurat det samme. Muligheten for svarte hull kom frem fra de matematiske analysene til den tyske fysikeren Karl Schwarzchild; påfølgende observasjoner beviste at sorte hull er reelle. Big Bang-kosmologi kom frem fra de matematiske analysene av Alexander Friedmann og også Georges Lemaître; påfølgende observasjoner beviste denne innsikten også. Begrepet antimateriale kom først frem fra de matematiske analysene til kvantefysikeren Paul Dirac; påfølgende eksperimenter viste at også denne ideen stemmer. Disse eksemplene gir en følelse av hva den store matematiske fysikeren Eugene Wigner mente da han snakket om den "urimelige effektiviteten til matematikk når det gjaldt å beskrive det fysiske universet." Higgs-feltet kom frem fra matematiske studier som søkte en mekanisme for å gi partikler masse. Og nok en gang har matematikken kommet gjennom med flygende farger.

Som en teoretisk fysiker, var en av mange dedikert til å finne det Einstein kalte den "enhetlige teorien" - de dypt skjulte forbindelsene mellom alle naturens krefter og materie som Einstein drømte om, lenge etter å ha blitt hektet på fysikken av kompassets mystiske arbeid. —Funnet av Higgs er spesielt gledelig. Arbeidet vårt er drevet av matematikk, og har så langt ikke tatt kontakt med eksperimentelle data. Vi venter spent på 2015 når en oppgradert og enda kraftigere LHC vil bli slått på igjen, da det er en kjempesjanse for at de nye dataene vil gi bevis på at teoriene våre går i riktig retning. Viktige milepæler vil inkludere oppdagelsen av en klasse hittil usettede partikler (kalt "supersymmetriske" partikler) som likningene våre forutsier, eller antydninger til den ville muligheten for romlige dimensjoner utover de tre vi alle opplever. Mer spennende vil likevel være oppdagelsen av noe helt uforutsett, og sende oss alle skurrende tilbake til tavlene.

Mange av oss har prøvd å skalere disse matematiske fjellene i 30 år, noen enda lenger. Noen ganger har vi følt at den enhetlige teorien var like utenfor fingertuppene, mens vi andre ganger virkelig famler i mørket. Det er et stort løft for vår generasjon å være vitne til bekreftelsen av Higgs, å være vitne til fire tiår gamle matematiske innsikter realisert som dukker og sprekker i LHC-detektorene. Det minner oss om å ta ordene fra nobelprisvinneren Steven Weinberg på hjertet: «Vår feil er ikke at vi tar teoriene våre for alvorlig, men vi tar dem ikke alvorlig nok. Det er alltid vanskelig å innse at disse tallene og likningene vi leker med på pultene våre har noe med den virkelige verden å gjøre. ”Noen ganger har disse tallene og likningene en uhyggelig, nesten uhyggelig evne til å belyse ellers mørke hjørner av virkeligheten. Når de gjør det, kommer vi så mye nærmere å fatte vår plass i kosmos.

Hvordan Higgs Boson ble funnet