Higgs boson

"God Particle" omdirigerar hit. För annan användning, se The God Particle (disambiguation) .

Higgs boson

Kandidat Higgs bosonhändelser från kollisioner mellan protoner i LHC . Den översta händelsen i CMS- experimentet visar ett sönderfall till två fotoner (streckade gula linjer och gröna torn). Den lägre händelsen i ATLAS -experimentet visar ett sönderfall till fyra myoner (röda spår).
Sammansättning	Elementarpartikel
Statistik	Bosonic
Symbol	H0
Teoretiserade	R. Brout , F. Englert , P. Higgs , GS Guralnik , CR Hagen och TWB Kibble (1964)
Upptäckt	Large Hadron Collider (2011–2013)
Massa	125,25 ± 0,17 GeV/ c 2
Genomsnittlig livstid	1,56 × 10 −22 s (förutspått) 1,2 ~ 4,6 × 10 −22 s (preliminärt mätt vid 3,2 sigma (1 på 1000) signifikans)
Förfaller till	Botten – antibottenpar (observerat) Två W bosoner (observerade) Två gluoner (förutspått) Tau –antitau par (observerat) Två Z-bosoner (observerade) Två fotoner (observerade) Två leptoner och en foton (Dalitz sönderfall via virtuell foton ) (preliminärt observerad vid sigma 3.2 (1 på 1000) signifikans) Muon – antimyonpar (förutspått) Olika andra sönderfall (förutspått)
Elektrisk laddning	0 e
Färgladdning	0
Spinn	0
Svag isospin	− 1/2 _ _
Svag hyperladdning	+1
Paritet	+1

Higgs -bosonen , ibland kallad Higgspartikeln , är en elementarpartikel i partikelfysikens standardmodell producerad av kvantexciteringen av Higgsfältet , ett av fälten inom partikelfysikteorin . I standardmodellen är Higgspartikeln en massiv skalär boson med noll spin , jämn (positiv) paritet , ingen elektrisk laddning och ingen färgladdning som kopplas till (interagerar med) massa. Det är också mycket instabilt och sönderfaller till andra partiklar nästan omedelbart.

Higgsfältet är ett skalärt fält , med två neutrala och två elektriskt laddade komponenter som bildar en komplex dubblett av den svaga isospin SU(2) -symmetrin . Dess " mexikanska hattformade " potential leder till att den tar ett värde som inte är noll överallt (inklusive annars tomt utrymme), vilket bryter den svaga isospinsymmetrin hos den elektrosvaga interaktionen , och via Higgs-mekanismen ger massa till många partiklar.

Både fältet och bosonen är uppkallade efter fysikern Peter Higgs , som 1964, tillsammans med fem andra forskare i tre team, föreslog Higgs-mekanismen , ett sätt som vissa partiklar kan få massa . (Alla fundamentala partiklar som var kända vid den tiden borde vara masslösa vid mycket höga energier, men att fullständigt förklara hur vissa partiklar får massa vid lägre energier hade varit extremt svårt.) Om dessa idéer var korrekta borde en partikel känd som en skalär boson också finns, med vissa egenskaper. Denna partikel kallades Higgs-bosonen och kunde användas för att testa om Higgsfältet var den korrekta förklaringen.

Efter 40 års sökning upptäcktes en subatomär partikel med de förväntade egenskaperna 2012 av ATLAS- och CMS -experimenten vid Large Hadron Collider (LHC) vid CERN nära Genève , Schweiz. Den nya partikeln bekräftades därefter matcha de förväntade egenskaperna hos en Higgs-boson. Fysiker från två av de tre teamen, Peter Higgs och François Englert , tilldelades Nobelpriset i fysik 2013 för sina teoretiska förutsägelser. Även om Higgs namn har kommit att förknippas med denna teori, utvecklade flera forskare mellan omkring 1960 och 1972 oberoende olika delar av den.

I mainstream media kallas Higgs-bosonen ibland för "Gudspartikeln" efter boken The God Particle från 1993 av Nobelpristagaren Leon Lederman , även om smeknamnet har kritiserats av många fysiker.

Introduktion

Standardmodellen

Fysiker förklarar de fundamentala partiklarna och krafterna i vårt universum i termer av standardmodellen – ett allmänt accepterat ramverk baserat på kvantfältteori som förutsäger nästan alla kända partiklar och krafter förutom gravitationen med stor noggrannhet. (En separat teori, allmän relativitet , används för gravitation.) I standardmodellen uppstår partiklarna och krafterna i naturen (andra än gravitationen) från egenskaper hos kvantfält , kända som mätinvarians och symmetrier . Krafter i standardmodellen överförs av partiklar som kallas gauge bosoner .

Mät invarianta teorier och symmetrier

"Det är bara något överdrivet att säga att fysik är studiet av symmetri" – Philip Anderson , Nobelpriset i fysik

Gauge invariant teorier är teorier som har en användbar funktion, att vissa typer av förändringar av värdet på vissa föremål inte gör någon skillnad för resultaten eller de mätningar vi gör. Ett exempel är att en förändring av spänningen i en elektromagnet med +100 volt, inte orsakar någon förändring av det magnetiska fältet den producerar. På samma sätt tycks mätning av ljusets hastighet i vakuum ge identiskt resultat oavsett platsen i tid och rum, och oavsett det lokala gravitationsfältet .

I dessa typer av teorier är mätaren ett objekt vars värde vi kan ändra, det faktum att vissa förändringar lämnar resultaten vi mäter oförändrade betyder att det är en mätinvariant teori, och symmetrier är de specifika typerna av ändringar av mätaren, som har denna effekt av att lämna mätningar oförändrade. (Närmare bestämt ändrar inte dessa transformationer av mätarkomponenten energin). Symmetrier av detta slag är kraftfulla verktyg för djup förståelse av de grundläggande krafterna och partiklarna i vår fysiska värld, och mätning av invarians är därför en viktig egenskap inom partikelfysikteorin. De är nära kopplade till bevarandelagar och beskrivs matematiskt med hjälp av gruppteori . Kvantfältteorin och standardmodellen är båda mätinvarianta teorier – vilket innebär att de fokuserar på egenskaper hos vårt universum som visar denna egenskap hos mätinvarians, och de symmetrier som är involverade.

Problemet med gauge boson massa

Kvantfältsteorier baserade på mätinvarians hade använts med stor framgång för att förstå de elektromagnetiska och starka krafterna , men omkring 1960 försökte alla försök att skapa en mätinvariant teori för den svaga kraften (och dess kombination med den elektromagnetiska kraften, tillsammans känd som elektrosvag interaktion ) hade konsekvent misslyckats, med mätteorier som därigenom började hamna i vanrykte som ett resultat. Problemet var att symmetrikraven för dessa två krafter felaktigt förutspådde att den svaga kraftens gaugebosoner ( W och Z ) skulle ha noll massa. Men experiment visade att W- och Z-gage-bosonerna hade en massa som inte var noll.

Ett ytterligare problem var att många lovande lösningar verkade kräva extra partiklar som kallas Goldstone-bosoner för att existera. Men bevis tydde på att dessa inte heller existerade. Detta innebar att antingen mätinvarians var ett felaktigt tillvägagångssätt, eller att något okänt gav den svaga kraftens W- och Z-bosoner sin massa och gjorde det på ett sätt som inte skapade Goldstone-bosoner. I slutet av 1950-talet och början av 1960-talet var fysiker fortfarande helt osäker på hur de skulle lösa dessa problem, eller hur de skulle skapa en heltäckande teori för partikelfysik.

Symmetri bryts

I slutet av 1950-talet insåg Yoichiro Nambu att spontant symmetribrott , en process där ett symmetriskt system blir asymmetriskt, kunde inträffa under vissa förhållanden. Symmetribrott är när en förändring som tidigare inte ändrade de uppmätta resultaten ( det var ursprungligen en "symmetri" ) nu ändrar de uppmätta resultaten ( den är nu "bruten" och inte längre en symmetri) . 1962 observerade fysikern Philip Anderson , en expert på kondenserad materiens fysik , att symmetribrott spelade en roll i supraledning , och föreslog att det också kunde vara en del av svaret på problemet med mätinvarians i partikelfysik.

Specifikt föreslog Anderson att Goldstone-bosonerna som skulle bli resultatet av symmetribrott istället, under vissa omständigheter, skulle kunna "absorberas" av de masslösa W- och Z-bosonerna . Om så är fallet, kanske Goldstone-bosonerna inte skulle existera, och W- och Z-bosonerna skulle kunna få massa och lösa båda problemen på en gång. Liknande beteende var redan teoretiserade i supraledning. Abraham Klein och Benjamin Lee att detta var teoretiskt möjligt, åtminstone för några begränsade ( icke-relativistiska) fall. Dessa fynd publicerades formellt i april 1963 (Anderson) och mars 1964 (Klein och Lee).

Higgs mekanism

Huvudartiklar: Higgs-mekanism och standardmodell

Efter artiklarna 1963 och början av 1964 utvecklade tre grupper av forskare oberoende dessa teorier mer fullständigt, i vad som blev känt som 1964 års PRL symmetribrytande papper . Alla tre grupperna kom fram till liknande slutsatser och för alla fall, inte bara några begränsade fall. De visade att villkoren för elektrosvag symmetri skulle "brytas" om en ovanlig typ av fält existerade i hela universum, och det skulle verkligen inte finnas några Goldstone-bosoner och vissa befintliga bosoner skulle få massa .

Fältet som krävdes för att detta skulle hända (vilket var rent hypotetiskt på den tiden) blev känt som Higgs-fältet (efter Peter Higgs , en av forskarna) och den mekanism genom vilken det ledde till symmetribrott, känd som Higgs- mekanismen . En nyckelfunktion i det nödvändiga fältet är att det skulle ta mindre energi för fältet att ha ett värde som inte är noll än ett nollvärde, till skillnad från alla andra kända fält, därför har Higgs-fältet ett värde som inte är noll (eller vakuumförväntning ) ) överallt . Detta värde som inte är noll skulle i teorin kunna bryta elektrosvag symmetri. Det var det första förslaget som kunde visa hur de svaga kraftmätarbosonerna kunde ha massa trots sin styrande symmetri, inom en mätinvariant teori.

Även om dessa idéer inte fick mycket stöd eller uppmärksamhet, hade de 1972 utvecklats till en heltäckande teori och visat sig kunna ge " förnuftiga" resultat som exakt beskrev partiklar som var kända vid den tiden, och som, med exceptionell noggrannhet, förutspådde flera andra partiklar som upptäcktes under de följande åren . Under 1970-talet blev dessa teorier snabbt standardmodellen för partikelfysik.

Higgs fält

Standardmodellen inkluderar ett fält av det slag som behövs för att "bryta" elektrosvag symmetri och ge partiklar sin rätta massa. Detta fält, som kallas "Higgs-fältet", existerar i hela rymden, och det bryter några symmetrilagar för den elektrosvaga interaktionen , vilket utlöser Higgs-mekanismen. Det gör därför att W- och Z-gage-bosonerna för den svaga kraften blir massiva vid alla temperaturer under ett extremt högt värde. När de svaga kraftbosonerna får massa påverkar detta avståndet de kan färdas fritt, vilket blir mycket litet, vilket också matchar experimentella fynd. Dessutom insåg man senare att samma fält också skulle förklara, på ett annat sätt, varför andra grundläggande beståndsdelar i materien (inklusive elektroner och kvarkar ) har massa.

Till skillnad från alla andra kända fält som det elektromagnetiska fältet är Higgsfältet ett skalärt fält och har ett medelvärde som inte är noll i vakuum .

Det "centrala problemet"

Det fanns ännu inga direkta bevis för att Higgsfältet existerade, men även utan direkta bevis ledde noggrannheten av dess förutsägelser forskare att tro att teorin kan vara sann. På 1980-talet hade frågan om Higgsfältet existerade, och därför om hela standardmodellen var korrekt, kommit att betraktas som en av de viktigaste obesvarade frågorna inom partikelfysik .

Under många decennier hade forskare inget sätt att avgöra om Higgsfältet existerade, eftersom tekniken som behövdes för dess upptäckt inte fanns vid den tiden. Om Higgs-fältet existerade, skulle det inte likna något annat känt grundläggande fält, men det var också möjligt att dessa nyckelidéer, eller till och med hela standardmodellen, på något sätt var felaktiga.

Existensen av Higgsfältet blev den sista overifierade delen av Standardmodellen för partikelfysik, och ansågs under flera decennier vara "det centrala problemet inom partikelfysik".

Den hypoteserade Higgsteorin gjorde flera viktiga förutsägelser. En avgörande förutsägelse var att en matchande partikel , kallad "Higgs-bosonen", också skulle existera. Att bevisa förekomsten av Higgs-bosonen skulle bevisa om Higgs-fältet existerade, och därför slutligen bevisa om standardmodellens förklaring var korrekt. Därför gjordes en omfattande sökning efter Higgs-bosonen , som ett sätt att bevisa att själva Higgsfältet existerade.

Sök och upptäckt

Även om Higgsfältet skulle finnas överallt, var det långt ifrån lätt att bevisa dess existens. I princip kan den bevisas existera genom att detektera dess excitationer , vilka manifesterar sig som Higgs-partiklar ( Higgs-bosonen ), men dessa är extremt svåra att producera och detektera, på grund av den energi som krävs för att producera dem och deras mycket sällsynta produktion även om energin är tillräcklig. Det tog därför flera decennier innan de första bevisen för Higgs-bosonen kunde hittas. Partikelkolliderare , detektorer och datorer som kan leta efter Higgs-bosoner tog mer än 30 år ( ca 1980 ~2010) att utveckla.

Vikten av denna grundläggande fråga ledde till en 40-årig sökning , och byggandet av en av världens hittills dyraste och mest komplexa experimentanläggningar, CERN :s Large Hadron Collider , i ett försök att skapa Higgs-bosoner och andra partiklar för observation och studera. Den 4 juli 2012 tillkännagavs upptäckten av en ny partikel med en massa mellan 125 och 127 GeV/ c ^{2 ;} fysiker misstänkte att det var Higgs boson.

Sedan dess har partikeln visat sig bete sig, interagera och sönderfalla på många av de sätt som förutspåtts för Higgspartiklar av standardmodellen, såväl som att den har jämn paritet och noll spin , två grundläggande attribut för en Higgs-boson. Detta betyder också att det är den första elementära skalära partikeln som upptäckts i naturen.

I mars 2013 bekräftades förekomsten av Higgs-bosonen, och därför stöds konceptet med någon typ av Higgs-fält i hela rymden starkt.

Närvaron av fältet, som nu bekräftats av experimentell undersökning, förklarar varför vissa fundamentala partiklar har massa , trots att symmetrierna som styr deras interaktioner antyder att de borde vara masslösa. Det löser också flera andra långvariga pussel, som orsaken till den extremt korta sträckan som de svaga kraftbosonerna har tillryggalagt, och därför den svaga kraftens extremt korta räckvidd.

Från och med 2018 visar djupgående forskning att partikeln fortsätter att bete sig i linje med förutsägelserna för standardmodellen Higgs boson. Fler studier behövs för att med högre precision verifiera att den upptäckta partikeln har alla de egenskaper som förutspåtts, eller om, som beskrivs av vissa teorier, finns flera Higgs-bosoner.

Naturen och egenskaperna hos detta fält undersöks nu ytterligare med hjälp av mer data som samlats in vid LHC.

Tolkning

Olika analogier har använts för att beskriva Higgsfältet och bosonen, inklusive analogier med välkända symmetribrytande effekter som regnbågen och prismat , elektriska fält och krusningar på vattenytan.

Andra analogier baserade på motstånd hos makroobjekt som rör sig genom media (såsom människor som rör sig genom folkmassor, eller vissa föremål som rör sig genom sirap eller melass ) används ofta men missvisande, eftersom Higgsfältet faktiskt inte motstår partiklar, och effekten av massa är inte orsakad av motstånd.

Översikt över Higgs boson och fältegenskaper

Higgsfältets " mexikanska hattformade " potential är ansvarig för att vissa partiklar får massa.

I standardmodellen är Higgs boson en massiv skalär boson vars massa måste hittas experimentellt. Dess massa har bestämts till 125,35 ± 0,15 GeV/ c ² . Det är den enda partikeln som förblir massiv även vid mycket höga energier. Den har noll spin , jämn (positiv) paritet , ingen elektrisk laddning och ingen färgladdning , och den kopplar till (samverkar med) massa. Det är också mycket instabilt och sönderfaller till andra partiklar nästan omedelbart via flera möjliga vägar.

Higgsfältet är ett skalärt fält , med två neutrala och två elektriskt laddade komponenter som bildar en komplex dubblett av den svaga isospin SU ( 2) -symmetrin. Till skillnad från alla andra kända kvantfält har den en " mexikansk hattformad" potential. Denna form betyder att under extremt höga energier på cirka 159,5 ± 1,5 GeV , som de som ses under den första pikosekunden (10 ⁻¹² s) av Big Bang , tar Higgsfältet i sitt grundtillstånd mindre energi för att ha en vakuumförväntning som inte är noll ( värde) än ett nollvärde. Därför har Higgs-fältet i dagens universum ett värde som inte är noll överallt (inklusive annars tomt utrymme). Detta värde som inte är noll bryter i sin tur den svaga isospin SU(2)-symmetrin för den elektrosvaga interaktionen överallt. (Tekniskt konverterar förväntat värde som inte är noll Lagrangians Yukawa-kopplingstermer till masstermer.) När detta händer "absorberas" tre komponenter i Higgsfältet av SU(2) och U(1) gauge-bosonerna (den " Higgsmekanismen ") för att bli de längsgående komponenterna i de nu massiva W- och Z-bosonerna för den svaga kraften . Den återstående elektriskt neutrala komponenten manifesterar sig antingen som en Higgs-boson eller kan kopplas separat till andra partiklar som kallas fermioner (via Yukawa-kopplingar ), vilket gör att dessa också får massa .

Betydelse

Bevis för Higgsfältet och dess egenskaper har varit extremt betydelsefulla av många skäl. Vikten av Higgs boson är till stor del att den kan undersökas med hjälp av befintlig kunskap och experimentell teknologi, som ett sätt att bekräfta och studera hela Higgs fältteorin. Omvänt skulle bevis på att Higgsfältet och bosonet inte existerade också ha varit betydande.

Partikelfysik

Validering av standardmodellen

Higgs-bosonen validerar standardmodellen genom massgenereringsmekanismen . När mer exakta mätningar av dess egenskaper görs, kan mer avancerade tillägg föreslås eller uteslutas. När experimentella metoder för att mäta fältets beteenden och interaktioner utvecklas, kan detta grundläggande fält förstås bättre. Om Higgs-fältet inte hade upptäckts, skulle standardmodellen ha behövt modifieras eller ersättas.

Relaterat till detta existerar generellt en tro bland fysiker att det sannolikt kommer att finnas "ny" fysik bortom standardmodellen, och standardmodellen kommer någon gång att utvidgas eller ersättas. Higgs-upptäckten, såväl som de många uppmätta kollisioner som inträffar vid LHC, ger fysiker ett känsligt verktyg för att söka i sina data efter eventuella bevis för att standardmodellen verkar misslyckas, och kan ge betydande bevis som vägleder forskare till framtida teoretiska utvecklingar.

Symmetribrott av den elektrosvaga interaktionen

Under en extremt hög temperatur, orsakar brytning av elektrosvag symmetri att den elektrosvaga interaktionen delvis manifesteras som den kortdistans svaga kraften , som bärs av massiva gauge-bosoner . I universums historia tros brytning av elektrosvag symmetri ha skett ungefär 1 pikosekund ( 10 ⁻¹² s) efter Big Bang , när universum hade en temperatur på 159,5 ± 1,5 GeV/ k _B. Denna symmetribrytning krävs för att atomer och andra strukturer ska bildas, såväl som för kärnreaktioner i stjärnor, såsom solen . Higgsfältet är ansvarigt för att denna symmetri bryts.

Partikelmassupptagning

Higgsfältet är avgörande för att generera massorna av kvarkar och laddade leptoner (genom Yukawa-koppling) och W- och Z- gage-bosonerna (genom Higgs-mekanismen).

Det är värt att notera att Higgsfältet inte "skapar" massa ur ingenting (vilket skulle bryta mot lagen om bevarande av energi ), inte heller är Higgsfältet ansvarigt för massan av alla partiklar. Till exempel beror ungefär 99 % av massan av baryoner ( sammansatta partiklar som protonen och neutronen ), istället på kvantkromodynamisk bindningsenergi, som är summan av kvarkarnas kinetiska energier och energierna hos de masslösa gluonerna som förmedlar stark interaktion inuti baryonerna. I Higgs-baserade teorier är egenskapen "massa" en manifestation av potentiell energi som överförs till fundamentala partiklar när de interagerar ("kopplar") med Higgsfältet, som hade innehållit den massan i form av energi .

Skalära fält och utvidgning av standardmodellen

Higgsfältet är det enda skalära (snurr 0) fältet som detekteras; alla andra fält i standardmodellen är spin 1 ⁄ 2 fermioner eller spin 1 bosoner. Enligt Rolf-Dieter Heuer , generaldirektör för CERN när Higgs-bosonen upptäcktes, är detta existensbevis för ett skalärt fält nästan lika viktigt som Higgs roll i att bestämma massan av andra partiklar. Det antyder att andra hypotetiska skalära fält som föreslås av andra teorier, från inflaton till kvintessens , kanske också skulle kunna existera.

Kosmologi

Inflaton

Det har gjorts betydande vetenskaplig forskning om möjliga kopplingar mellan Higgsfältet och inflatonen – ett hypotetiskt fält som föreslås som förklaringen till utvidgningen av rymden under den första bråkdelen av en sekund av universum (känd som " inflationsepoken "). Vissa teorier tyder på att ett fundamentalt skalärfält kan vara ansvarigt för detta fenomen; Higgsfältet är ett sådant fält, och dess existens har lett till tidningar som analyserar om det också kan vara den inflaton som är ansvarig för denna exponentiella expansion av universum under Big Bang . Sådana teorier är mycket trevande och står inför betydande problem relaterade till enhetlighet , men kan vara genomförbara om de kombineras med ytterligare funktioner som stor icke-minimal koppling, en Brans–Dicke- skalär eller annan "ny" fysik, och de har fått behandlingar som tyder på att Higgs inflationsmodeller är fortfarande av intresse teoretiskt sett.

Universums natur och dess möjliga öden

Diagram som visar Higgs boson och toppkvarkmassorna , vilket kan indikera om vårt universum är stabilt eller en långlivad "bubbla" . Från och med 2012 tillåter 2 σ -ellipsen baserad på Tevatron- och LHC-data fortfarande båda möjligheterna.

I standardmodellen finns möjligheten att det underliggande tillståndet i vårt universum – känt som "vakuum" – är långlivat, men inte helt stabilt . I detta scenario kan universum som vi känner det effektivt förstöras genom att kollapsa till ett mer stabilt vakuumtillstånd . Detta rapporterades ibland felaktigt som att Higgs-bosonen "sluter" universum. Om massorna av Higgs-bosonen och toppkvarken är kända mer exakt, och standardmodellen ger en korrekt beskrivning av partikelfysik upp till extrema energier på Planck-skalan , då är det möjligt att beräkna om vakuumet är stabilt eller bara lång- levde. En Higgs-massa på 125–127 GeV/ c ² verkar vara extremt nära gränsen för stabilitet, men ett definitivt svar kräver mycket mer exakta mätningar av toppkvarkens polmassa . Ny fysik kan förändra denna bild.

Om mätningar av Higgs-bosonen tyder på att vårt universum ligger i ett falskt vakuum av detta slag, skulle det innebära – mer än troligt om många miljarder år – att universums krafter, partiklar och strukturer skulle kunna upphöra att existera som vi känner dem (och ersättas av olika), om ett verkligt vakuum råkade bilda kärnor . Det tyder också på att Higgs självkopplande λ och dess β _λ- funktion kan vara mycket nära noll på Planck-skalan, med "intrigerande" implikationer, inklusive teorier om gravitation och Higgs-baserad inflation. En framtida elektron-positronkolliderare skulle kunna ge de exakta mätningar av toppkvarken som behövs för sådana beräkningar.

Vakuumenergi och den kosmologiska konstanten

Ytterligare information: Nollpunktsenergi och vakuumtillstånd

Mer spekulativt har Higgs-fältet också föreslagits som vakuumets energi , som vid de extrema energierna i de första ögonblicken av Big Bang fick universum att vara en slags särdragslös symmetri av odifferentierad, extremt hög energi. I denna typ av spekulationer identifieras det enda enhetliga fältet i en Grand Unified Theory som (eller modelleras efter) Higgsfältet, och det är genom successiva symmetribrytningar av Higgsfältet, eller något liknande fält, vid fasövergångar som den nuvarande kända krafter och fält i universum uppstår.

Relationen (om någon) mellan Higgsfältet och universums för närvarande observerade vakuumenergitäthet har också kommit under vetenskaplig studie. Som observerats är den nuvarande vakuumenergitätheten extremt nära noll, men de energitätheter som förutspås från Higgsfältet, supersymmetri och andra nuvarande teorier är vanligtvis många storleksordningar större. Det är oklart hur dessa ska förenas. Detta kosmologiska konstanta problem förblir ett stort obesvarat problem inom fysiken.

Historia

Teoretisering

Se även: 1964 PRL symmetribrytande papper , Higgs-mekanism och kvantfältteorins historia

De sex författarna till 1964 års PRL-uppsatser, som fick 2010 JJ Sakurai-priset för sitt arbete; från vänster till höger: Kibble , Guralnik , Hagen , Englert , Brout ; höger bild: Higgs .

Partikelfysiker studerar materia gjorda av fundamentala partiklar vars interaktioner förmedlas av utbytespartiklar – mätbosoner – som fungerar som kraftbärare . I början av 1960-talet hade ett antal av dessa partiklar upptäckts eller föreslagits, tillsammans med teorier som antydde hur de förhåller sig till varandra, av vilka några redan hade omformulerats till fältteorier där studieobjekten inte är partiklar och krafter, men kvantfält och deras symmetrier . Men försök att ta fram kvantfältsmodeller för två av de fyra kända fundamentala krafterna - den elektromagnetiska kraften och den svaga kärnkraften - och sedan att förena dessa interaktioner , var fortfarande misslyckade.

Ett känt problem var att mäta invarianta tillvägagångssätt, inklusive icke-abelska modeller som Yang–Mills teori (1954), som hade stora löften för enade teorier, också verkade förutsäga kända massiva partiklar som masslösa. Goldstones teorem , som avser kontinuerliga symmetrier inom vissa teorier, verkade också utesluta många uppenbara lösningar, eftersom det verkade visa att nollmassapartiklar kända som Goldstone-bosoner också skulle behöva existera som helt enkelt "inte sågs". Enligt Guralnik hade fysiker "ingen förståelse" för hur dessa problem kunde övervinnas.

Nobelpristagaren Peter Higgs i Stockholm, december 2013

Partikelfysikern och matematikern Peter Woit sammanfattade forskningsläget vid den tiden:

Yang och Mills arbete med icke-abelsk gauge-teori hade ett stort problem: i störningsteorin har den masslösa partiklar som inte motsvarar något vi ser. Ett sätt att bli av med detta problem är nu ganska väl förstått, fenomenet instängdhet som realiseras i QCD , där de starka interaktionerna gör sig av med de masslösa "gluon"-tillstånden på långa avstånd. I början av sextiotalet hade människor börjat förstå en annan källa till masslösa partiklar: spontant symmetribrott av en kontinuerlig symmetri. Vad Philip Anderson insåg och utarbetade sommaren 1962 var att när du har både spårviddssymmetri och spontan symmetribrott, kan det masslösa Nambu–Goldstone-läget [som ger upphov till Goldstone-bosoner] kombineras med de masslösa mätfältslägena [som ge upphov till masslösa gauge-bosoner] för att producera ett fysiskt massivt vektorfält [gauge-bosoner med massa]. Detta är vad som händer i supraledning , ett ämne som Anderson var (och är) en av de ledande experterna på. [komprimerad text]

Higgs-mekanismen är en process genom vilken vektorbosoner kan förvärva vilomassa utan att explicit bryta gauge-invariansen , som en biprodukt av spontant symmetribrott . Inledningsvis utformades och publicerades den matematiska teorin bakom spontan symmetribrytning inom partikelfysik av Yoichiro Nambu 1960 (och något förutspådd av Ernst Stueckelberg 1938), och konceptet att en sådan mekanism skulle kunna erbjuda en möjlig lösning på "massproblemet". föreslogs ursprungligen 1962 av Philip Anderson, som tidigare hade skrivit artiklar om bruten symmetri och dess resultat i supraledning. Anderson drog slutsatsen i sin uppsats från 1963 om Yang-Mills-teorin, att "med tanke på den supraledande analogen... verkar dessa två typer av bosoner kunna ta bort varandra... lämnar finita massabosoner"), och i mars 1964 Abraham Klein och Benjamin Lee att Goldstones teorem kunde undvikas på detta sätt i åtminstone vissa icke-relativistiska fall, och spekulerade att det kunde vara möjligt i verkligt relativistiska fall.

Dessa tillvägagångssätt utvecklades snabbt till en fullständig relativistisk modell, oberoende och nästan samtidigt, av tre grupper av fysiker: av François Englert och Robert Brout i augusti 1964; av Peter Higgs i oktober 1964; och av Gerald Guralnik , Carl Hagen och Tom Kibble (GHK) i november 1964. Higgs skrev också ett kort, men viktigt, svar publicerat i september 1964 till en invändning av Gilbert , som visade att om man räknar inom strålningsmåttet, Goldstones sats och Gilberts invändning skulle bli otillämplig. Higgs beskrev senare Gilberts invändning som föranledde hans egen tidning. Modellens egenskaper övervägdes ytterligare av Guralnik 1965, av Higgs 1966, av Kibble 1967 och ytterligare av GHK 1967. De tre ursprungliga artiklarna från 1964 visade att när en mätteori kombineras med ett ytterligare laddat skalärfält som spontant bryter symmetrin kan gaugebosonerna konsekvent få en ändlig massa. 1967 Steven Weinberg och Abdus Salam oberoende hur en Higgs-mekanism kunde användas för att bryta den elektrosvaga symmetrin i Sheldon Glashows enhetliga modell för de svaga och elektromagnetiska interaktionerna, (i sig en förlängning av arbetet av Schwinger ), och bildade det som blev Standardmodell för partikelfysik. Weinberg var den första att observera att detta också skulle ge massvillkor för fermionerna.

Till en början ignorerades dessa nyskapande artiklar om spontant brytande av mätsymmetrier till stor del, eftersom det ansågs allmänt att teorierna i fråga (icke-abelian mätare) var en återvändsgränd, och i synnerhet att de inte kunde åternormaliseras . 1971–72 bevisade Martinus Veltman och Gerard 't Hooft att åternormalisering av Yang–Mills var möjlig i två tidningar som täckte masslösa, och sedan massiva, fält. Deras bidrag, och andras arbete i renormaliseringsgruppen – inklusive "substantiellt" teoretiskt arbete av de ryska fysikerna Ludvig Faddeev , Andrei Slavnov , Efim Fradkin och Igor Tyutin - var så småningom "enormt djupgående och inflytelserik", men även med alla nyckelelement av den eventuella teorin som publicerades fanns det fortfarande nästan inget större intresse. Till exempel Coleman i en studie att "i princip ingen ägnade någon uppmärksamhet" åt Weinbergs papper före 1971 och diskuterades av David Politzer i hans Nobeltal 2004. – nu den mest citerade inom partikelfysik – och till och med 1970 enligt Politzer, innehöll Glashows undervisning om den svaga interaktionen inget omnämnande av Weinbergs, Salams eller Glashows eget arbete. I praktiken, säger Politzer, lärde nästan alla sig av teorin tack vare fysikern Benjamin Lee , som kombinerade Veltmans och 't Hoofts arbete med andras insikter och populariserade den färdiga teorin. På så sätt, från 1971, "exploderade" intresset och acceptansen och idéerna absorberades snabbt i mainstream.

Den resulterande elektrosvaga teorin och standardmodellen har noggrant förutspått (bland annat) svaga neutrala strömmar , tre bosoner , topp- och charmkvarkar , och med stor precision, massan och andra egenskaper hos några av dessa . Många av de inblandade vann så småningom Nobelpriser eller andra kända utmärkelser. En uppsats från 1974 och en omfattande recension i Reviews of Modern Physics kommenterade att "medan ingen tvivlade på den [matematiska] riktigheten av dessa argument, trodde ingen riktigt att naturen var djävulskt smart nog att dra fördel av dem", och tillade att teorin hade så långt fram till korrekta svar som överensstämde med experiment, men det var okänt om teorin var i grunden korrekt. År 1986 och igen på 1990-talet blev det möjligt att skriva att förståelsen och bevisningen av Higgs-sektorn i standardmodellen var "det centrala problemet idag inom partikelfysik".

Sammanfattning och effekter av PRL-dokumenten

De tre tidningarna skrivna 1964 erkändes var och en som milstolpepapper under Physical Review Letters 50- årsfirande. Deras sex författare tilldelades också 2010 JJ Sakurai-priset för teoretisk partikelfysik för detta arbete. (En kontrovers uppstod också samma år, för i händelse av ett Nobelpris kunde endast upp till tre vetenskapsmän erkännas, varav sex krediterades för artiklarna.) Två av de tre PRL-skrifterna (av Higgs och av GHK) innehöll ekvationer för det hypotetiska fältet som så småningom skulle bli känt som Higgsfältet och dess hypotetiska kvantum , Higgsbosonen. Higgs efterföljande papper från 1966 visade sönderfallsmekanismen hos bosonen; endast en massiv boson kan förfalla och förfallen kan bevisa mekanismen.

I tidningen av Higgs är bosonen massiv, och i en avslutande mening skriver Higgs att "en väsentlig egenskap" i teorin "är förutsägelsen av ofullständiga multipletter av skalära och vektorbosoner ". ( Frank Close kommenterar att 1960-talets gauge-teoretiker var fokuserade på problemet med masslösa vektorbosoner , och den underförstådda förekomsten av en massiv skalär boson ansågs inte vara viktig; bara Higgs tog direkt upp det.) I tidningen av GHK är bosonen masslös och frikopplad från de massiva staterna. I recensioner daterade 2009 och 2011 uppger Guralnik att i GHK-modellen är bosonen masslös endast i en approximation av lägsta ordningen, men den är inte föremål för några begränsningar och får massa vid högre order, och tillägger att GHK-papperet var det enda en för att visa att det inte finns några masslösa Goldstone-bosoner i modellen och för att ge en fullständig analys av den allmänna Higgs-mekanismen. Alla tre kom fram till liknande slutsatser, trots sina mycket olika tillvägagångssätt: Higgs papper använde i huvudsak klassiska tekniker, Englert och Brout involverade beräkning av vakuumpolarisation i störningsteori kring ett antaget symmetribrytande vakuumtillstånd, och GHK använde operatörsformalism och bevarandelagar för att utforska i fördjupa de sätt på vilka Goldstones sats kan arbetas runt. Vissa versioner av teorin förutspådde mer än en sorts Higgs-fält och bosoner, och alternativa "Higgsless"-modeller övervägdes fram till upptäckten av Higgs-bosonen.

Experimentell sökning

Huvudartikel: Sök efter Higgs-bosonen

För att producera Higgs-bosoner accelereras två partikelstrålar till mycket höga energier och tillåts kollidera i en partikeldetektor . Ibland, men sällan, kommer en Higgs-boson att skapas flyktigt som en del av kollisionsbiprodukterna. Eftersom Higgs-bosonen sönderfaller mycket snabbt kan partikeldetektorer inte upptäcka den direkt. Istället registrerar detektorerna alla sönderfallsprodukter (sönderfallssignaturen ) och från data rekonstrueras sönderfallsprocessen. Om de observerade sönderfallsprodukterna matchar en möjlig sönderfallsprocess (känd som en sönderfallskanal ) för en Higgs-boson, indikerar detta att en Higgs-boson kan ha skapats. I praktiken kan många processer producera liknande sönderfallssignaturer. Lyckligtvis förutsäger standardmodellen exakt sannolikheten för att var och en av dessa, och varje känd process, inträffar. Så om detektorn upptäcker fler sönderfallssignaturer som konsekvent matchar en Higgs-boson än vad som annars skulle förväntas om Higgs-bosoner inte fanns, då skulle detta vara ett starkt bevis på att Higgs-bosonen existerar.

Eftersom produktionen av Higgs boson i en partikelkollision sannolikt är mycket sällsynt (1 av 10 miljarder vid LHC), och många andra möjliga kollisionshändelser kan ha liknande sönderfallssignaturer, behöver data från hundratals biljoner kollisioner analyseras och måste "visa samma bild" innan en slutsats om Higgs-bosonens existens kan nås. För att dra slutsatsen att en ny partikel har hittats partikelfysiker att den statistiska analysen av två oberoende partikeldetektorer var och en indikerar att det är mindre än en på en miljon chans att de observerade sönderfallssignaturerna bara beror på slumpmässig bakgrundsstandard Modellhändelser – dvs att det observerade antalet händelser är mer än fem standardavvikelser (sigma) som skiljer sig från det som förväntades om det inte fanns någon ny partikel. Mer kollisionsdata möjliggör bättre bekräftelse av de fysikaliska egenskaperna hos alla observerade nya partiklar, och gör det möjligt för fysiker att avgöra om det verkligen är en Higgs-boson som beskrivs av standardmodellen eller någon annan hypotetisk ny partikel.

För att hitta Higgs-bosonen behövdes en kraftfull partikelaccelerator , eftersom Higgs-bosoner kanske inte syns i experiment med lägre energi. Kollideraren behövde ha en hög ljusstyrka för att säkerställa att tillräckligt många kollisioner sågs för att slutsatser skulle kunna dras. Slutligen behövdes avancerade datorfaciliteter för att bearbeta den stora mängd data (25 petabyte per år från och med 2012) som producerades av kollisionerna. För tillkännagivandet den 4 juli 2012 konstruerades en ny kolliderare känd som Large Hadron Collider vid CERN med en planerad eventuell kollisionsenergi på 14 TeV – över sju gånger någon tidigare kolliderare – och över 300 biljoner (3×10 ⁺¹⁴ ) LHC proton-protonkollisioner analyserades av LHC Computing Grid , världens största datornät (från och med 2012), som omfattar över 170 datoranläggningar i ett världsomspännande nätverk i 36 länder.

Sök före 4 juli 2012

Den första omfattande sökningen efter Higgs-bosonen genomfördes vid Large Electron-Positron Collider (LEP) vid CERN på 1990-talet. Vid slutet av sin tjänst år 2000 hade LEP inte hittat några avgörande bevis för Higgs. Detta innebar att om Higgs-bosonen skulle existera skulle den behöva vara tyngre än 114,4 GeV/ c ² .

Sökandet fortsatte vid Fermilab i USA, där Tevatron – kollideren som upptäckte toppkvarken 1995 – hade uppgraderats för detta ändamål. Det fanns ingen garanti för att Tevatron skulle kunna hitta Higgs, men det var den enda superkollideraren som var i drift eftersom Large Hadron Collider (LHC) fortfarande var under konstruktion och den planerade Superconducting Super Collider hade avbrutits 1993 och aldrig slutförts . Tevatron kunde bara utesluta ytterligare avstånd för Higgs-massan och stängdes av den 30 september 2011 eftersom den inte längre kunde hålla jämna steg med LHC. Den slutliga analysen av data uteslöt möjligheten av ett Higgs-boson med en massa mellan 147 GeV/ c ² och 180 GeV/ c ² . Dessutom fanns det ett litet (men inte signifikant) överskott av händelser som möjligen indikerar en Higgs-boson med en massa mellan / c2 ¹¹⁵ 140 GeV/ c2 ^GeV och .

Large Hadron Collider vid CERN i Schweiz , designades specifikt för att antingen kunna bekräfta eller utesluta förekomsten av Higgs-bosonen. Byggd i en 27 km lång tunnel under marken nära Genève som ursprungligen beboddes av LEP, designades den för att kollidera med två strålar av protoner, initialt med energier på 3,5 TeV per stråle (7 TeV totalt), eller nästan 3,6 gånger den för Tevatron, och kan uppgraderas till 2 × 7 TeV (totalt 14 TeV) i framtiden. Teorin föreslog att om Higgs-bosonen existerade, borde kollisioner vid dessa energinivåer kunna avslöja det. Som ett av de mest komplicerade vetenskapliga instrument som någonsin byggts, försenades dess driftberedskap i 14 månader av en magnetsläckningshändelse nio dagar efter dess inledande tester, orsakad av en felaktig elektrisk anslutning som skadade över 50 supraledande magneter och förorenade vakuumsystemet.

Datainsamlingen vid LHC började slutligen i mars 2010. I december 2011 hade de två huvudsakliga partikeldetektorerna vid LHC, ATLAS och CMS , minskat massintervallet där Higgs kunde existera till cirka 116–130 GeV/ c ² (ATLAS) och 115–127 GeV/ c ² (CMS). Det hade också redan förekommit ett antal lovande händelseexcesser som hade "avdunstat" och visat sig vara inget annat än slumpmässiga fluktuationer. Men från omkring maj 2011 hade båda experimenten sett bland sina resultat, den långsamma uppkomsten av ett litet men konsekvent överskott av gamma- och 4-leptonsönderfallssignaturer och flera andra partikelsönderfall, alla antydde en ny partikel med en massa runt 125 GeV / c ² . Runt november 2011 höll de onormala uppgifterna på 125 GeV/ c ² att bli "för stora för att ignorera" (även om de fortfarande var långt ifrån avgörande), och teamledarna vid både ATLAS och CMS misstänkte var och en privat att de kunde ha hittat Higgs. Den 28 november 2011, vid ett internt möte mellan de två teamledarna och CERNs generaldirektör, diskuterades de senaste analyserna utanför deras team för första gången, vilket tyder på att både ATLAS och CMS kan konvergera till ett möjligt delat resultat vid 125 GeV / c ² , och de första förberedelserna påbörjades vid ett framgångsrikt fynd. Även om denna information inte var känd offentligt vid den tiden, minskade det möjliga Higgs-intervallet till cirka 115–130 GeV/2 och den upprepade observationen av små men konsekventa händelseöverskott över flera kanaler vid både ATLAS och CMS i 124–126 GeV / c ² -regionen (beskrivs som "fräckande tips" på cirka 2–3 sigma) var allmänt känt med "mycket intresse". Det var därför allmänt förutsett runt slutet av 2011 att LHC skulle tillhandahålla tillräckligt med data för att antingen utesluta eller bekräfta upptäckten av en Higgs-boson i slutet av 2012, när deras kollisionsdata för 2012 (med något högre 8 TeV-kollisionsenergi) hade undersökts.

Upptäckt av kandidatboson vid CERN

Feynman-diagram som visar de renaste kanalerna förknippade med lågmassan (~ 125 GeV/ c 2 ) Higgs bosonkandidat observerad av ATLAS och CMS vid LHC . Den dominerande produktionsmekanismen vid denna massa involverar två gluoner från varje proton som smälter samman till en Top-quark Loop, som kopplas starkt till Higgs-fältet för att producera en Higgs-boson. Vänster: Difotonkanal: Boson sönderfaller därefter till två gammastrålefotoner genom virtuell interaktion med en W- bosonslinga eller toppkvarkslinga . Höger: Fyrleptonens "gyllene kanal": Boson sänder ut två Z-bosoner , som var och en sönderfaller till två leptoner (elektroner, myoner). Experimentell analys av dessa kanaler nådde en signifikans på mer än fem standardavvikelser (sigma) i båda experimenten.

Den 22 juni 2012 tillkännagav CERN ett kommande seminarium som täcker preliminära resultat för 2012, och kort därefter (från omkring 1 juli 2012 enligt en analys av ryktesspridningen i sociala medier ) började rykten spridas i media om att detta skulle inkludera ett stort tillkännagivande , men det var oklart om detta skulle vara en starkare signal eller en formell upptäckt. Spekulationerna eskalerade till ett "febrigt" tonläge när rapporter dök upp om att Peter Higgs , som föreslog partikeln, skulle delta i seminariet, och att "fem ledande fysiker" hade bjudits in - som allmänt antas beteckna de fem levande författarna från 1964 - med Higgs , Englert, Guralnik, Hagen närvarade och Kibble bekräftar sin inbjudan (Brout dog 2011).

Den 4 juli 2012 meddelade båda CERN-experimenten att de oberoende av varandra hade gjort samma upptäckt: CMS av en tidigare okänd boson med massan 125,3 ± 0,6 GeV/ c ² och ATLAS av en boson med massan 126,0 ± 0,6 GeV/ c ² . Genom att använda den kombinerade analysen av två interaktionstyper (kända som "kanaler") nådde båda experimenten oberoende av varandra en lokal signifikans på 5 sigma – vilket antyder att sannolikheten för att få ett minst lika starkt resultat enbart av en slump är mindre än en på tre miljoner. När ytterligare kanaler togs i beaktande reducerades CMS-signifikansen till 4,9 sigma.

De två teamen hade arbetat "blindade" från varandra från omkring slutet av 2011 eller början av 2012, vilket innebar att de inte diskuterade sina resultat med varandra, vilket gav ytterligare säkerhet att alla gemensamma fynd var äkta validering av en partikel. Denna nivå av bevis, bekräftad oberoende av två separata team och experiment, uppfyller den formella nivån av bevis som krävs för att tillkännage en bekräftad upptäckt.

Den 31 juli 2012 presenterade ATLAS-samarbetet ytterligare dataanalys om "observation av en ny partikel", inklusive data från en tredje kanal, vilket förbättrade signifikansen till 5,9 sigma (1 på 588 miljoner chans att få minst lika starka bevis genom att enbart slumpmässiga bakgrundseffekter) och massa 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/ , ^/ 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV c2 ^c2 och CMS förbättrade signifikansen till 5-sigma och massa .

Den nya partikeln testades som en möjlig Higgs-boson

Efter upptäckten 2012 var det fortfarande obekräftat om 125 GeV/ c ² -partikeln var en Higgs-boson. Å ena sidan förblev observationer överensstämmande med att den observerade partikeln var standardmodellen Higgs-boson, och partikeln sönderföll i åtminstone några av de förutsagda kanalerna. Dessutom överensstämde produktionshastigheterna och förgreningsförhållandena för de observerade kanalerna i stort sett standardmodellens förutsägelser inom de experimentella osäkerheterna. De experimentella osäkerheterna lämnade för närvarande fortfarande utrymme för alternativa förklaringar, vilket innebär att ett tillkännagivande om upptäckten av en Higgs-boson skulle ha varit för tidigt. För att ge fler möjligheter till datainsamling sköts LHC:s föreslagna avstängning 2012 och uppgraderingen 2013–14 upp med sju veckor in i 2013.

I november 2012 sa forskare på en konferens i Kyoto att bevis som samlats in sedan juli föll i linje med den grundläggande standardmodellen mer än dess alternativ, med en rad resultat för flera interaktioner som matchade den teorins förutsägelser. Fysikern Matt Strassler lyfte fram "avsevärda" bevis för att den nya partikeln inte är en pseudoskalär negativ paritetspartikel (i överensstämmelse med detta nödvändiga fynd för en Higgs-boson), "avdunstning" eller brist på ökad betydelse för tidigare antydningar om icke-standardmodellfynd, förväntat Standardmodellinteraktioner med W- och Z-bosoner , frånvaro av "signifikanta nya implikationer" för eller emot supersymmetri , och i allmänhet inga signifikanta avvikelser hittills från de förväntade resultaten av en standardmodell Higgs-boson. Men vissa typer av tillägg till standardmodellen skulle också visa mycket liknande resultat; så kommentatorer noterade att baserat på andra partiklar som fortfarande förstås långt efter upptäckten, kan det ta år att vara säker, och decennier att helt förstå partikeln som har hittats.

Dessa fynd innebar att forskare från och med januari 2013 var mycket säkra på att de hade hittat en okänd partikel med massan ~ 125 GeV/ c ² , och att de inte hade blivit vilseledda av experimentella misstag eller ett slumpmässigt resultat. De var också säkra på, från första observationer, att den nya partikeln var någon form av boson. Partikelns beteenden och egenskaper, så långt de undersökts sedan juli 2012, verkade också ganska nära de beteenden som förväntades av en Higgs-boson. Trots det kan det fortfarande ha varit en Higgs-boson eller någon annan okänd boson, eftersom framtida tester kan visa beteenden som inte matchar en Higgs-boson, så i december 2012 konstaterade CERN fortfarande bara att den nya partikeln var "överensstämmande med" Higgs boson, och forskare har ännu inte positivt sagt att det var Higgs boson. Trots detta meddelade i slutet av 2012 utbredda mediarapporter (felaktigt) att en Higgs-boson hade bekräftats under året.

I januari 2013 uttalade CERN:s generaldirektör Rolf-Dieter Heuer att baserat på dataanalys hittills kan ett svar vara möjligt "mot" mitten av 2013, och vice ordföranden för fysik vid Brookhaven National Laboratory uttalade i februari 2013 att en " definitiva" svar kan kräva "ytterligare några år" efter kolliderarens omstart 2015 . I början av mars 2013 uttalade CERN:s forskningschef Sergio Bertolucci att bekräftande av spin-0 var det viktigaste återstående kravet för att avgöra om partikeln åtminstone är någon form av Higgs-boson.

Bekräftelse på existens och nuvarande status

Den 14 mars 2013 bekräftade CERN följande:

CMS och ATLAS har jämfört ett antal alternativ för denna partikels spin-paritet, och dessa föredrar alla inget spinn och ens paritet [två grundläggande kriterier för en Higgs-boson som överensstämmer med standardmodellen]. Detta, tillsammans med de uppmätta interaktionerna mellan den nya partikeln och andra partiklar, indikerar starkt att det är en Higgs-boson.

Detta gör också partikeln till den första elementära skalära partikeln som upptäcks i naturen.

Följande är exempel på tester som används för att bekräfta att den upptäckta partikeln är Higgs-bosonen:

Krav	Hur testat / förklaring	Aktuell status (från och med juli 2017)
Noll snurr	Undersöker förfallsmönster. Spin-1 hade uteslutits vid tidpunkten för den första upptäckten av det observerade sönderfallet till två fotoner (γ γ), vilket lämnade spin-0 och spin-2 som återstående kandidater.	Spin-0 bekräftad. Spin-2-hypotesen exkluderas med en konfidensnivå som överstiger 99,9 %.
Jämn (positiv) paritet	Studera vinklarna vid vilka sönderfallsprodukter flyger isär. Negativ paritet var också ogynnsam om spin-0 bekräftades.	Även paritet preliminärt bekräftas. Spin-0 negativ paritetshypotes exkluderas med en konfidensnivå som överstiger 99,9 %.
Sönderfallskanaler (resultat av partikelsönderfall) är som förutspått	Standardmodellen förutsäger sönderfallsmönstren för en 125 GeV/ c 2 Higgs boson. Syns alla dessa och i rätt takt? Särskilt betydelsefullt bör vi observera sönderfall till par av fotoner (γ γ), W och Z bosoner (WW och ZZ), bottenkvarkar (bb) och tauleptoner (τ τ) , bland de möjliga resultaten.	bb, γ γ, τ τ, WW och ZZ observerade. Alla observerade signalstyrkor överensstämmer med standardmodellens förutsägelse.
Kopplar till massa (dvs. styrkan av interaktion med standardmodellpartiklar proportionell mot deras massa)	Partikelfysikern Adam Falkowski konstaterar att de väsentliga egenskaperna hos en Higgs-boson är att den är en spin-0 (skalär) partikel som också kopplas till massa (W- och Z-bosoner); att bevisa spin-0 enbart är otillräckligt.	Koppling till massa är starkt bevisad ("Vid 95 % konfidensnivå ligger c V inom 15 % av standardmodellvärdet c V =1").
Högre energiresultat förblir konsekventa	Efter LHC:s omstart 2015 vid den högre energin på 13 TeV fortsatte sökningar efter flera Higgspartiklar (som förutspåtts i vissa teorier) och tester inriktade på andra versioner av partikelteorin. Dessa högre energiresultat måste fortsätta att ge resultat som överensstämmer med Higgs teorier.	Analyser av kollisioner fram till juli 2017 visar inga avvikelser från standardmodellen, med experimentell precision bättre än resultat vid lägre energier.

Resultat sedan 2013

Kopplingsstyrka till Higgs boson i (överst) och förhållande till standardmodellens förutsägelse (botten) härledd från data om tvärsnitt och förgreningsförhållande. I κ- ramverket är kopplingarna ${\sqrt {{\kappa }_{V}}}{m}_{V }/{\rm {vev}}\quad (={\sqrt {{\kappa }_{V}{g}_{V}/2{\rm {vev}}}})$ och ${\kappa }_{F}{m}_{V}/{\rm {vev}}$ för vektorbosonerna V (=Z,W) och för fermionerna F ( = t , b , τ ( μ inte bekräftad som 2022 men det finns bevis)), där ${m}_{V/F}$ massorna och $vev$ vakuumförväntningen värde ( ${g}_{V}$ den absoluta kopplingsstyrkan).

I juli 2017 bekräftade CERN att alla mätningar fortfarande överensstämmer med standardmodellens förutsägelser och kallade den upptäckta partikeln helt enkelt "Higgsbosonen". Från och med 2019 Large Hadron Collider fortsatt att producera fynd som bekräftar 2013 års förståelse av Higgsfältet och partikeln.

LHC:s experimentella arbete sedan omstarten 2015 har inkluderat att undersöka Higgs-fältet och bosonen till en högre detaljnivå och bekräfta om mindre vanliga förutsägelser var korrekta. I synnerhet har prospektering sedan 2015 gett starka bevis för det förutspådda direkta sönderfallet till fermioner såsom par av bottenkvarkar (3,6 σ) – beskrivna som en "viktig milstolpe" för att förstå dess korta livslängd och andra sällsynta sönderfall – och även för att bekräfta sönderfallet i par av tau leptoner (5,9 σ). Detta beskrevs av CERN som "av största vikt för att etablera kopplingen av Higgs boson till leptoner och representerar ett viktigt steg mot att mäta dess kopplingar till tredje generationens fermioner, de mycket tunga kopiorna av elektronerna och kvarkarna, vars roll i naturen är ett djupt mysterium". Publicerade resultat den 19 mars 2018 vid 13 TeV för ATLAS och CMS hade sina mätningar av Higgs-massan på 124,98 ± 0,28 GeV/ c ² respektive 125,26 ± 0,21 GeV/ c ² .

I juli 2018 rapporterade ATLAS- och CMS-experimenten att Higgs-bosonen sönderföll till ett par bottenkvarkar, som utgör cirka 60 % av alla dess sönderfall.

Teoretiska frågeställningar

Huvudartikel: Higgs-mekanism

Teoretiskt behov av Higgs

" Symmetribrott illustrerad": – Vid höga energinivåer (vänster) lägger sig bollen i mitten och resultatet är symmetriskt. Vid lägre energinivåer (höger) förblir de övergripande "reglerna" symmetriska, men potentialen för "mexikansk hatt" träder i kraft: " lokal" symmetri bryts oundvikligen eftersom bollen så småningom måste rulla på ett eller annat sätt.

Mätarinvarians är en viktig egenskap hos moderna partikelteorier som standardmodellen, delvis på grund av dess framgång inom andra områden av fundamental fysik som elektromagnetism och den starka interaktionen ( kvantkromodynamik) . Men innan Sheldon Glashow utökade de elektrosvaga föreningsmodellerna 1961, fanns det stora svårigheter med att utveckla mätteorier för den svaga kärnkraften eller en möjlig enhetlig elektrosvag interaktion . Fermioner med en massterm skulle bryta mot gauge-symmetri och kan därför inte vara gauge-invariant. (Detta kan ses genom att undersöka Dirac Lagrangian för en fermion i termer av vänster- och högerhänta komponenter; vi finner att ingen av de spinnhalva partiklarna någonsin skulle kunna vända helicitet som krävs för massa, så de måste vara masslösa.) W och Z Bosoner observeras ha massa, men en bosonmassaterm innehåller termer som helt klart beror på valet av mätare, och därför kan inte heller dessa massor vara mätinvarianta. Därför verkar det som om ingen av standardmodellerna fermioner eller bosoner kunde "börja" med massa som en inbyggd egenskap förutom genom att överge mätinvarians. Om mätinvariansen skulle bibehållas, måste dessa partiklar förvärva sin massa genom någon annan mekanism eller interaktion.

Dessutom verkade lösningar baserade på spontant symmetribrott misslyckas, till synes ett oundvikligt resultat av Goldstones teorem . Eftersom det inte finns någon potentiell energikostnad för att röra sig runt det komplexa planets "cirkulära dal" som är ansvarig för spontan symmetribrott, är den resulterande kvantexcitationen ren kinetisk energi och därför en masslös boson ("Guldstensboson"), vilket i sin tur innebär en ny långdistanskraft. Men inga nya långväga krafter eller masslösa partiklar upptäcktes heller. Så vad som än gav dessa partiklar deras massa behövde inte "bryta" mätinvarians som grunden för andra delar av teorierna där det fungerade bra, och behövde inte kräva eller förutsäga oväntade masslösa partiklar eller långväga krafter som faktiskt inte verkade att finnas i naturen.

En lösning på alla dessa överlappande problem kom från upptäckten av ett tidigare obemärkt gränsfall gömt i matematiken i Goldstones teorem, att det under vissa förhållanden teoretiskt skulle kunna vara möjligt för en symmetri att brytas utan att störa mätinvariansen och utan någon ny masslös partiklar eller krafter, och att ha "förnuftig" ( renormaliserbara ) resultat matematiskt. Detta blev känt som Higgs-mekanismen .

Sammanfattning av interaktioner mellan vissa partiklar som beskrivs av standardmodellen

Standardmodellen antar ett fält som är ansvarigt för denna effekt, kallat Higgs-fältet (symbol: $\phi$ ), som har den ovanliga egenskapen att en amplitud som inte är noll i sitt grundtillstånd ; dvs ett vakuumförväntningsvärde som inte är noll . Den kan ha denna effekt på grund av dess ovanliga "mexikanska hatt"-formade potential vars lägsta "punkt" inte är i dess "centrum". Enkelt uttryckt, till skillnad från alla andra kända fält, kräver Higgs-fältet mindre energi för att ha ett värde som inte är noll än ett nollvärde, så det slutar med ett värde som inte är noll överallt . Under en viss extremt hög energinivå bryter förekomsten av denna vakuumförväntning som inte är noll spontant elektrosvag mätares symmetri som i sin tur ger upphov till Higgs-mekanismen och utlöser förvärvet av massa av de partiklar som interagerar med fältet. Denna effekt uppstår på grund av att skalära fältkomponenter i Higgsfältet "absorberas" av de massiva bosonerna som frihetsgrader och kopplas till fermionerna via Yukawa-koppling , vilket ger de förväntade massatermerna. När symmetri bryts under dessa förhållanden interagerar Goldstone-bosonerna som uppstår med Higgsfältet (och med andra partiklar som kan interagera med Higgsfältet) istället för att bli nya masslösa partiklar. De svårlösta problemen med de båda underliggande teorierna "neutraliserar" varandra, och det återstående resultatet är att elementarpartiklar får en konsekvent massa baserat på hur starkt de interagerar med Higgsfältet. Det är den enklaste kända processen som kan ge massa till gauge-bosonerna samtidigt som den förblir kompatibel med gauge-teorier . Dess kvantum skulle vara en skalär boson , känd som Higgs boson.

Enkel förklaring av teorin, från dess ursprung i supraledning

Den föreslagna Higgs-mekanismen uppstod som ett resultat av teorier som föreslagits för att förklara observationer i supraledning . En supraledare tillåter inte penetrering av externa magnetfält ( Meissner-effekten) . Denna märkliga observation antyder att det elektromagnetiska fältet på något sätt blir kortavstånd under detta fenomen. Framgångsrika teorier uppstod för att förklara detta under 1950-talet, först för fermioner ( Ginzburg–Landau teori , 1950) och sedan för bosoner ( BCS teori , 1957).

I dessa teorier tolkas supraledning som att den härrör från ett laddat kondensatfält . Inledningsvis har kondensatvärdet inte någon föredragen riktning, vilket antyder att det är skalärt, men dess fas kan definiera en mätare i mätarebaserade fältteorier. För att göra detta måste fältet laddas. Ett laddat skalärfält måste också vara komplext (eller beskrivits på annat sätt, det innehåller minst två komponenter och en symmetri som kan rotera var och en in i varandra). I naiv gauge teori, en gauge transformation av ett kondensat roterar vanligtvis fasen. Men under dessa omständigheter fixar den istället ett föredraget val av fas. Men det visar sig att att fixera valet av mätare så att kondensatet har samma fas överallt, också gör att det elektromagnetiska fältet får en extra term. Denna extra term gör att det elektromagnetiska fältet blir kort.

När uppmärksamheten väl uppmärksammades på denna teori inom partikelfysik var parallellerna tydliga. En förändring av det vanligtvis långdistans elektromagnetiska fältet till att bli kortdistans, inom en gauge-invariant teori, var exakt den önskade effekten för svagkraftbosonerna (eftersom en långdistanskraft har masslösa gaugebosoner, och en kortdistanskraft innebär massiv gauge bosoner, vilket tyder på att ett resultat av denna interaktion är att fältets mätare bosoner förvärvade massa, eller en liknande och likvärdig effekt). Funktionerna i ett fält som krävs för att göra detta var också ganska väl definierade – det skulle behöva vara ett laddat skalärt fält, med minst två komponenter, och komplext för att stödja en symmetri som kan rotera dessa in i varandra.

Alternativa modeller

Huvudartikel: Alternativ till standardmodellen Higgs

⁰⁰⁰ Den minimala standardmodellen som beskrivs ovan är den enklaste kända modellen för Higgs-mekanismen med bara ett Higgs-fält. En utökad Higgs-sektor med ytterligare Higgs-partikeldubletter eller -tripletter är också möjlig, och många förlängningar av standardmodellen har denna funktion. Den icke-minimala Higgs-sektorn som gynnas av teorin är två-Higgs-dubbelmodellerna (2HDM), som förutsäger förekomsten av en kvintett av skalära partiklar: två CP-jämna neutrala Higgs-bosoner h och H , en CP-udda neutral Higgs-boson A , och två laddade Higgspartiklar H ^± . Supersymmetri ("SUSY") förutsäger också relationer mellan Higgs-bosonmassorna och massorna av gaugebosonerna, och skulle kunna ta emot en 125 GeV/ c ² neutral Higgs-boson.

Nyckelmetoden för att skilja mellan dessa olika modeller är att studera partiklarnas interaktioner ("coupling") och exakta sönderfallsprocesser ("branching ratios"), som kan mätas och testas experimentellt vid partikelkollisioner. I Type-I 2HDM-modellen kopplar en Higgs-dublett till upp- och nedkvarkar, medan den andra dubbletten inte kopplar till kvarkar. Denna modell har två intressanta gränser, där de lättaste Higgs kopplar ihop sig till bara fermioner ("gauge- phobic ") eller bara gauge bosoner ("fermiofobic"), men inte båda. I Type-II 2HDM-modellen kopplar den ena Higgs-dubletten endast till kvarkar av upptyp, den andra kopplar endast till kvarkar av nedtyp. Den mycket undersökta Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) inkluderar en Type-II 2HDM Higgs-sektor, så det kan motbevisas av bevis på en Type-I 2HDM Higgs.

I andra modeller är Higgs-skalären en kompositpartikel. Till exempel, i technicolor spelas Higgsfältets roll av starkt bundna par av fermioner som kallas techniquarks . Andra modeller har par av toppkvarkar (se toppkvarkkondensat ). I ytterligare andra modeller finns det inget Higgs-fält alls och den elektrosvaga symmetrin bryts med hjälp av extra dimensioner.

Ytterligare teoretiska frågeställningar och hierarkiproblem

Huvudartiklar: Hierarkiproblem och Hierarkiproblem § Higgsmassan

Ett Feynman-diagram med en slinga över första ordningens korrigering av Higgs-massan. I standardmodellen är effekterna av dessa korrigeringar potentiellt enorma, vilket ger upphov till det så kallade hierarkiproblemet .

Standardmodellen lämnar Higgs-bosonens massa som en parameter som ska mätas, snarare än ett värde som ska beräknas. Detta ses som teoretiskt otillfredsställande, särskilt som kvantkorrigeringar (relaterade till interaktioner med virtuella partiklar ) tydligen borde få Higgspartikeln att ha en massa som är oerhört högre än den observerade, men samtidigt kräver standardmodellen en massa i storleksordningen 100 till 1000 GeV/ c ² för att säkerställa enhetlighet (i detta fall för att unitarisera longitudinell vektorbosonspridning). Att förena dessa punkter verkar kräva att man förklarar varför det finns en nästan perfekt annullering som resulterar i den synliga massan på ~ 125 GeV/ c ² , och det är inte klart hur man gör detta. Eftersom den svaga kraften är cirka 10 ³² gånger starkare än gravitationen, och (kopplat till detta) Higgs bosonens massa är så mycket mindre än Planckmassan eller den stora föreningsenergin , verkar det som om det antingen finns något underliggande samband eller orsak till dessa observationer som är okända och inte beskrivs av standardmodellen, eller någon oförklarad och extremt exakt finjustering av parametrar – men för närvarande är ingen av dessa förklaringar bevisade. Detta är känt som ett hierarkiproblem . Mer allmänt uppgår hierarkiproblemet till oro för att en framtida teori om fundamentala partiklar och interaktioner inte ska ha överdrivna finjusteringar eller onödigt känsliga avstängningar, och bör tillåta massor av partiklar som Higgs-bosonen att kunna beräknas. Problemet är på vissa sätt unikt för spin-0-partiklar (som Higgs-bosonen), vilket kan ge upphov till problem relaterade till kvantkorrigeringar som inte påverkar partiklar med spin. Ett antal lösningar har föreslagits , inklusive supersymmetri , konforma lösningar och lösningar via extra dimensioner som braneworld- modeller.

Det finns också frågor om kvanttrivialitet , vilket tyder på att det kanske inte är möjligt att skapa en konsekvent kvantfältteori som involverar elementära skalära partiklar. Men om kvanttrivialitet undviks kan trivialitetsbegränsningar sätta gränser för Higgs Boson-massan.

Egenskaper

Egenskaper för Higgsfältet

I standardmodellen är Higgs-fältet ett skalärt takyoniskt fält - skalärt betyder att det inte transformeras under Lorentz-transformationer , och tachyoniskt betyder att fältet (men inte partikeln) har imaginär massa och i vissa konfigurationer måste genomgå symmetribrytning . Den består av fyra komponenter: två neutrala och två laddade komponentfält . Båda de laddade komponenterna och ett av de neutrala fälten är ^Goldstone W ⁺ , W- och Z-bosonerna -bosoner , som fungerar som de longitudinella tredje-polarisationskomponenterna för de massiva . Kvantiteten av den återstående neutrala komponenten motsvarar (och är teoretiskt realiserad som) den massiva Higgs-bosonen. Denna komponent kan interagera med fermioner via Yukawa-koppling för att ge dem massa också.

Matematiskt har Higgsfältet imaginär massa och är därför ett takyoniskt fält. Medan tachyoner ( partiklar som rör sig snabbare än ljus ) är ett rent hypotetiskt begrepp, har fält med imaginär massa kommit att spela en viktig roll i modern fysik. Under inga omständigheter sprider sig några excitationer någonsin snabbare än ljus i sådana teorier – närvaron eller frånvaron av en takyonisk massa har ingen som helst effekt på signalernas maximala hastighet (det finns ingen överträdelse av kausalitet ) . Istället för partiklar som är snabbare än ljus, skapar den imaginära massan en instabilitet: Varje konfiguration där en eller flera fältexcitationer är tachyoniska måste spontant sönderfalla, och den resulterande konfigurationen innehåller inga fysiska tachyoner. Denna process är känd som tachyonkondensering och tros nu vara förklaringen till hur själva Higgs-mekanismen uppstår i naturen och därför orsaken till att den elektrosvaga symmetrin bryts.

Även om föreställningen om imaginär massa kan verka oroande, är det bara fältet, och inte själva massan, som kvantiseras. Därför fältoperatörerna vid rymdliknande separerade punkter fortfarande (eller antipendlar) , och information och partiklar fortplantar sig fortfarande inte snabbare än ljus. Tachyonkondensering driver ett fysiskt system som har nått en lokal gräns – och som naivt kan förväntas producera fysiska tachyoner – till ett alternativt stabilt tillstånd där inga fysiska tachyoner existerar. När väl ett tachyonfält som Higgsfältet når minimum av potentialen är dess kvanta inte längre tachyoner utan är snarare vanliga partiklar som Higgsbosonen.

Egenskaper för Higgs boson

Eftersom Higgs-fältet är skalärt har Higgs-bosonen ingen spin . Higgs-bosonen är också sin egen antipartikel , är CP-jämn och har noll elektrisk laddning och färgladdning .

Standardmodellen förutsäger inte massan av Higgs-bosonen. Om den massan är mellan 115 och 180 GeV/ c ² (överensstämmer med empiriska observationer av 125 GeV/ c ² ), så kan standardmodellen vara giltig på energiskalor ända upp till Planck-skalan ( 10 ¹⁹ GeV/ c ² ). Det borde vara den enda partikeln i standardmodellen som förblir massiv även vid höga energier. Många teoretiker förväntar sig att ny fysik bortom standardmodellen kommer att dyka upp på TeV-skala, baserat på otillfredsställande egenskaper hos standardmodellen. Den högsta möjliga massskalan som tillåts för Higgs-bosonen (eller någon annan elektrosvag symmetribrytande mekanism) är 1,4 TeV; bortom denna punkt blir standardmodellen inkonsekvent utan en sådan mekanism, eftersom enhetligheten kränks i vissa spridningsprocesser.

Det är också möjligt, även om det är experimentellt svårt, att uppskatta massan av Higgs-bosonen indirekt: I standardmodellen har Higgs-bosonen ett antal indirekta effekter; framför allt resulterar Higgs-slingor i små korrigeringar av massor av W- och Z-bosonerna. Precisionsmätningar av elektrosvaga parametrar, såsom Fermi-konstanten och massorna av W- och Z-bosonerna, kan användas för att beräkna begränsningar för Higgs massa. Från och med juli 2011 säger precisionsmätningarna av elektrosvaga oss att massan av Higgs-bosonen sannolikt är mindre än cirka 161 GeV/ c ² vid 95 % konfidensnivå . Dessa indirekta begränsningar bygger på antagandet att standardmodellen är korrekt. Det kan fortfarande vara möjligt att upptäcka en Higgs-boson ovanför dessa massor, om den åtföljs av andra partiklar utöver de som ryms av standardmodellen.

LHC kan inte direkt mäta Higgs-bosonens livstid, på grund av dess extrema korthet. Det förutspås som 1,56 × 10 ⁻²² s baserat på den förutspådda avklingningsbredden på 4,07 × 10 ⁻³ GeV . Det kan emellertid mätas indirekt, baserat på att jämföra massor uppmätta från kvantfenomen som förekommer i produktionsvägarna på skalet och i de, mycket sällsynta, produktionsvägarna utanför skalet , härledda från Dalitz-förfall via en virtuell foton (H→γ*γ→ℓℓγ ) . Med denna teknik mättes Higgs-bosonens livslängd preliminärt 2021 till 1,2 - 4,6 x 10 ^-22 s , med sigma 3,2 (1 på 1000) signifikans.

Produktion

Feynman-diagram för Higgs-produktion

Gluonfusion	Higgs Strahlung
Vektor boson fusion	Topp fusion

Om Higgs partikelteorier är giltiga, kan en Higgspartikel produceras ungefär som andra partiklar som studeras, i en partikelkolliderare . Detta innebär att man accelererar ett stort antal partiklar till extremt höga energier och extremt nära ljusets hastighet, för att sedan låta dem slå samman. Protoner och blyjoner (de nakna kärnorna av blyatomer ) används vid LHC. I de extrema energierna av dessa kollisioner kommer de önskade esoteriska partiklarna ibland att produceras och detta kan detekteras och studeras; eventuell frånvaro eller skillnad från teoretiska förväntningar kan också användas för att förbättra teorin. Den relevanta partikelteorin (i detta fall standardmodellen) kommer att bestämma de nödvändiga typerna av kollisioner och detektorer. Standardmodellen förutspår att Higgs-bosoner kan bildas på ett antal sätt, även om sannolikheten för att producera en Higgs-boson i en kollision alltid förväntas vara mycket liten – till exempel bara en Higgs-boson per 10 miljarder kollisioner i Large Hadron Collider. De vanligaste förväntade processerna för Higgs bosonproduktion är:

Gluonfusion

Om de kolliderade partiklarna är hadroner som protonen eller antiprotonen – vilket är fallet i LHC och Tevatron – så är det mest troligt att två av gluonerna som binder ihop hadronen kolliderar. Det enklaste sättet att producera en Higgspartikel är om de två gluonerna kombineras för att bilda en slinga av virtuella kvarkar. Eftersom kopplingen av partiklar till Higgs-bosonen är proportionell mot deras massa, är denna process mer sannolikt för tunga partiklar. I praktiken är det tillräckligt att beakta bidragen från virtuella topp- och bottenkvarkar (de tyngsta kvarkarna). Denna process är det dominerande bidraget vid LHC och Tevatron och är ungefär tio gånger mer sannolikt än någon av de andra processerna.

Higgs Strahlung

Om en elementär fermion kolliderar med en anti-fermion – t.ex. en kvark med en anti-kvark eller en elektron med en positron – kan de två smälta samman och bilda en virtuell W- eller Z-boson som, om den bär tillräckligt med energi, kan sänder sedan ut en Higgs-boson. Denna process var det dominerande produktionsläget vid LEP, där en elektron och en positron kolliderade för att bilda en virtuell Z-boson, och det var det näst största bidraget för Higgs-produktion vid Tevatron. Vid LHC är denna process bara den tredje största, eftersom LHC kolliderar protoner med protoner, vilket gör en kvark-antikvarkkollision mindre sannolikt än vid Tevatron. Higgs Strahlung är också känd som tillhörande produktion .

Svag bosonfusion

En annan möjlighet när två (anti-)fermioner kolliderar är att de två byter ut en virtuell W- eller Z-boson, som avger en Higgs-boson. De kolliderande fermionerna behöver inte vara av samma typ. Så, till exempel, en upp-kvark kan byta ut en Z-boson med en anti-down-kvark. Denna process är den näst viktigaste för produktionen av Higgspartiklar vid LHC och LEP.

Top fusion

Den slutliga processen som vanligtvis anses vara den överlägset minst sannolika (med två storleksordningar). Denna process involverar två kolliderande gluoner, som var och en sönderfaller till ett tungt kvark-antikvarkpar. En kvarg och antikvark från varje par kan sedan kombineras för att bilda en Higgspartikel.

Förfall

Standardmodellens förutsägelse för Higgspartikelns sönderfallsbredd beror på värdet på dess massa.

Kvantmekaniken förutspår att om det är möjligt för en partikel att sönderfalla till en uppsättning lättare partiklar, så kommer den så småningom att göra det. Detta gäller även för Higgs-bosonen. Sannolikheten för att detta händer beror på en mängd olika faktorer, inklusive: skillnaden i massa, styrkan hos interaktionerna, etc. De flesta av dessa faktorer är fixerade av standardmodellen, förutom massan av själva Higgs-bosonen. För ett Higgs-boson med en massa på 125 GeV/ c ² förutspår SM en medellivslängd på cirka 1,6 × 10 ⁻²² s .

Standardmodellens förutsägelse för förgreningsförhållandena för Higgspartikelns olika sönderfallslägen beror på värdet av dess massa.

Eftersom det interagerar med alla de massiva elementarpartiklarna i SM, har Higgs-bosonen många olika processer genom vilka det kan sönderfalla. Var och en av dessa möjliga processer har sin egen sannolikhet, uttryckt som förgreningsförhållandet ; bråkdelen av det totala antalet avklingar som följer efter den processen. SM förutsäger dessa förgreningsförhållanden som en funktion av Higgs massa (se diagram).

Higgs boson sönderfaller till tunga vektorbosonpar (a), fermion-antifermionpar (b) och fotonpar eller Zγ (c,d)

Ett sätt att Higgs kan förfalla är genom att dela sig i ett fermion-antifermionpar. Som en allmän regel är det mer sannolikt att Higgs sönderfaller till tunga fermioner än lätta fermioner, eftersom massan av en fermion är proportionell mot styrkan av dess interaktion med Higgs. Enligt denna logik borde det vanligaste sönderfallet ske till ett topp -antitop-kvarkpar. Ett sådant sönderfall skulle dock bara vara möjligt om Higgs var tyngre än ~ 346 GeV/ c ² , två gånger massan av toppkvarken. För en Higgs-massa på 125 GeV/ c ² förutspår SM att det vanligaste sönderfallet är till ett botten -antibottenkvarkpar, vilket sker 57,7 % av tiden. Det näst vanligaste fermionsfallet vid den massan är ett tau -antitau-par, vilket bara inträffar cirka 6,3 % av tiden.

En annan möjlighet är att Higgs delas upp i ett par massiva gauge bosoner. Den mest sannolika möjligheten är att Higgs-bosonerna sönderfaller till ett par W-bosoner (den ljusblå linjen i plottet), vilket händer ungefär 21,5 % av tiden för en Higgs-boson med en massa på 125 GeV / c ² . W-bosonerna kan därefter sönderfalla antingen till en kvark och en antikvark eller till en laddad lepton och en neutrino. W-bosonernas sönderfall till kvarkar är svåra att särskilja från bakgrunden, och sönderfallet till leptoner kan inte helt rekonstrueras (eftersom neutriner är omöjliga att upptäcka i partikelkollisionsexperiment). En renare signal ges genom sönderfall till ett par Z-bosoner (vilket händer ungefär 2,6 % av tiden för en Higgs med en massa på 125 GeV/ c ² ), om var och en av bosonerna därefter sönderfaller till ett par lätt- för att upptäcka laddade leptoner ( elektroner eller myoner ).

Förfall till masslösa gauge-bosoner (dvs. gluoner eller fotoner ) är också möjligt, men kräver en mellanslinga av virtuella tunga kvarkar (topp eller botten) eller massiva gauge-bosoner. Den vanligaste processen är sönderfallet till ett par gluoner genom en slinga av virtuella tunga kvarkar. Denna process, som är motsatsen till gluonfusionsprocessen som nämns ovan, sker ungefär 8,6 % av tiden för en Higgs-boson med en massa på 125 GeV/ c ² . Mycket sällsyntare är sönderfallet till ett par fotoner som förmedlas av en slinga av W-bosoner eller tunga kvarkar, vilket bara sker två gånger för varje tusen sönderfall. Denna process är dock mycket relevant för experimentella sökningar efter Higgs-bosonen, eftersom fotonernas energi och rörelsemängd kan mätas mycket exakt, vilket ger en exakt rekonstruktion av massan av den sönderfallande partikeln.

År 2021 observerades det extremt sällsynta Dalitz-sönderfallet preliminärt, till två leptoner (elektroner eller myoner) och en foton (ℓℓγ), via virtuell fotonnedbrytning . Detta kan ske på tre sätt; Higgs till virtuell foton till ℓℓγ där den virtuella fotonen (γ*) har mycket liten men icke-noll massa, Higgs till Z boson till ℓℓγ, eller Higgs till två leptoner, varav en avger en sluttillståndsfoton som leder till ℓℓγ. ATLAS sökte efter bevis för den första av dessa (H→γ*γ→ℓℓγ) vid låg di-leptonmassa (≤ 30 GeV/ c ² ) , där denna process skulle dominera. Observationen har sigma 3,2 (1 på 1000) signifikans. Denna sönderfallsväg är viktig eftersom den underlättar mätning av Higgs-bosonens massa på och utanför hyllan (som tillåter indirekt mätning av sönderfallstid), och sönderfallet till två laddade partiklar möjliggör utforskning av laddningskonjugation och laddningsparitetsöverträdelse ( CP ) .

Offentlig diskussion

Namngivning

Namn som används av fysiker

Det namn som starkast förknippas med partikeln och fältet är Higgs-bosonen och Higgsfältet. Under en tid var partikeln känd genom en kombination av dess PRL-författarnamn (inklusive ibland Anderson), till exempel Brout–Englert–Higgs-partikeln, Anderson–Higgs-partikeln eller Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen– Kibble-mekanism, och dessa används fortfarande ibland. Till viss del drivs av frågan om erkännande och ett potentiellt delat Nobelpris, det mest lämpliga namnet var fortfarande ibland ett debattämne fram till 2013. Higgs själv föredrar att kalla partikeln antingen med en förkortning av alla inblandade, eller "det skalära bosonet" ", eller "den så kallade Higgspartikeln".

Det har skrivits en hel del om hur Higgs namn kom att användas uteslutande. Två huvudsakliga förklaringar ges. Den första är att Higgs tog ett steg som antingen var unikt, tydligare eller mer explicit i hans papper för att formellt förutsäga och undersöka partikeln. Av PRL-tidningarnas författare var det bara Higgs uppsats som uttryckligen erbjöds som en förutsägelse att en massiv partikel skulle existera och beräknade några av dess egenskaper; han var därför "den förste att postulera existensen av en massiv partikel" enligt Nature . Fysikern och författaren Frank Close och fysiker-bloggaren Peter Woit kommenterar båda att uppsatsen av GHK också färdigställdes efter att Higgs och Brout–Englert lämnats in till Physical Review Letters , och att Higgs ensam hade uppmärksammat en förutspådd massiv skalär boson, medan alla andra hade fokuserat på de massiva vektorbosonerna . På så sätt försåg Higgs bidrag även experimentalister med ett avgörande "konkret mål" som behövs för att testa teorin.

Men enligt Higgs uppfattning nämnde Brout och Englert inte explicit bosonen eftersom dess existens är klart uppenbar i deras arbete, medan GHK-tidningen enligt Guralnik var en fullständig analys av hela symmetribrytningsmekanismen vars matematiska stränghet saknas i andra två papper, och en massiv partikel kan finnas i vissa lösningar. Higgs papper gav också ett "särskilt skarpt" uttalande om utmaningen och dess lösning enligt vetenskapshistorikern David Kaiser.

Den alternativa förklaringen är att namnet blev populärt på 1970-talet på grund av att det användes som en bekväm stenografi eller på grund av ett misstag i citeringen. Många konton ( inklusive Higgs egna ) krediterar "Higgs"-namnet till fysikern Benjamin Lee . Lee var en betydande populariserare av teorin i dess tidiga dagar, och använde vanemässigt namnet "Higgs" som en "bekväm stenografi" för dess komponenter från 1972. och i åtminstone ett fall från så tidigt som 1966. Även om Lee förtydligade i sin fotnoter att "'Higgs' är en förkortning för Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert", betydde hans användning av termen (och kanske också Steven Weinbergs felaktiga citat av Higgs papper som den första i hans framstående tidning från 1967) att omkring 1975–1976 hade andra också börjat använda namnet 'Higgs' uteslutande som en stenografi. År 2012 godkände fysikern Frank Wilczek , som fick kredit för att ha namngett elementarpartikeln, axionen ( över ett alternativt förslag "Higglet", av Weinberg), "Higgs boson"-namnet, med angivande av "Historien är komplicerad, och var du än drar linje, det kommer att finnas någon precis under den."

Smeknamn

Higgs-bosonen kallas ofta för "Gudspartikeln" i populärmedia utanför det vetenskapliga samfundet. Smeknamnet kommer från titeln på boken från 1993 om Higgs boson och partikelfysik, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? av Nobelpristagaren i fysik och Fermilab- regissören Leon Lederman . Lederman skrev det i samband med det misslyckade amerikanska statliga stödet för Superconducting Super Collider , en delvis konstruerad titanisk konkurrent till Large Hadron Collider med planerade kollisionsenergier på 2 × 20 TeV som försvarades av Lederman sedan starten 1983 och lades ner 1993 Boken försökte delvis främja medvetenheten om betydelsen och behovet av ett sådant projekt inför dess eventuella förlust av finansiering. Lederman, en ledande forskare på området, skriver att han ville döpa sin bok till The Goddamn Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? Ledermans redaktör beslutade att titeln var för kontroversiell och övertygade honom att ändra titeln till The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question?

Även om mediaanvändning av denna term kan ha bidragit till bredare medvetenhet och intresse, tycker många forskare att namnet är olämpligt eftersom det är sensationell överdrift och vilseleder läsarna; partikeln har inte heller något med någon Gud att göra , lämnar många frågor öppna i fundamental fysik och förklarar inte universums ultimata ursprung . Higgs , en ateist , rapporterades vara missnöjd och uppgav i en intervju 2008 att han tyckte att det var "pinsamt" eftersom det var "den typ av missbruk ... som jag tror kan förolämpa vissa människor". Smeknamnet har satiriserats i mainstream media också. Vetenskapsförfattaren Ian Sample konstaterade i sin bok från 2010 om sökningen att smeknamnet är "universellt hatat" av fysiker och kanske det "värsta hånade" i fysikens historia, men att (enligt Lederman) förlaget avvisade alla titlar nämner "Higgs" som fantasilös och för okänd.

Lederman börjar med en genomgång av det långa mänskliga sökandet efter kunskap och förklarar att hans tongue-in-cheek-titel drar en analogi mellan Higgsfältets inverkan på de grundläggande symmetrierna vid Big Bang och det uppenbara kaoset av strukturer , partiklar , krafter och interaktioner som resulterade och formade vårt nuvarande universum, med den bibliska berättelsen om Babel där det ursprungliga enda språket från tidig Första Mosebok var fragmenterat i många olika språk och kulturer.

Idag ... har vi standardmodellen, som reducerar hela verkligheten till ett dussintal partiklar och fyra krafter ... Det är en svårvunnen enkelhet [...och...] anmärkningsvärt exakt. Men den är också ofullständig och faktiskt internt inkonsekvent ... Denna boson är så central för fysikens tillstånd idag, så avgörande för vår slutliga förståelse av materiens struktur, men ändå så svårfångad, att jag har gett den ett smeknamn : gudspartikeln. Varför gudspartikel? Två skäl. För det första skulle utgivaren inte låta oss kalla den för den jävla partikeln, även om det kanske är en mer passande titel, med tanke på dess skurkaktiga natur och de kostnader den orsakar. Och två, det finns ett slags samband med en annan bok , en mycket äldre ...

— Lederman & Teresi

Lederman frågar om Higgs-bosonen tillkom bara för att förvirra och förvirra de som söker kunskap om universum, och om fysiker kommer att bli förvirrade av det som det berättas i den historien, eller i slutändan övervinna utmaningen och förstå "hur vackert är universum [Gud har ] gjort".

Andra förslag

En omdöpningstävling av den brittiska tidningen The Guardian 2009 resulterade i att deras vetenskapskorrespondent valde namnet "the champagne bottle boson" som det bästa bidraget: "Botten på en champagneflaska är i form av Higgs potential och används ofta som en illustration i fysikföreläsningar. Så det är inte ett pinsamt grandiost namn, det är minnesvärt och [det] har en viss fysikkoppling också." Namnet Higgson föreslogs också, i en åsiktsartikel i Institute of Physics onlinepublikation physicsworld.com .

Pedagogiska förklaringar och analogier

Fotografi av ljus som passerar genom ett dispersivt prisma : regnbågseffekten uppstår eftersom fotoner inte alla påverkas i samma grad av prismats dispersiva material.

Det har förekommit omfattande offentliga diskussioner om analogier och förklaringar för Higgspartikeln och hur fältet skapar massa, inklusive täckning av förklaringsförsök i sin egen rätt och en tävling 1993 om den bästa populära förklaringen av Storbritanniens dåvarande vetenskapsminister Sir William Waldegrave och artiklar i tidningar över hela världen.

Ett pedagogiskt samarbete som involverar en LHC-fysiker och en gymnasielärare vid CERN- utbildare antyder att spridning av ljus – ansvarigt för regnbågen och det dispersiva prismat – är en användbar analogi för Higgsfältets symmetribrytande och massorsakande effekt.

Symmetribrott i optik	I ett vakuum färdas ljus av alla färger (eller fotoner av alla våglängder ) med samma hastighet , en symmetrisk situation. I vissa ämnen som glas , vatten eller luft är denna symmetri bruten (se: Fotoner i materia ) . Resultatet är att ljus med olika våglängder har olika hastigheter .
Symmetribrott i partikelfysik	I "naiva" gauge-teorier är gaugebosoner och andra fundamentala partiklar alla masslösa – också en symmetrisk situation. I närvaro av Higgsfältet är denna symmetri bruten. Resultatet är att partiklar av olika typer kommer att ha olika massor.

Matt Strassler använder elektriska fält som en analogi:

Vissa partiklar interagerar med Higgsfältet medan andra inte gör det. De partiklar som känner Higgs-fältet agerar som om de hade massa. Något liknande händer i ett elektriskt fält – laddade föremål dras runt och neutrala föremål kan segla genom opåverkade. Så du kan tänka på Higgs-sökningen som ett försök att skapa vågor i Higgsfältet [ skapa Higgs-bosoner ] för att bevisa att det verkligen finns där.

En liknande förklaring gavs av The Guardian :

Higgs-bosonen är i huvudsak en krusning i ett fält som sägs ha uppstått vid universums födelse och spänner över kosmos till denna dag... Partikeln är dock avgörande: Det är den rykande pistolen, bevisen som krävs för att visa teorin är rätt.

Higgsfältets effekt på partiklar beskrevs berömt av fysikern David Miller som besläktad med ett rum fullt av politiska partiarbetare fördelat jämnt över ett rum: Folkmassan dras till och saktar ner kända personer men saktar inte ner andra. Han uppmärksammade också välkända effekter inom fast tillståndets fysik där en elektrons effektiva massa kan vara mycket större än vanligt i närvaro av ett kristallgitter.

Analogier baserade på drageffekter , inklusive analogier av " sirap " eller " melass " är också välkända, men kan vara något missvisande eftersom de kan förstås (felaktigt) som att Higgsfältet helt enkelt motstår vissa partiklars rörelse men inte andras rörelser. – en enkel resistiv effekt kan också komma i konflikt med Newtons tredje lag .

Erkännande och utmärkelser

Det fanns en stor diskussion före slutet av 2013 om hur man skulle fördela krediten om Higgs-bosonen bevisas, gjorts mer påpekad eftersom ett Nobelpris hade förväntats, och den mycket breda basen av personer som har rätt till övervägande. Dessa inkluderar en rad teoretiker som gjorde Higgs-mekanismteorin möjlig, teoretikerna i 1964 års PRL-uppsatser (inklusive Higgs själv), teoretiker som härledde en fungerande elektrosvag teori och själva standardmodellen, och även experimentalisterna vid CERN och andra institutioner som möjliggjorde beviset för Higgsfältet och bosonen i verkligheten. Nobelpriset har en gräns på tre personer att dela på en utmärkelse, och några möjliga vinnare är redan pristagare för annat arbete, eller är avlidna (priset delas endast ut till personer under deras livstid). Befintliga priser för verk som rör Higgs-fältet, bosonen eller mekanismen inkluderar:

• Nobelpriset i fysik (1979) – Glashow , Salam och Weinberg , för bidrag till teorin om den förenade svaga och elektromagnetiska interaktionen mellan elementarpartiklar
• Nobelpriset i fysik (1999) – 't Hooft och Veltman , för att belysa kvantstrukturen hos elektrosvaga interaktioner i fysiken
• JJ Sakurai-priset för teoretisk partikelfysik (2010) – Hagen, Englert, Guralnik, Higgs, Brout och Kibble, för klargörande av egenskaperna hos spontan symmetribrott i fyrdimensionell relativistisk mätteori och mekanismen för konsekvent generering av vektorer bosonmassor (för 1964 års tidningar som beskrivs ovan )
• Wolf Prize (2004) – Englert, Brout och Higgs
• Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics (2013) – Fabiola Gianotti och Peter Jenni , talespersoner för ATLAS Collaboration och Michel Della Negra, Tejinder Singh Virdee, Guido Tonelli och Joseph Incandela talesmän, tidigare och nuvarande, för CMS-samarbetet, "För [ deras] ledarroll i den vetenskapliga strävan som ledde till upptäckten av den nya Higgs-liknande partikeln av ATLAS och CMS samarbeten vid CERNs Large Hadron Collider”.
• Nobelpriset i fysik (2013) – Peter Higgs och François Englert , för den teoretiska upptäckten av en mekanism som bidrar till vår förståelse av ursprunget till massan av subatomära partiklar, och som nyligen bekräftades genom upptäckten av den förutsagda fundamentala partikeln, av ATLAS- och CMS-experimenten vid CERNs Large Hadron Collider

Englerts medforskare Robert Brout dog 2011 och Nobelpriset ges vanligtvis inte postumt .

Dessutom erkände Physical Review Letters 50-åriga granskning (2008) 1964 års PRL symmetribrytande papper och Weinbergs 1967 papper A model of Leptons (det mest citerade papper inom partikelfysik, från och med 2012) "milestone Letters".

Efter rapporterad observation av den Higgs-liknande partikeln i juli 2012 rapporterade flera indiska medier om den förmodade försummelsen av kredit till den indiska fysikern Satyendra Nath Bose efter vars arbete på 1920-talet partikelklassen " bosoner " är uppkallad (även om fysiker har beskrivit Boses koppling till upptäckten var svag).

Tekniska aspekter och matematisk formulering

Se även: Standardmodell (matematisk formulering)

Potentialen för Higgs-fältet, plottad som funktion av $\phi ^{0}$ och $\phi ^{3}$ . Den har en mexikansk hatt eller champagneflaska profil vid marken.

I standardmodellen är Higgs-fältet ett skalärt fält med fyra komponenter som bildar en komplex dubblett av den svaga isospin- SU(2) -symmetrin:

$\phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c} \phi ^{1}+i\phi ^{2}\\\phi ^{0}+i\phi ^{3}\end{array}}\right)\ ,$

medan fältet har laddning + 1 / 2 under den svaga hyperladdningen U(1) symmetri.

Notera: Den här artikeln använder skalningskonventionen där den elektriska laddningen, Q , det svaga isospinet , T ₃ , och den svaga hyperladdningen, Y _W , är relaterade till Q = T ₃ + Y _W . En annan konvention Q = T ₃ + 1/2 . som Y _W används i de flesta andra Wikipedia- artiklar är

Higgs-delen av Lagrangian är

${\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left|\left(\partial _{\mu }- igW_{\mu \,a}{\tfrac {1}{2}}\sigma ^{a}-i{\tfrac {1}{2}}g'B_{\mu }\right)\phi \right |^{2}+\mu _{\text{H}}^{2}\phi ^{\dolk }\phi -\lambda \left(\phi ^{\dolk}\phi \right)^{2 }\ ,$

där $W_{\mu \,a}$ och $B_{\mu }$ är gauge-bosonerna för SU(2)- och U(1)-symmetrierna, $g$ och $g'$ deras respektive kopplingskonstanter , $\sigma ^{a}$ är Pauli-matriserna (en komplett uppsättning generatorer av SU(2)-symmetrin), och ${\ displaystyle \lambda >0}$ och $\mu _{\text{H}}^{2}>0$ , så att grundtillståndet bryter SU(2)-symmetrin (se figur).

Higgsfältets grundtillstånd (potentialens botten) är degenererat med olika grundtillstånd relaterade till varandra genom en SU(2)-mätartransformation. Det är alltid möjligt att välja en mätare så att i grundtillståndet $\phi ^{1}=\phi ^{2}=\phi ^{3}=0$ . Förväntningsvärdet för $\phi ^{0}$ i grundtillståndet (vakuumförväntningsvärdet eller VEV) är då $\left\langle \phi ^{0}\ höger\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2\,}}}v$ , där $v={\tfrac {1}{\sqrt {\lambda \,}}}\left|\mu _{\text{H}}\right|$ . Det uppmätta värdet för denna parameter är ~ 246 GeV/ c ² . Den har massenheter och är den enda fria parametern i standardmodellen som inte är ett dimensionslöst tal. Kvadratiska termer i $W_{\mu }$ och $B_{\mu }$ uppstår, vilket ger massor till W- och Z-bosonerna:

${\begin{aligned}m_{\text{W}}&={\tfrac {1}{2}}v\left|\,g \,\right|\ ,\\m_{\text{Z}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ } }\ ,\end{aligned}}$

där deras förhållande bestämmer Weinbergvinkeln , ${\textstyle \cos \theta _{\text{W}}={\frac {m_{\text{W}}}{\ m_{\text{Z}}\ }}={ \frac {\left|\,g\,\right|}{\ {\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ }}} och lämna ett masslöst U(1$ ) ) foton , $\gamma$ . Massan av själva Higgs-bosonen ges av

$m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu _{\text{H}}^{2}\ }}\equiv {\sqrt {2\lambda v^{2}\ } }.$

Kvarkarna och leptonerna interagerar med Higgsfältet genom Yukawa-interaktionstermer :

${\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\text{Y}}=&-\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{ 0}-i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{ j}+\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}-i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline { d}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \ phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R} }^{j}-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{ \overline {u}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text {R}}^{j}-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ } }}{\overline {\nu }}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}+{\textrm {hc}}\ ,\end{aligned}}$

där ${\displaystyle (d,u,e,\nu )_{\text{L,R}}^{i}} är vänsterhänta$ och högerhänta kvarkar och leptoner av i : e generationen , $\lambda _{\text{u,d,e}}^{i\,j}$ är matriser för Yukawa-kopplingar där hc betecknar det hermitiska konjugatet av alla föregående termer. I det symmetribrytande marktillståndet återstår endast termerna som innehåller ${\displaystyle \phi ^{0}},$ vilket ger upphov till masstermer för fermionerna. Att rotera kvark- och leptonfälten till basen där matriserna för Yukawa-kopplingar är diagonala, får man

${\mathcal {L}}_{\text{m}}=-m_{\text{u}}^{i}{\overline {u}}_{\text{L}}^{ i}u_{\text{R}}^{i}-m_{\text{d}}^{i}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text {R}}^{i}-m_{\text{e}}^{i}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{ i}+{\textrm {hc}},$

där fermionernas massor är $m_{\text{u,d,e}}^{i}={\tfrac {1 }{\sqrt {2\ }}}\lambda _{\text{u,d,e}}^{i}v$ och $\lambda _{\text{u ,d,e}}^{i}$ betecknar egenvärdena för Yukawa-matriserna.

Se även

Standardmodell

• Higgs-mekanism – Mekanism som förklarar genereringen av massa för gaugebosoner
• Historien om kvantfältteorin
• Introduktion till kvantmekanik – Icke-teknisk introduktion till kvantfysik
• Icke-kommutativ standardmodell

  och icke-kommutativ geometri – Matematikens gren

• Matematisk formulering av standardmodellen – Matematik för en partikelfysikmodell
  • Översikt över standardmodellfält
  • masstermer och Higgs-mekanismen
• Quantum gauge theory – Fysikalisk teori med fält invarierande under verkan av lokala "gauge" Lie-grupper Sidor som visar korta beskrivningar av omdirigeringsmål
• W- och Z-bosoner – Elementarpartiklar; mäta bosoner som förmedlar den svaga interaktionen

Övrig

• Bose–Einstein-statistik – Beskrivning av bosonernas beteende
• Composite Higgs modeller , en förlängning av SM där Higgs boson är gjord av mindre beståndsdelar
• Dalitz plot – partikelfysik plot Sidor som visar wikidata-beskrivningar som en reserv
• Particle Fever , en amerikansk dokumentärfilm från 2013 som följer olika LHC-experiment och som avslutas med identifieringen av Higgs-bosonen
• Kvanttrivialitet – Möjligt resultat av renormalisering i fysik
• Skalär boson – Boson med snurr lika med noll
• Stueckelberg action – Specialfall av den abelska Higgs-mekanismen
• Takyoniskt fält – Fält med en imaginär massa
• ZZ diboson

Källor

• Bernstein, Jeremy (januari 1974). "Spontant symmetribrott, mätteorier, Higgs-mekanismen och allt det där" ( PDF) . Recensioner av modern fysik . 46 (1): 7–48. Bibcode : 1974RvMP...46....7B . doi : 10.1103/RevModPhys.46.7 . Arkiverad från originalet (PDF) den 21 januari 2013 . Hämtad 10 december 2012 .

•   Peskin, Michael E.; Schroeder, Daniel V. (1995). En introduktion till kvantfältteori . Reading, MA: Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 978-0-201-50397-5 .

•   Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2003). Modern fysik . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4345-3 .

•   Griffiths, David (2008). Introduktion till elementära partiklar (2:a reviderade upplagan). WILEY-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2 .

Vidare läsning

• Nambu, Yoichiro ; Jona-Lasinio, Giovanni (1961). "Dynamisk modell av elementarpartiklar baserad på en analogi med supraledning" . Fysisk granskning . 122 (1): 345–358. Bibcode : 1961PhRv..122..345N . doi : 10.1103/PhysRev.122.345 .
• Anderson, Philip W. (1963). "Plasmoner, mätinvarians och massa". Fysisk granskning . 130 (1): 439–442. Bibcode : 1963PhRv..130..439A . doi : 10.1103/PhysRev.130.439 .
• Klein, Abraham ; Lee, Benjamin W. (1964). "Innebär spontan nedbrytning av symmetri nollmassapartiklar?". Fysiska granskningsbrev . 12 (10): 266–268. Bibcode : 1964PhRvL..12..266K . doi : 10.1103/PhysRevLett.12.266 .
• Gilbert, Walter (1964). "Brutna symmetrier och masslösa partiklar". Fysiska granskningsbrev . 12 (25): 713–714. Bibcode : 1964PhRvL..12..713G . doi : 10.1103/PhysRevLett.12.713 .
• Higgs, Peter (1964). "Brutna symmetrier, masslösa partiklar och mätfält". Fysik bokstäver . 12 (2): 132–133. Bibcode : 1964PhL....12..132H . doi : 10.1016/0031-9163(64)91136-9 .
•   Guralnik, Gerald S. ; Hagen, CR ; Kibble, Tom WB (1968). "Krossade symmetrier och Goldstone-satsen" . I Cool, RL ; Marshak, RE (red.). Framsteg inom fysik . Vol. 2. Interscience Publishers . s. 567–708. ISBN 978-0-470-17057-1 . Arkiverad från originalet den 23 april 2012 . Hämtad 18 juni 2011 .
•   Carroll, Sean (2013). The Particle at the End of the Universe: Hur jakten på Higgs-bosonen leder oss till kanten av en ny värld . Dutton. ISBN 978-0-14-218030-3 .
• Jakobs, Karl; Seez, Chris (2015). "Higgsbosonupptäckten" . Scholarpedia . 10 (9): 32413. doi : 10.4249/scholarpedia.32413 .

externa länkar

Populärvetenskap, massmedia och allmän bevakning

• Higgs Boson observation vid CERN
• Jaga Higgs-bosonen på CMS Experiment, på CERN
• Higgs Boson av CERN exploratorium.
• Particle Fever , dokumentärfilm om sökandet efter Higgs Boson.
• The Atom Smashers , dokumentärfilm om sökandet efter Higgs-bosonen vid Fermilab.
• Samlade artiklar på Guardian
• Video (04:38) – CERN -meddelande den 4 juli 2012 om upptäckten av en partikel som misstänks vara en Higgs Boson.
• Video1 (07:44) + Video2 (07:44) – Higgs Boson Förklarad av CERN-fysikern, Dr Daniel Whiteson (16 juni 2011).
• HowStuffWorks: Vad exakt är Higgs Boson?
• Carroll, Sean . "Higgs Boson med Sean Carroll" . Sextio symboler . University of Nottingham.
• Hejdå, Dennis (5 mars 2013). "Chasing the Higgs Boson: How 2 teams of rivals at CERN searched for fysikens mest svårfångade partikel" . New York Times Science-sidor . Hämtad 22 juli 2013 . – New York Times artikel i "bakom kulisserna" om Higgs sökande på ATLAS och CMS
• Berättelsen om Higgsteorin av författarna till PRL-tidningarna och andra närstående:
  • Higgs, Peter (2010). "Mitt liv som boson" (PDF) . Tal vid Kings College, London, 24 november 2010. Arkiverat från originalet (PDF) den 4 november 2013 . Hämtad 17 januari 2013 . (även: Higgs, Peter (24 november 2010). "My Life As a Boson: The Story of "the Higgs" ". International Journal of Modern Physics A . 17 : 86–88. Bibcode : 2002IJMPA..17S..86H . doi : 10.1142/S0217751X02013046 . )
  • Kibble, Tom (2009). "Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble-mekanism (historia)" . Scholarpedia . Hämtad 17 januari 2013 . (även: Kibble, Tom (2009). "Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mechanism (historia)" . Scholarpedia . 4 ( 1): 8741. Bibcode : 2009SchpJ...4.8741K . doi : 10.4249 scholarpedia.8741 . )
  •   Guralnik, Gerald (2009). "Historien om Guralnik, Hagen och Kibbles utveckling av teorin om spontan symmetribrytning och mätpartiklar". International Journal of Modern Physics A . 24 (14): 2601–2627. arXiv : 0907.3466 . Bibcode : 2009IJMPA..24.2601G . doi : 10.1142/S0217751X09045431 . S2CID 16298371 . , Guralnik, Gerald (2011). "Början av spontan symmetribrott i partikelfysik. Proceedings of the DPF-2011 Conference, Providence, RI, 8–13 augusti 2011". arXiv : 1110.2253v1 [ physics.hist-ph ]. , och Guralnik, Gerald (2013). "Kätterska idéer som gav hörnstenen för standardmodellen för partikelfysik". Arkiverad 15 oktober 2013 på Wayback Machine SPG Mitteilungen mars 2013, nr 39, (s. 14), och Talk at Brown University om 1964 års PRL-uppsatser
  • Philip Anderson (inte en av PRL-författarna) om symmetribrott i supraledning och dess migrering till partikelfysik och PRL-dokumenten
• Tecknad film om sökandet
• Cham, Jorge (19 februari 2014). "True Tales from the Road: Higgs Boson Re-Explained" . Staplad högre och djupare . Hämtad 25 februari 2014 .
• Higgs Boson , BBC Radio 4-diskussion med Jim Al-Khalili, David Wark och Roger Cashmore ( In Our Time , 18 november 2004)

Betydande papper och annat

•   "Observation av en ny partikel i sökandet efter standardmodellen Higgs boson med ATLAS-detektorn vid LHC". Fysik Bokstäver B . 716 (2012): 1–29. 2012. arXiv : 1207.7214 . Bibcode : 2012PhLB..716....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.020 . S2CID 119169617 .
• "Observation av en ny boson vid en massa av 125 GeV med CMS-experimentet vid LHC". Fysik Bokstäver B . 716 (2012): 30–61. 2012. arXiv : 1207.7235 . Bibcode : 2012PhLB..716...30C . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.021 .
• Particle Data Group: Granskning av sökningar efter Higgs Bosons.
•   2001, en rymdtidsodyssé: handlingar från invigningskonferensen för Michigan Center for Theoretical Physics : Michigan, 21–25 maj 2001, (s. 86–88), red. Michael J. Duff, James T. Liu, ISBN 978-981-238-231-3 , som innehåller Higgs berättelse om Higgs-bosonen.
•   Migdal, AA; Polyakov, AM (1966). "Spontan nedbrytning av stark interaktionssymmetri och frånvaron av masslösa partiklar" ( PDF) . Sovjetisk fysik JETP . 24 (1): 91. Bibcode : 1967JETP...24...91M . S2CID 34510322 . Arkiverad från originalet (PDF) den 21 september 2018. – exempel på en rysk tidning från 1966 om ämnet.
• Institutionen för energi förklarar ... Higgs-bosonen

Introduktioner till området

• Electroweak Symmetry Breaking – En pedagogisk introduktion till elektrosvag symmetribrytning med steg för steg härledningar av många nyckelrelationer, av Robert D. Klauber, 15 januari 2018 (arkiverad på Wayback Machine)
• Spontant symmetribrott, mätteorier, Higgs-mekanismen och allt det där (Bernstein, Reviews of Modern Physics Jan 1974) – en introduktion på 47 sidor som täcker utvecklingen, historien och matematiken för Higgsteorierna från omkring 1950 till 1974.